Оценка динамики зарастания лесной древесной растительностью болот России по данным спутникового мониторинга

Леса и болота обладают значительным климаторегулирующим потенциалом и выполняют разнообразные экологические функции, включая поглощение и накопление атмосферного углерода. Лесные и болотные экосистемы часто тесно взаимосвязаны и образуют природные комплексы, требующие целостного изучения своей динамики, в том числе, в контексте изменений климата. В качестве одного из важных показателей динамики лесоболотных комплексов выступает изменение площади открытых болот и степени их облучённости, т.е. доли занимаемых ими земель с наличием древесной растительности. Древесная растительность, произрастающая на болотах, часто представлена низкопродуктивными лесами и редколесьями ограниченной хозяйственной ценности и изучена слабо. Сложность проведения исследований на обширных территориях в условиях повышенной труднодоступности болот придаёт особою роль методам ДЗЗ из космоса, как технической основы долгосрочных наблюдений за динамикой лесоболотных комплексов.
В ИКИ РАН разработаны автоматизированные методы динамического спутникового картографирования характеристик растительного покрова. Применение разработанных методов позволило сформировать временные ряды ежегодных карт типов наземных экосистем (Барталев С.А., Егоров В.А., Жарко В.О., Лупян Е.А., Плотников Д.Е., Хвостиков С.А., Шабанов Н.В. Спутниковое картографирование растительного покрова России. М.: ИКИ РАН, 2016. 208 c.) и характеристик горизонтальной структуры лесов России (Ховратович Т.С., Барталев С.А. Методы дистанционной оценки показателей горизонтальной структуры древесного полога по данным спутниковой системы MODIS // Фундаментальные и прикладные косм. исслед.: сб. тр. 17-й Конференции молодых учёных / под редакцией А.М. Садовского. М.: ИКИ РАН, 2020. С. 149–154) за период 2001–2024 гг. Наличие такого рода временных рядов карт создало возможности проведения исследования динамики зарастания лесной древесной растительностью болот на всей территории страны за более чем двадцатилетний период.

Временной ряд карт типов наземных экосистем содержит информацию о пространственном распределении и многолетней динамике открытых болот и лесного покрова, что даёт возможность долгосрочного анализа их изменчивости. При этом часть занимаемых болотами территорий характеризуется неустойчивостью их классификации по данным ДЗЗ и, в зависимости от меняющегося уровня болотных вод и характеристик растительного покрова, может в различные годы относится и к другим типам наземных экосистем, включая леса и редколесья, кустарники, луга и прибрежную растительность, различные типы тундры. Кроме того, межгодовая изменчивость болотных экосистем может быть связана с воздействием пожаров, приводящих к формированию участков нарушенного в различной степени растительного покрова, находящегося на различных стадиях постпирогенной сукцессии.

По результатам спутникового картографирования площадь ежегодно выявляемых на территории страны болот характеризуется средней величиной 126.5 млн га и варьирует в диапазоне от 121,5 до 129,5 млн га (рисунок 1). Динамика площади выявляемых по данным ДЗЗ болот России за весь период спутниковых наблюдений с начала века характеризуется трендом её сокращения в среднем на величину 346 тыс. га·год–1, что объясняется процессами их зарастания древесной растительностью. Наиболее выраженный тренд сокращения площади открытых болот России наблюдался в период с 2011 по 2024 г. и достигал величины около 622 тыс. га·год–1.

 Рисунок 1 — Динамика площади открытых болот, ежегодно выявляемых по данным ДЗЗ на территории России в период 2001–2024 гг.

Анализ частоты включения участка земного покрова в класс болот в каждом пикселе временного ряда карт позволяет с различным уровнем доверия относить территории к болотным экосистемам. В зависимости от количества лет с выявлением в пикселах карты земного покрова болот величина их площади на территории России варьирует от 76,1 млн га в случае абсолютно устойчивой классификации до 222,5 млн га при однократном отнесении пикселов к рассматриваемому классу (рисунок 2).

