Оценка многолетней динамики площади лесов России

Для оценки площади лесов на территории РФ на основе национальных критериев был использован набор спутниковых карт, разработанных в ИКИ РАН и отображающих следующие характеристики поверхности: лесистость территории, относительная полнота лесов, группа возраста лесов и доминирующий тип растительного покрова. Все упомянутые карты попиксельно согласованны между собой и имеют пространственное разрешение 230 м ввиду того, что основным источником данных, используемым для их создания, являются ежегодные композитные изображения данных MODIS и строятся в автоматическом режиме с помощью современных алгоритмов машинного обучения на основе опорной информации.

Карта лесистости территории представляет собой долю площади пикселя данных MODIS, покрытую древесно-кустарниковой растительностью. Оценка точности карты лесистости производилась с помощью опорной выборки, содержащей белее 595 млн элементов, и карты лесистости территорий по состоянию на 2020 год и RMSE лесистости составила 4,22 % в единицах лесистости. Карта относительной полноты лесов характеризует среднюю относительную полноту древостоя, находящегося в пределах рассматриваемого пиксела данных MODIS. Оценка точности определения относительной полноты лесов по спутниковым данным ДЗЗ выполняется на основе данных опорной выборки, содержащей более 117 млн элементов и построенной карты относительной полноты 2020 года. Среднеквадратичная ошибка оценки относительной полноты (RMSE) составила 0.06 в долях единицы. Карта групп возраста лесов представляет собой оценку возраста древостоя в пикселе данных по группам: молодняки, средневозрастные, приспевающие, спелые, перестойные. По результатам сравнения с материалами государственной инвентаризации лесов (ГИЛ) на уровне таксационно-дешифровочных участков (ТДУ) значение среднеквадратической ошибки оценок возраста составило 1,24 класса возраста. При этом, более чем в 80 % случаев результаты наземных обследований на ТДУ и оценки возраста по данным ДЗЗ отличаются менее, чем на 1 класс возраста. Карта наземных экосистем отображает собой доминирующий тип земного покрова в пикселе данных. Легенда карты включает 25 основных классов наземных экосистем. Обработка многолетнего архива ежедневных данных MODIS позволила оценить необходимые характеристики древесной лесной растительности и сформировать временные ряды ежегодных информационных продуктов, включая карты наземных экосистем, лесистости территории, относительной полноты и классов возраста лесов для оценки их площади за период 2001–2023 годов.
Учет площади проводился с использованием национальных критериев отнесения территории к категории занятых лесом земель. Согласно определению покрытых лесом площадей, приведенному в лесоустроительной инструкции суммарная площадь может быть разложена на две составляющие: площадь кустарников и площадь, покрытая древесной растительностью. В зависимости от возраста последняя делится на площадь, на которой произрастают молодые насаждения, и площадь, покрытую древостоями других классов возраста.

Места произрастания кустарниковой растительности оценивались путём сравнения масок древесной и кустарниковой растительности на этапе построения карты лесистости за рассматриваемый год. Ввиду невозможности разделить эти две компоненты на подпиксельном уровне, в тех местах, где оценённое значение доли площади, занимаемой кустарниками, превалировало над значением доли площади, занимаемой древесной составляющей, считалось, что пиксель относится к территории, покрытой кустарниками. При вычислении площади леса, занятой кустарниками, порог по относительной полноте не использовался.

На территории вне построенной маски кустарников для разграничения лесов и редких насаждений применялись фиксированные пороговые значения относительной полноты (P) 0,35 и 0,25 для молодняков и других классов возраста соответственно (лежат между 0,3–0,4 и 0,2–0,3 соответственно). Помимо фиксированного значения порога по относительной полноте на финальное значение порога разграничения влияла оценка случайных шумов в рассматриваемом пикселе, равная среднему межгодовому колебанию значения относительной полноты, рассчитанному по сглаженному временному ряду (N). На основе значения относительной полноты в пикселе (RS) пиксель данных относится к одному из трёх классов:

1. Лес (F), если RS – N > P;
2. Редины (S), если RS + N < P;
3. Промежуточное состояние (U), иначе.

Таким образом, оценка суммарной площади лесов в рассматриваемый год рассчитывается как сумма значений лесистости пикселей класса F и половина суммы значений лесистости элементов класса U, площадь редин – вычислялась аналогично, заменяя пиксели класса F на пиксели класса S, а погрешность суммарной оценки – ± половина суммы значений лесистости пикселей класса U. Такой подсчёт площади лесов позволяет учесть все пиксели и одновременно определить примерный уровень погрешности оценки площади. Повреждённые пожарами участки согласно карте наземных экосистем, в рассматриваемый год были исключены из общей площади лесов и редин.

