Оценка динамики зарастания древесной растительностью тундры и лесотундры России по данным спутникового мониторинга

В условиях современного глобального потепления климата одной из важных проблем исследований является изучение влияния факторов изменения климата на реакцию растительных сообществ, трансформации в структуре и видовом составе растительного покрова. Наиболее выраженная пространственно-временная динамика растительных экосистем, связанная с глобальным потеплением, наблюдается на территориях с экстремальными климатическими и почвенными условиями: в заболоченных, засушливых, высокоширотных и высокогорных районах. Последствия изменения климата наиболее очевидно проявляются в виде смещения границ биомов.
Наблюдаемый на территории России общий рост площади лесов (Ховратович Т.С., Стыценко Е.А., Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Сайгин И.А., Хвостиков С.А. Оценка динамики площади лесов России по данным спутниковых наблюдений // Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М.: ИКИ РАН, 2024. С. 218) вызван разными факторами, такими как зарастание неиспользуемых сельскохозяйственных земель, формирование лесов на болотах, зарастание лесной растительностью тундр. В связи с проблемой климатических изменений большое внимание уделяется вопросам смещения границы лесов на север в тундру, а в горах — вверх в альпийский пояс. Граница распространения леса реагирует на климатические изменения, и наблюдаемое современное повышение температуры воздуха способствует приживаемости семян деревьев, приводит к росту и распространению древесной растительности. Несмотря на наличие ряда факторов, сдерживающих развитие древесной растительности на северных территориях: низкая доступность питательных веществ в почве, неоптимальный гидрологический режим почв, высокая скорость ветра, короткий вегетационный период и др. — глобальное повышение температур в последние десятилетия приводит к увеличению сомкнутости древесно-кустарниковой растительности экотона «тайга-тундра» и миграции деревьев в тундру. Огромные площади зоны лесотундры, её удалённость, труднодоступность определяют ведущую роль использования методов дистанционного зондировании в изучении динамики растительного покрова экотона «тайга – тундра».

В отчётный период осуществлён анализ динамики древесно-кустарниковой растительности в лесотундре, проведена оценка изменения территории произрастания деревьев и кустарников на северной границе их произрастания в гипоарктическом поясе и на верхней границе в горных районах, произошедших за период 2001–2024 гг. на территории России.

Граница между тайгой и тундрой не имеет чёткой выраженности, особенно в равнинных районах. Эта граница представляет собой не линию, проходящую ориентировочно с запада на восток, а переходную зону — лесотундру, в которой наблюдается чередование участков земного покрова, где преобладает лесная растительность, с участками, где преобладает характерная для тундр растительность с отсутствием древостоев. Фактические переходы между различными природными ландшафтами имеют сложную структуру, ширина природных зон и широта границ зон различается на разных долготах. Зачастую при движении с севера на юг наблюдается «мозаичная картина», когда происходит чередование участков безлесных тундр, редколесий и лесов.

Для проведения анализа динамики древесно-кустарниковой растительности в лесотундре использованы разработанные в ИКИ РАН временные ряды спутниковых карт характеристик растительного покрова, полученные на основе обработки многолетних однородных рядов данных ДЗЗ, получаемых спутниковой системой MODIS с пространственным разрешением 230 м.

Временной ряд 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.) содержит информацию о пространственном распределении и межгодовой динамике 23 классов земного покрова, в том числе 10 классов лесной растительности и 3 классов тундровой растительности: травянистой, кустарничковой, кустарниковой. В разные годы площадь тундровой растительности по результатам спутникового картографирования варьирует в диапазоне 221–227 млн га с тенденцией роста. Межгодовая динамика площади тундровой растительности может быть обусловлена как реальным увеличением площади за счёт осушения и зарастания тундровых болот, так и наличием межгодовой вариабельности отнесения части пикселов к тому или иному классу растительного покрова по результатам машинного обучения спутниковых данных (болота, редкая лиственница, кустарниковая растительность).

На данном этапе исследования с целью установления максимально возможного ареала распространения тундровой растительности в зону тундры/лесотундры включены все пикселы, которые хотя бы однократно за многолетний период наблюдения отнесены во временном ряду карт типов наземных экосистем к классам тундровой растительности. Площадь такой территории составляет 282,6 млн га.

Для выявления участков земной поверхности, занятых лесом и редколесьем, использовались временные ряды спутниковых карт горизонтальной структуры лесов: карты относительной полноты древесной растительности и карты доли покрытых древесно-кустарниковой растительностью земель (Ховратович Т.С., Барталев С.А. Методы дистанционной оценки показателей горизонтальной структуры древесного полога по данным спутниковой системы MODIS // Фундаментальные и прикладные космические исследования: сб. тр. 17 Конференции молодых учёных / под редакцией А.М. Садовского. М.: ИКИ РАН, 2020. С. 149–154), позволяющие оценить характеристики ДКР в том числе там, где лес не является преобладающим типом растительности согласно карте типов наземных экосистем.