 
Рисунок 2 — Площади болот при различной частоте отнесения участков земного покрова к данному классу по ежегодным картам типов наземных экосистем за период 2001–2024 гг. (линией показана площадь болот согласно Атласу почв РФ)

Анализ распределения площади болот по значениям частоты их отнесения к данному классу по спутниковым данным ДЗЗ в сравнении с имеющейся независимой информацией позволяет установить пороговые значения для достаточно надёжного дистанционного выделения территорий, занимаемых полностью или частично открытыми болотными экосистемами. В качестве источников независимой информации о болотах на территории России в настоящем исследовании использовались материалы лесоустройства, представленные актуализированной по состоянию на период 2007–2012 гг. цифровой основой государственной инвентаризации лесов (АЦО ГИЛ), а также Атласом почв РФ по состоянию на 2006 год (soil-db.ru). По материалам Атласа почв площадь болот составляет 154.7 млн га. Сопоставление пикселов многолетних карт наземных экосистем при различной частоте их отнесения к классу болот с опорными контурами этого класса по данным АЦО позволило оценить уровень взаимной пространственной согласованности двух независимых наборов данных. В качестве критерия взаимной согласованности соответствующих контуров принималась отношение площадей их пересечения и объединения, достигшее максимального значения при пятикратном отнесении пикселов карты наземных экосистем к классу болот.

Рисунок 3 — Устойчиво выделяемые по данным ДЗЗ болота, т.е. отнесенные к классу болот по ежегодным картам наземных экосистем не менее 5 раз за период 2001–2024 гг.

Таким образом, для выделения открытых и частично открытых болот принимался пороговый критерий отнесения пиксела наземных экосистем к классу болот с не менее чем пятикратной повторностью за период наблюдений 2001–2024 гг. с учётом достижения максимального уровня согласованности результатов спутниковой оценки площади болот с имеющейся независимой информацией. Площадь территорий с наличием достаточно устойчиво выделяемых открытых и частично открытых болот составила 156 млн га (рисунок 3).

Полученные оценки облучённости территории устойчиво выделяемых по данным ДЗЗ открытых и частично открытых болот свидетельствуют о том, что их покрытая лесной растительностью (включая редколесья) площадь выросла за рассматриваемый период на 5.5 млн га. Среднемноголетняя величина прироста площади покрытых лесной растительностью болот России за период 2001–2024 гг. составила 241 тыс. га·год–1. Динамика за этот же период площади покрытых лесом болот (с относительной полнотой выше 0,35 для молодняков и 0,25 для более старших групп возраста лесов) характеризуется ее возрастанием в среднем на величину 288 тыс. га·год–1, причём в 2010–2024 гг. величина указанного тренда составила 455 тыс. га·год–1 (рисунки 4, 5).

Площадь болот России с наличием редкостойной лесной растительности, достигавшая в 2014 г. максимальной величины 14.3 млн га, в 2024 г. составила 12,4 млн га. При этом за рассматриваемый период покрытая редколесьями территория болот менялась немонотонно, демонстрируя тренд возрастания на среднюю величину 61 тыс. га·год–1 в период 2001–2014 гг. и последующее снижение на среднюю величину около 188 тыс. га·год–1 преимущественно за счёт увеличения относительной полноты древесной растительности с её последующим переходом из категории редколесий в категорию покрытой лесом площади (рисунок 4).

 Рисунок 4 — Динамика площади устойчиво выделяемых по данным ДЗЗ болот на территории России, заросших лесом и редколесьем в период 2001–2024 гг.

Использование результатов спутникового картографирования и оценки характеристик наземных экосистем впервые позволило исследовать масштабы и скорость процессов зарастания лесной древесно-кустарниковой растительностью открытых и частично открытых болот на всей территории Российской Федерации.

 Рисунок 5 — Устойчиво выделяемые по данным ДЗЗ болота, заросшие лесной древесной растительностью в период 2001–2024 гг.