Уточнение занимаемых пустынями и степями территорий при спутниковом картографировании наземных экосистем России

Степные (включая полупустыню) и пустынные экосистемы играют важнейшую роль в сохранении биоразнообразия и регулировании климата. По некоторым оценкам чистая первичная продукция степей в России достигает 290 млн т углерода в год, а сток углерода в степных и пустынных экосистемах составляет 111 млн т углерода в год. Большая часть степей в России была распахана, значительная часть пашни в менее благоприятных для земледелия условиях была заброшена и находится на разных стадиях залежных сукцессий. Инвентаризация степных массивов России и систематический мониторинг их состояния указываются в числе приоритетных задач для сохранения степей страны. Карты наземных экосистем, в том числе степных и пустынных, позволяют проводить количественную оценку сезонной и многолетней динамики их состояния, анализировать изменения в землепользовании и решать задачи по их сохранению. Большинство существующих глобальных карт типов земного покрова, полученных на основе данных дистанционного зондирования Земли, не разделяет зональную степную, пустынную растительность и интразональные луга, ограничиваясь одной категорией травяных экосистем. Диапазон оценок площадей степных и пустынных экосистем в России достаточно широк и составляет примерно 20–80 млн га, поэтому крайне актуальным является совершенствование карт растительного покрова в части отображения зональной растительности аридной зоны страны.

В отчётный период проведено исследование, цель которого заключается в разработке карт степной и пустынной растительности России на основе применяемых в ИКИ РАН методов обработки спутниковых данных и коррекции обучающей выборки для их классификации.

Разработка карт степной и пустынной растительности основывается на использовании разновременных данных MODIS с пространственным разрешением 230 м с устранённым влиянием облачности, зимних композитных изображений и метода локально-адаптивной классификации земного покрова LAGMA. Этот подход используется для построения ежегодных карт растительного покрова России, разрабатываемых ИКИ РАН. Опорная выборка для классификации растительного покрова при этом включала примерно 15 млн га степных и пустынных экосистем, практически не охватывая зону лесостепи и северную подзону степной зоны, где зональными вариантами являются луговые и типичные степи соответственно. Для коррекции выборки использовалась карта сохранившихся степных массивов Степного проекта, полученная на основе экспертного дешифрирования спутниковых изображений высокого, сверхвысокого пространственного разрешения и полевой верификации в 2011–2015 гг. Выделенные в рамках Степного проекта контуры степных массивов включают не только зональные экосистемы, но и древесно-кустарниковую растительность (ДКР), солончаки, луга, пашни. Пикселам выборки, которые относились к луговой растительности на картах ИКИ РАН и попали в границы степных массивов карты Степного проекта, был присвоен класс степей. Также из опорных данных были исключены степи и луга, которые за период 2001–2023 гг. подвергались распашке хотя бы раз.

Разделение степной растительности на пустынную и собственно степную на данном этапе нецелесообразно из-за значительного сходства растительности подзон опустыненных степей (полупустыни) и северных пустынь, вызванного пастбищными нагрузками и восстановительными сукцессиями на залежах, наличием засоленных и щебнистых почв. По этим причинам растительность опустыненных степей зачастую трудно отличимая от пустынной, так как в этих условиях происходит замещение дерновинно-злаковой растительности полукустарничками, однолетниками и эфемероидами, а в интразональных галофитных и петрофитных вариантах степей могут доминировать полукустарнички и другая характерная для северных пустынь растительность. На карте сохранившихся степных массивов Степного проекта подзоны опустыненных степей и северных пустынь также объединены в одну категорию.

В качестве контрольных данных также выступили статистические данные Росреестра о землепользовании на 2006 г. на уровне муниципальных районов, представленные в почвенно-географической базе данных России (Атлас почв РФ). Каждому району был присвоен биом, для граничных районов выбирался биом с наибольшей площадью. Предполагается, что пастбищные земли в степной и пустынной зонах представлены соответствующими типами зональной растительности.

В результате применения обновлённой обучающей выборки для картографирования растительного покрова получена серия карт за период 2001–2023 гг. (рисунок 1), которые отражают в среднем около 70 % степной и пустынной растительности контрольной выборки против 55 % в предыдущей версии. В степных и пустынных биомах совпадение с контрольной выборкой составило 78 %. Наиболее точно степная и пустынная растительность детектируется в пустынных биомах, где доля площади природных пастбищ максимальна. Неморальные лесостепные биомы, наоборот, характеризуются наибольшей фрагментарностью и небольшими размерами участков со степной растительностью, из-за чего большая их часть перепутывается с лугами и пахотными землями. Анализ количества и среднего размера контуров степной растительности это подтверждает: в неморальных биомах средняя площадь участка степей не превышает 40 га. Значительная часть горных степей была отнесена к открытым грунтам и выходам горных пород, что связано с низкими сомкнутостью и фитомассой растительности горных склонов.

 Рисунок 1 — Карта распространения степной и пустынной растительности в 2023 г.

