Современные средства мониторинга земли из космоса и методы использования этой информации позволяют уточнять географические контуры различных экосистем, следить за изменениями и оценивать первичную продукцию растительного покрова (зеленую биомассу) по их спектральным характеристикам в течение вегетационного сезона. Применение данных дистанционного зондирования помогает более детально изучать состояние растительности, сводить полевые исследования к необходимому минимуму и по полученному опыту экстраполировать знания на большие территории с подобными природными условиями. Данные дистанционного зондирования (ДДЗ) являются наиболее удобным источником информации о распространении и характеристиках растительного покрова на больших площадях. Растительный покров может эффективно изучаться с помощью спутниковой информации NOAA/AVHRR (разрешение1 км), TERRA/MODIS (разрешение250 м), МЕТЕОР-3М (разрешение45 м), LANDSAT (разрешение30 м), IRS-LISS (разрешение23 м) и др.
Выбор района для подспутниковых исследований и мониторинга растительности проводился с привлечением картографических материалов по состоянию и распределению основных типов пастбищ на территории республики, а также спутниковых данных.
Наиболее продуктивные пастбища расположены в степной зоне, которая занимает 44% площади равнинного Казахстана. С севера на юг она разделяется на 5 подзональных типов:
- умеренно засушливые, богаторазнотравно-ковыльные степи на черноземах обыкновенных;
- засушливые, разнотравно-ковыльные степи на черноземах южных;
- умеренно сухие, дерновиннозлаковые степи на темно-каштановых почвах;
- сухие, ксерофитноразнотравно-дерновиннозлаковые степи на каштановых почвах;
- опустыненные, полынно-дерновиннозлаковые степи на светло-каштановых почвах /1/.
В период освоения целины богаторазнотравно-ковыльные степи Северного Казахстана были распаханы, и в настоящее время это массивы пахотных земель с посевами яровых зерновых культур, среди которых пастбища занимают незначительные площади непригодных для земледелия территорий (с сильно расчлененным рельефом, солончаки и др.). Южнее расположены умеренно сухие и сухие дерновиннозлаковые степи, занимающие общую площадь около 55 млн га, что составляет примерно 20% территории страны. Треть этой площади также была распахана, но в настоящее время бывшие пашни представляют собой многолетние залежи, а большая часть территории традиционно используется как пастбища и сенокосы. За последние 15 лет вследствие сокращения поголовья скота и уменьшения нагрузок на пастбища естественная растительность не только сохранилась, но и восстановилась. В качестве конкретного места проведения работ был выбран Шетский район Карагандинской области, на территории которого в силу большой протяженности с севера на юг на его территории наблюдается смена различных типов пастбищ степной и полупустынной зон. Кроме того, этот район имеет хорошую транспортную доступность, и, что немало важно, коллектив располагает значительным заделом материалов и работ на территории данного района.
Физико-географический очерк. В геоморфологическом отношении Шетский район представляет собой часть Казахского мелкосопочника – своеобразной природной части низких островных гор и холмогорий, а также бесчисленных холмов, гряд и скалистых сопок, возвышающихся над поверхностями денудационных и аккумулятивных равнин. Область включает приподнятый горно-мелкосопочный Балхаш-Ишимский водораздел, а также низкогорья Бугылы, Жаксы-Тагылы, Каратемир, Котыртас, Тектурмас и др. Основными типами рельефа гор являются эрозионно-тектонические низкогорья (грядовые, гривистые, куполовидные) с абсолютными высотами до 1500 м.
Водораздельный мелкосопочник имеет холмистый и холмисто-грядовый рельеф. Сопки обычно приурочены к устойчивым породам, поэтому часто вытянуты цепью по залеганию пород, образуя денудационные гряды. На вершинах обнажаются выходы коренных пород или их щебень, дающий гравитационные потоки обломочного материала на склонах. Склоны сопок имеют мягкие очертания. Абсолютные высоты мелкосопочника изменяются в зависимости от общей приподнятости данного участка, чаще всего это 600-700 м., относительные превышения колеблются от 3 до 40 м.
Речные долины широко развиты на территории района, хотя речной сток современных рек незначителен, а местами вообще отсутствует. Характерно разделение долин на древние и современные. Существует предположение о тектоническом происхождении древних долин, поскольку в ряде случаев водная эрозия даже не использовала прогибы, и они оказались заполненными материалом неаллювиального происхождения. Древние долины имеют ширину от 5 –10 до 20 – 30 км. Длина расширенных участков небольшая, а глубина вреза составляет 30 – 70 м, местами достигая 90 – 160 м. Долины иногда лишены аллювия и выполнены глинистым материалом озерного, озерно-лагунного и делювиального происхождения. Часто такие долины представляют собой внутригорные впадины, разделяющие горные массивы (например, в верховьях Шерубай-Нуры). Морфология речных долин, помимо геологического строения, тесно связана с климатическими и ландшафтными условиями. Там, где господствует густой дерновый покров степей и поэтому мало склоновых наносов, долины в районах пересечения приподнятого мелкосопочного рельефа узкие и имеют несколько аккумулятивных террас. Там же, где растительность крайне разрежена и происходит интенсивное выветривание обнаженных скал с образованием большого количества наносов, долины широкие, с низкими и широкими аллювиальными террасами и пологими делювиальными склонами, переходящими в предгорные шлейфы. При интенсивном освоении земельных ресурсов района распахивались, прежде всего, подобные территории.
В реках, стекающих с окрестных гор, 70-90% годового стока проходит в течение полутора – двух с половиной недель весной; после этого они становятся маловодными или разбиваются на цепочку плёсов. Наиболее крупной рекой является Шерубай-Нура и её приток Талды. Среди мелкосопочника и низкогорных массивов часты выходы трещинных вод в гранитных массивах.