В результате применения вышеописанного метода к результатам обработки спутниковых данных за период с 2001 по 2023 год были построены ежегодные маски лесов и редин за рассматриваемый период, а также произведено вычисление суммарной площади лесов и редколесий на территории нашей страны. Представленный на рисунке 1а график значений площади, занятой лесом, наглядно демонстрируют положительную устойчивую динамику за рассматриваемый период. При этом среднемноголетняя скорость роста (тренд) занятой лесом площади достигает 1.65 млн га в год. Отчасти рост лесных площадей обусловлен падением площади редколесий (рисунок 1б). Средняя скорость потери редин составляет 0.69 млн га в год. Данный факт хорошо иллюстрируется при сравнении построенных масок лесов и редин между началом и концом рассматриваемого периода, результаты которого представлены в таблице 1. 32.72 млн га площади, на которой произрастали редколесья, стали лесом в 2023 году.

Таблица 1— Прирост/убыль площади лесов и редин между 2001 и 2023 годом, млн га  

2001/2023	Лес	Редины	Нет ДКР
Лес	37,61	–5,17	–61,32
Редины	32,72	7,75	–4,63
Нет ДКР	25,66	4,12	0

 

   
а                                                                                    б
Рисунок 1 — Многолетняя динамика площади леса (а) и редколесий (б) на территории РФ

Анализируя значения, приведённые в таблице 1, можно выделить факторы, приводящие к изменению площади лесов, которые включают в себя как обезлесение по различным причинам, так и факторы, приводящие к росту площади лесов. Убыль леса на протяжении рассматриваемого периода в основном связана с полным обезлесением, только 8 % исчезнувшего леса перешло в редколесье. Рост площади лесов связан со снижением фрагментарности лесного покрова (39,2 %), с изменением полноты лесов (34,1 %) и с экспансией леса на новые территории (26,7 %). Общее изменение площади лесов за период наблюдений составило 29,5 млн га, однако скорость прироста площади в последние годы начала падать (рисунок 1а). Прежде всего, благодаря исчерпанию ресурса зарастающих лесом площадей. Согласно данным таблицы 1 примерно 86 % площадей безлесных территорий и 81 % площадей редколесий, зарастающих древесно-кустарниковой растительностью, уже стали лесом к 2023 году.

Наличие и величина восходящего тренда площади занятых лесом земель России в период 2001–2023 гг. могут быть в различной степени обусловлены влиянием следующих основных факторов:

1. Спонтанное зарастание древесной растительностью заброшенных земель сельскохозяйственного назначения.
2. Экспансия лесной древесной растительности вследствие изменений климатических и других лесорастительных условий.
3. Изменения режимов воздействия на леса пожаров, вырубок и других деструктивных факторов, сопряжённых с различной интенсивности процессами сокращения площади земель с наличием древесной растительности и её последующего восстановления.

        
а                                                                                       б
Рисунок 2 — Категории земель, выделенные для анализа лесов (а), расположение лесов и редколесий в разрезе категорий управляемых, резервных и неучтенных лесов (б)

Для анализа вклада указанных потенциальных факторов в многолетнюю интегральную динамику занятых лесом земель России были получены оценки изменений их площади для разных категорий земель, таких как территория управляемых лесов, территория резервных лесов, пояс сельскохозяйственных земель и арктический пояс. На рисунке 2а представлены границы категорий земель, выделенных для анализа на основе данных цифровой основы ГИЛ и других пространственных данных из открытых источников.

     

  

  

   
а                                                                                     б
Рисунок 3 — Динамика площади леса (а) и редин (б) для разных категорий лесов

Оценка динамики площади лесов на управляемых и резервных лесных землях. Согласно данным Рослесхоза, площадь покрытых лесной растительностью лесных земель на территории управляемых лесов составляет 629,8 млн га, на территории резервных лесов – 164,9 млн га (Государственной лесной реестр). Оценки площади лесов для управляемых и резервных лесов, полученные на основе данных ДЗЗ, варьируют от 578 до 593 млн га и от 147 до 156 млн га соответственно, что на 6–8 % и 5–11 % меньше, чем по официальным данным (рисунок 3а). При этом полученные данные свидетельствуют о том, что площадь управляемых и резервных лесов растёт на протяжении всего интервала исследования и средний ежегодный прирост составляет 0,53 млн га для управляемых и 0,41 млн га резервных лесов. Стоит заметить, что площадь резервных лесов наиболее активно изменяется до 2011 года, а после стабилизируется на значении около 155 млн га. Данный факт вызван зарастанием гарей, произошедших до 2001 года, остаточные следы которых хорошо видны на спутниковых изображениях.

