Исследование изменений границ произрастания древесно-кустарниковой растительности (ДКР) на территории РФ на основе временного ряда спутниковых данных MODIS за период 2001-2022 годов

Растительный покров на территории страны непрерывно меняется под воздействием природных и антропогенных факторов. Например, известно, что вследствие забрасывания сельскохозяйственных земель с конца девяностых годов прошлого века, покрытая лесами площадь в районах центральной России увеличилась по разным оценкам примерно на 30-40 млн га. Кроме того, в связи c изменением климатических показателей, таких как повышение температуры и влажности, ряд статей подтверждает локальное распространение древесно-кустарниковой растительности в северных широтах. Недостаток и неполнота имеющихся данных, а также противоречивость некоторых экспертных оценок диктуют необходимость решения задачи оценки динамики границ распространения ДКР в пределах страны.

Оценка динамики площади и новых границ распространения ДКР проведена с помощью созданного ранее временного ряда карт лесистости территории за период с 2001 по 2022 г. (рисунок 1). Временной ряд построен на основе обработки ежедневных данных MODIS (пространственное разрешение 230 м), полученных в разные сезоны, с помощью алгоритма непараметрической регрессии «Случайный лес». В качестве опорных данных использовалась глобальная карта основных типов покрова WorldCover 2020 Европейского космического агентства (пространственное разрешение 10 м).

 Рисунок 1 — Пример построенной по данным MODIS карты лесистости

Валидация полученных карт лесистости территории с помощью повыдельной таксационной информации АЦО ГИЛ и данных ГЛР при сравнении как на уровне пикселей, так и на уровне лесничеств подтверждает достаточно высокую точность получаемых подпиксельных оценок площади ДКР (в пределах 10 % для MAE и 15 % для RMSE).

С помощью временного ряда карт в каждой рассматриваемой точке земной поверхности были рассчитаны линейные тренды, по которым оценена средняя скорость зарастания/обезлесивания территории, а также величина случайных колебаний оценок лесистости относительно ее прогнозируемых значений. В случае, когда изменение лесистости в крайние года рассматриваемого временного интервала укладывалось в пределы удвоенной величины случайных колебаний, изменение считалось неподтверждённым и удалялось из итоговой карты средних ежегодных приростов. В результате была построенная карта изменений границ произрастания ДКР (рисунок 2).

Рисунок 2 — Карта изменения границ произрастания ДКР между 2001 и 2022 годом на основе оценки средних приростов ДКР в пикселе

На основании полученных данных были выделены две зоны наиболее активной экспансии ДКР: зона смешанных и широколиственных лесов Европейской части РФ и лесотундровая зона Восточной Сибири. Первая с высокой вероятностью связана с прекращением земледелия на сельскохозяйственных землях, вторая — с наиболее значительными климатическими изменениями на территории РФ (ростом среднегодовой температуры). С помощью построенной карты изменений ДКР вне границ лесного фонда, были получены оценки зарастания ДКР для территории, ка которых не ведется учет лесов (рисунок 3).

        
    а                                                                            б
Рисунок 3 — Динамика площади, покрытой ДКР вне границ учета лесных земель:
а — тундровая зона; б — зона земель с.-х. назначения

За рассматриваемый период площадь, покрытая ДКР, в зоне земель с/х назначения, где не ведется учет лесов, выросла на 11,3 млн га до 34,8 млн га. Средний прирост площади в год составил 650 тыс. га в год. В зоне тундры площадь ДКР выросла на 2,4 млн га и составила 6.72 млн га с средним приростом 120 тыс. га в год. В обеих зонах за рассматриваемый период наблюдался стабильный прирост покрытой ДКР площади, при этом зоне земель с.-х. назначения зарастание ДКР происходит примерно в пять раз быстрее.

Анализ построенной карты изменений ДКР между 2001 и 2022 г. позволяет оценить произошло ли изменение на территориях, на которых была уже ДКР ранее или имеет место экспансия ДКР на новые территории. Таким образом, все произошедшие изменения были разделены на экстенсивные и интенсивные и получены оценки площади типов этих изменений для двух рассматриваемых выше зон неучтенных лесов. Из таблицы 1 следует, что для зарастания на Европейской части РФ более характерен интенсивный рост площади ДКР, связанных с продолжением зарастания территории с наличием ДКР. Данный факт объясняется тем, что процесс забрасывания сельскохозяйственных угодий начался существенно ранее момента начала наблюдения, а именно в конце 80–90-х гг. XX в. В лесотундровой зоне рост площади ДКР вызван как интенсивным ростом площади внутри рассматриваемого участка пикселя данных, так и экспансией ДКР на новые территории.

Таблица 1 — Динамика покрытой ДКР площади в период 2001–2022 гг.

Изменение площади ДКР	Сельскохозяйственные земли	Тундровая зона
Экстенсивное	+4,3 млн га	+1,5 млн га
	38 %	57,7 %
Интенсивное	+7 млн га	+1,1 млн га
	62 %	42,3 %