Ежегодная оценка площади лесов и редколесий в лесотундре проведена согласно критериям российского законодательства (Приказ Министерства природных ресурсов от 05.08.2022 N510 «Об утверждении Лесоустроительной инструкции»), когда к лесу относятся земли, занятые кустарниками без учёта их полноты и земли, занятые древесной растительностью с полнотой выше 0,35 для молодняков и выше 0,25 для насаждений более старших групп возраста. К редколесьям относятся земли, занятые древесными насаждениями с полнотой ниже 0,35 для молодняков и ниже 0,25 для насаждений более старших групп возраста. Анализ динамики площади земель, занятых ДКР, проведён с исключением погибших от воздействия огня насаждений. Таким образом, для оценки динамики площади лесов и редколесий помимо временного ряда спутниковых продуктов горизонтальной структуры лесов использованы многолетние карты преобладающих древесных пород (Жарко В.О., Барталев С.А., Богодухов М.А., Егоров В.А., Хвостиков С.А. Развитие методов спутникового картографирования преобладающих древесных пород в лесах всей территории России по данным MODIS // Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». М., ИКИ РАН. 2023. С. 367.), групп возраста лесных насаждений (Хвостиков С.А., Барталев С.А. Оценка бонитета и возраста лесных насаждений с помощью данных ДЗЗ и методов машинного обучения // Материалы 21-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, М.: ИКИ РАН, 2023. С. 411. EDN: FWLDSL) и степени повреждения лесов пожарами (Барталев С.А., Стыценко Ф.В., Егоров В.А., Лупян Е.А. Спутниковая оценка гибели лесов России от пожаров // Лесоведение. 2015. № 2. С. 83–94), полученные с использованием методов обработки спутниковой информации.

Анализ динамики временного ряда спутниковых карт характеристик растительного покрова позволяет выявить территории увеличения полноты лесов и редколесий в зоне лесотундры и участки продвижения древесно-кустарниковой растительности в зону тундры.

Совместный анализ временных рядов спутниковых продуктов, полученных за период 2001–2024 гг., показал, что на территории зоны тундры/лесотундры площадью 282,6 млн га площадь лесов увеличилась на 8,9 млн га c 10,3 до 19,2 млн га, площадь редколесий увеличилась на 4,1 млн га с 16,6 до 20,7 млн га (рисунок 1). При этом площадь лесов, сформировавшихся на месте безлесных земель составила 7,0 млн га, площадь лесов, сформировавшихся на месте редколесий — 3,7 млн га, площадь редколесий, появившихся на месте безлесных территорий — 9,8 млн га (таблица  1). Потери лесов и редколесий составили 3,8 млн га.

Скорость роста леса на ранее безлесных территориях зоны тундры/лесотундры составила в 2001–2024 гг. около 390 тыс. га в год, скорость роста редколесий — 178 тыс. га в год.

 
Рисунок 1 — Динамика площади лесов и редколесий в зоне тундры/лесотундры, 2001–2024 гг.

Таблица 1 — Площади изменения типов древесного растительного покрова в зоне тундры/лесотундры, 2001–2024 гг., млн га

		2024 г.
		Отсутствие ДКР	Редколесье	Лес	Сумма
2001 г.	Отсутствие ДКР	238,9	9,8	7,0	255,7
	Редколесье	2,8	10,1	3,7	16,6
	Лес	1,0	0,8	8,6	10,3
	Сумма	242,7	20,7	19,3	282,6

    

Для раздельной оценки динамики древесно-кустарниковой растительности в гипоарктическом поясе и в горных районах использована карта биомов России (Огуреева Г.Н. и др. Биомы России — карта. 1:7 500 000 / Географический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова; Русское географическое об-во; Всемирный фонд дикой природы (WWF). Москва, 2018). Изменение границ произрастания лесов и редколесий в лесотундре в равнинных биомах связано в первую очередь с продвижением леса на север и увеличением сомкнутости древесных насаждений в циркупмолярном регионе. Динамика древесно-кустарниковой растительности в лесотундре в горных биомах обусловлена в первую очередь миграцией деревьев вверх по склонам и увеличением густоты древостоя на склонах.

Площадь зоны горной тундры/лесотундры составила 161,0 млн га. За период 2001–2024 гг. площадь леса в зоне горной тундры/лесотундры увеличилась на 7,7 млн га с 9,4 млн га до 17,1 млн га, площадь редколесий возросла на 2,5 млн га с 13,1 млн га до 15,6 млн га. Площадь зоны равнинной тундры/лесотундры составила 121,6 млн га. За период 2001–2024 гг. площадь леса в зоне равнинной тундры/лесотундры увеличилась на 1,3 млн га с 0,9 млн га до 2,2 млн га, площадь редколесий возросла на 1,6 млн га с 3,4 млн га до 5,0 млн га. На рисунке 2 приведена гистограмма распределения увеличения площади лесов и редколесий в зоне тундры/лесотундры по равнинным и горным биомам за период 2001–2024 гг.

Рисунок 2 — Гистограмма распределения увеличения площади лесов и редколесий в зоне тундры/лесотундры по равнинным и горным биомам, 2001–2024 гг.

На основе анализа временного ряда спутниковых продуктов сформирована карта зон тундры и лесотундры по состоянию на первую четверть XXI в. (рисунок 3). В зону тундры включены пикселы, которые соответствуют территориям, на которых в 2001–2024 гг. согласно спутниковым данным никогда не произрастала ДКР. К лесотундре относятся пикселы, соответствующие территориям, на которых в период наблюдений были детектированы леса либо редколесья. Площадь зоны тундры составляет 183 млн га, в том числе 81 млн га — в горных биомах, 102 млн га — в равнинных, лесотундры — 99 млн га, в том числе 80 млн га — в горных биомах, 19 млн га — в равнинных.

Рисунок 3 — Карта зон равнинной и горной тундры и лесотундры,первая четверть XXI в.

На рисунке 4 представлена карта изменения типов древесного растительного покрова в экотоне «тайга-тундра» за период 2001–2024 гг.

 Рисунок 4 — Изменение типов древесного растительного покрова 
в зоне тундры/лесотундры за период 2001–2024 гг.