Динамика площади лесов определяется их ежегодным приростом и убылью площади. В таблице 2 приведены значения прироста/убыли площади лесов для разных факторов, упомянутых выше. Для управляемых лесов наиболее сильный вклад в изменение площади вносят потери леса из-за пожаров, рубок и других нарушений (7.63 %). Хотя процесс лесовосстановления в рассматриваемый период частично компенсирует данные потери, общий прирост площади лесов на территории управляемых лесных земель за 22 года наблюдения достаточно скромный – 6,46 млн га, что составляет около 1,11 % от площади управляемых лесов в 2001 году. Для резервных лесов общий прирост равен 8,34 млн га при общей занимаемой площади приблизительно в четыре раза меньше площади управляемых лесов. Основными факторами, влияющими на увеличение площади резервных лесов, стали экспансия на новые территории (9,73 %), где ранее не произрастала древесно-кустарниковая растительность, что скорее всего связано с зарастанием повреждённых пожарами земель, а также со снижением фрагментарности лесного покрова (6,47 %).

Таблица 2— Прирост/убыль площади лесов за период 2001-2023 годов
для разных категорий земель, млн га ( % относительно площади на 2001 год)

Факторы изменения площади лесов	Управляемые леса	Резервные леса	Пояс сельско-хозяйственных земель	Арктический пояс
Изменение фрагментарности территории внутри уже покрытых лесом пикселей спутниковых данных	20,70(3,57 %)	9,44(6,47 %)	6,92(23,92 %)	0,55(12,94 %)
Экспансия на новые территории	17,47(3,01 %)	14,2(9,73 %)	0,54(1,87 %)	0,51(12 %)
Изменение относительной полноты	12,52(2,16 %)	4,2(2,88 %)	8,24(28,48 %)	0,71(16,71 %)
Потеря лесов (гари, вырубки и др.)	–44,23(7,63 %)	–19,5(13,36 %)	–2,36(8,16 %)	–0,40(9,41 %)
Общий прирост площади	6,46(1,11 %)	8,34(5,72 %)	13,33(46,08 %)	1,36(32 %)

 

Площадь редколесий на территории управляемых лесов уменьшается на протяжении рассматриваемого периода (см. рисунок 2б). С 2003 по 2011 год наблюдается небольшой рост площади, занимаемой рединами, однако после 2011 года данные демонстрируют достаточно большое падение с 34 млн га до почти 28 млн га. Похожая ситуация происходит на землях резервных лесов, однако площадь редколесий падает на всем временной интервале и падение составляет около 6 млн га, с 22 до 14 млн га.

Оценка динамики площади неучтённых лесов (не входящие в ГЛР территории). На рисунке 2б демонстрируется пространственное расположение выявленных по данным ДЗЗ и неучтённых в государственной статистике лесов и редколесий в разрезе вышеупомянутых категорий земель. Согласно указанному ранее делению на четыре зоны неучтённые леса произрастают в поясе сельскохозяйственных земель и в арктическом поясе. В 2001 году общая площадь неучтённых лесов составляла 33,67 млн га, к 2023 году она увеличилась до 48.87 млн га (см. рисунок 3а).Наибольший средний ежегодный прирост площади лесов наблюдается в сельскохозяйственном поясе и составляет 0,63 млн га в год. За 23 года наблюдений площадь лесов в сельскохозяйственном поясе увеличилась с 28,93 до 42,26 млн га, что в относительных величинах составляет увеличение на 46 % от площади лесов на 2001 год. Основной прирост площади лесов в зоне ведения сельского хозяйства вызван, прежде всего, изменением относительной полноты (28,48 %), то есть зарастанием территорий, заброшенных ранее, на которых уже наблюдалось наличие древесно-кустарниковой растительности, и изменение фрагментарности территории внутри уже покрытых лесом пикселей спутниковых данных (23,92 %), что соответствует локальному разрастанию лесов вдоль границы лесных и нелесных территорий. Низкое значение прироста площади для фактора, связанного с экспансией на новые территории, означает отсутствие новых забрасываемых площадей для зарастания.

В арктическом поясе тоже наблюдается рост площади лесов с 4,25 до 6,5 млн га со средним ежегодным приростом 0.08 млн га в год. Площадь редин в арктическом поясе тоже увеличивается со средним ежегодным приростом 0,02 млн га в год и в 2023 году достигла 2,2 млн га, что по отношению к площади 2001 года означает прибавку 30 % к первоначальной площади. Главным фактором, определяющий прирост площади леса в арктической зоне является изменение полноты уже имеющихся редколесий (16,71 %), то есть переход из редин в леса. Также примерно одинаковую роль влияет факторы экспансии на новые территории (12 %) и изменение фрагментарности территории внутри уже покрытых лесом пикселей спутниковых данных (12,94 %), связанные прежде всего со сдвигом границы леса в более северные широты. Совокупное влияние упомянутых факторов определяется прежде всего изменением локальных климатических условий, которые становятся более пригодными для произрастания древесных пород.