Формирование почвенно-растительного покрова проходило под влиянием как орографических, так и гидротермических (климатических) факторов, что нашло отражение в закономерностях распределения растительности. Северная часть территории Шетского района располагается в зоне степей. Согласно существующему ботанико-географическому районированию /1/ территория района исследований расположена в Заволжско-Казахстанской провинции Восточно-Центрально-казахстанская подпровинции. Атлас Республика Казахстан том 1. Природные условия и ресурсы
Провинция занимает территорию от Нижней Волги до Алтая. На всем протяжении основными доминантами растительного покрова являются крупнодерновинные ковыли: в северных степях на чернозёмах – красный ковыль, в сухих – ковыль Лессинга, в опустыненных – тырсик (Stipasareptana), на супесях и песках – Stipacapilataи Stipapennata, а на каменистых субстратах – Helictotrichondesertorum. На сильно карбонатных почвах – Stipakorshinskyi.
Растительный покров Восточно-центрально-казахстанской низкогорно-мелкосопочная подпровинции сформировался в пределах 4 подзон: засушливых, умеренно-сухих, сухих и опустыненных степей. Рисунок зональности осложнен и изменен под влиянием низкогорных массивов. На склонах мелкосопочников и низкогорий встречаются сообщества овсецовых, киргизскоковыльных, тырсовых степей. Характерной чертой является очень широкое распространение разнообразных кустарниковых степей (спиреи, караганы). Только в этом регионе представлены степи с караганой низкорослой pumila – холоднополынно-караганово-тырсиковые. В них сосредоточено много видов, общих с Монголией. В опустыненных степях кроме полыней Art. sublessingiana и Art. gracilecensна востоке присутствует и А. compacta. Своеобразие растительности этой подпровинции состоит в развитии вертикальной поясности растительного покрова на склонах низкогорных массивов, что проявляется в распространении лесостепных ландшафтов и северных разнотравно-ковыльных степей по склонам гор в подзоне сухих степей. В низкогорьях широко представлены петрофитные варианты богатых разнотравьем овсецовых степей и своеобразных луговых петрофитноразнотравно-осоковых, а также распространение березовых и осиновых лесков.
В целом, изучение ландшафтной структуры территории показало, что формирование почвенно-растительного покрова тесно связано с орографией, климатическими особенностями и условиями увлажнения. Абсолютная высота, инсоляционная и циркуляционная ориентация склонов определяют контрасты местных климатических условий и создают различные сочетания тепла и влаги, что приводит к мозаичности почв и растительности.
До выезда на полевые работы предварительно проведен анализ территории Шетского района и выявлены определенные закономерности в распределении типов земной поверхности, которые, так или иначе, проявляются на космических снимках.
Среди естественных поверхностей большие площади занимают кустарниковые степи. Они расположены на склонах сопок и холмов, по денудационным и аккумулятивным равнинам и низкогорьям. Спектральные образы кустарниковых степей существенно различаются в зависимости от рельефа, наличия каменистых и щебнистых образований и др. Значительные различия в спектральном образе кустарниковых степей отмечаются вследствие различного соотношения кустарниковой и травянистой растительности и общего проективного покрытия (рис.1).
|
Рисунок 1 – Спектральная яркость кустарниковых степей с различным проективным покрытием (
|
|
Максимально высокие значения спектральной яркости имеют кустарниковые степи межгорных равнин. Здесь, наряду с плотными зарослями кустарников (караганы и спиреи), которые образуют местами трудно проходимые заросли, хорошо развита травянистая растительность. Проективное покрытие таких степей достигает 70-90% .
Поверхности мелкосопочных и денудационных равнин с выходами коренных пород имеют значительно меньшую биомассу и на их спектральный образ (при проективном покрытии от 20 до 40 %) оказывают влияние отражательные характеристики горных пород.
Ковыльно-злаковые степи распространены по слабо расчлененным пологим склонам межгорных равнин и низкогорий. Спектральные образы этих экосистем формируются не только растительным, но и почвенным покровом, а также зависят от наличия на поверхности почвы сухих растительных остатков войлока, щебня и др. Кроме того, полевые исследования проводились в конце июля, когда прошел период максимального накопления биомассы, поэтому спектральные подчерки различаются между собой незначительно (рис 2) .
Рисунок 2. – Спектральная яркость ковыльно-типчаковых степей с различным проективным покрытием
Исследование спектральных почерков однотипной растительности с различным проективным покрытием показало их зависимость не только от величины зеленой биомассы, но и от спектральных особенностей почвы. Данный вид работ проводился на всех тестовых участках полигонов «Шетский». Почвенный покров тестовых участков здесь представлен темно-каштановыми, каштановыми, светло-каштановыми (в сочетании с каменисто-щебнистыми отложениями и выходами коренных пород) и луговыми почвами часто солонцеватыми, различного механического состава. В зависимости от особенностей почвенного покрова при сходном растительном покрове и ОПП наблюдаются различия в КСЯ (рисунок 3,4).
Рисунок 3. Спектральные почерки злаково-полынной растительности на лугово-каштановых слабо солонцеватых почвах.
Рисунок 4. Спектральные почерки злаково-полынной растительности на светло-каштановых каменисто-щебнистых почвах.
Влияние почвенного покрова на спектральные почерки заметно на площадках с ОПП 50% и проявляется в увеличении яркости в БИК-диапазоне на участке с каменистыми (темные граниты и щебень кварца) почвами, тогда как в сине-зеленой части спектра значения КСЯ почти одинаковы.
Комплексное использование материалов космосъемки в сочетании с наземными исследованиями обеспечивает создание надежной основы для оценки ресурсов естественных пастбищ, определение площади естественных кормовых угодий, выявление процессов деградации, определение дешифровочных признаков.