В среднем ежегодно в России детектируется около 41,7 млн га степной и пустынной растительности в границах февраля 2022 г., из которых 30 млн га расположены в зонах степей и пустынь. По предыдущей версии карт типов земного покрова площадь степей составляла 3132 млн га. На 2023 г. в стране зафиксировано 110 тыс. степных массивов площадью в три и более пикселов MODIS (15,9 га и более), средняя площадь которых составила 371 га. Всего выделено более 260 тыс. контуров степной и пустынной растительности средней площадью 153,9 га. Согласно Атласу почв РФ (2011) в районах со степной и пустынной растительностью расположено 54,3 млн га пастбищ (рисунок 2). Полученная разница в оценках может быть обусловлена как наличием луговой растительности в категории пастбищ, так и перепутыванием луговых степей и остепнённых лугов по данным дистанционного зондирования.

Полученные площади степной и пустынной растительности достаточно точно согласуются со статистическими данными на уровне муниципальных районов в степных и пустынных равнинных биомах. При этом в пустынной зоне этот тип растительности достаточно точно выделялся и на предыдущей версии карты типов земного покрова: значение коэффициента детерминации R2 = 0,97, среднеквадратическая ошибка (СКО) — 45,5 тыс. га (16 % от средней площади степной и пустынной растительности в районе). Наиболее существенное увеличение точности карты степной растительности достигнуто в степных равнинных биомах, где идентифицировано 90 % площади пастбищ, значение R2 увеличилось с 0,77 до 0,9, а СКО снизилась с 44,3 до 29,4 тыс. га (86 % и 57 % соответственно). Отмечается некоторое превышение площади степей по результатам картографирования по сравнению с площадью пастбищ, это может быть связано с их отнесением к другим категориям, например, землям запаса, обороны и безопасности, а также учётом по статистике залежей как используемой пашни. В неморальных равнинных биомах площадь выявленных степей остаётся существенно меньше площади пастбищ согласно Атласу почв РФ. Причиной неопределённости может быть как перепутывание луговых степей и лугов по данным дистанционного зондирования, так и отнесение к пастбищам луговой растительности, а мезофитных вариантов степей к сенокосам по статистической информации. В целом по равнинным биомам удалось детектировать 81 % площади пастбищ.

Рисунок 2 — Сопоставление площадей степей и пустынь по данным предыдущей (а, в) и новой версий карт ИКИ РАН (б, д) с площадями пастбищ в муниципальных районах пустынных (а, б) и степных биомов (в, г) согласно почвенно-географической базе данных РФ (Атлас почв РФ)

В результате исследования разработана новая серия карт степной и пустынной растительности в России, точность которых в степных и пустынных биомах составляет 78 % в сравнении с выделенными экспертами контурами сохранившихся степей и 95% при сопоставлении с данными о площадях пастбищ в муниципальных районах. В среднем ежегодно в России детектируется около 41,7 млн га степных и пустынных экосистем в границах февраля 2022 г., из которых 30 млн га расположены в зонах степей и пустынь. Всего выделено более 260 тыс. контуров степной и пустынной растительности средней площадью 153,9 га, в том числе 110 тыс. контуров более трёх пикселов MODIS средней площадью 371 га. Появление актуализированной карты степной и пустынной растительности открывает перспективы для развития исследований состояния этих экосистем и анализа закономерностей их динамики. Полученные данные позволяют не только уточнить площади степей и пустынь в стране, но и изучать многолетние и внутригодовые закономерности динамики их состояния как на основе полевых исследований, так и различных вегетационных индексов и других данных дистанционного зондирования.

В неморальных зонобиомах и оробиомах точность полученных карт несколько ниже по сравнению со степными и пустынными зонобиомами. Отчасти это может быть связано с отнесением луговых степей к классу лугов, а также особенностями проверочных данных. К площадям пастбищ по данным землеустройства могут относиться не только участки степной и пустынной растительности, но и луга, особенно за пределами степной и пустынной зон. В то же время часть мезофитных вариантов степей может быть отнесена к сенокосам. Массивы степей, выделенные экспертами по спутниковым изображениям сверхвысокого разрешения, фактически включают не только степи, но и другие типы земного покрова. Поэтому отсутствие достоверных опорных данных на данный момент затрудняет повышение точности выделения степей в оробиомах и неморальных зонобиомах. Особенно это касается неморальных биомов, где степные участки наиболее фрагментированы и имеют среднюю площадь не более 40 га, а их ширина зачастую менее размеров пиксела MODIS. Увеличение пространственного разрешения используемых спутниковых данных в перспективе позволит более точно картографировать подобные мелкоконтурные степные массивы. Значительная часть луговых степей и остепнённых лугов перепутывается между собой, решением проблемы может стать выделение отдельного соответствующего класса, либо создание карты степей и лугов на основе синтеза разновременных карт типов земного покрова. Также для дальнейшего совершенствования карт степной растительности в оробиомах и неморальных зонобиомах требуется продолжение работы по сбору опорных данных, в том числе их наземной верификации.