Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Космический мониторинг аэротехногенной деградации северотаежных сосновых лесов

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Космический мониторинг аэротехногенной деградации северотаежных сосновых лесов"

1 и

На правах рукописи

1 5 ДЕК 1

литинский

Петр Юрьевич

КОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ АЭРОТЕХНОГЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ СЕВЕРОТАЕЖНЫХ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ

06.03.03 - Лесоведение и лесоводство; лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

ПЕТРОЗАВОДСК 1996

Работа выполнена в Институте леса Карельского Научного Центра РАН

Научный руководитель: Чертов О.Г., д.б.н.

Официальные оппоненты:

Алексеев В.А., академик РАЕН, д.б.н. Вавилов C.B., к.с-х.н.

Ведущее учреждение - Северо-западное Государственное Лесоустроительное предприятие

Зашита состоится -гР ИМ _199^ч)да в /^час. на заседании диссертационного совета K028.05.0l Санкт-Петербургского Научно-исследовательского Института лесного хозяйства (194021, СПб, Институтский пр., 21, зал ученого совета)

G

Автореферат разослан "/¿" PW^IIA 199 года.

Ученый секретарь специализированного совета д.с-х.н. Константинов В.К.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В связи с прогрессирующей в последние десятилетия техногенной деградацией лесов важной задачей стала оценка состояния лесных экосистем. Оперативная информация позволяет принимать необходимые административные решения и способствует сохранению природной среды. Проблема контроля за состоянием лесов затрагивает и Карелию. Так, в 1982 г. в ее северо-западной части начал функционировать Костомукшскии горно-обогатительный комбинат (ГОК), выбрасывающий в атмосферу значительные количества сильных фитотокснкан-тов - диоксида серы и пыли, содержащей тяжелые металлы.

Для контроля за состоянием биосферы эффективны средства дистанционного зондирования, применение которых требует корректировки методов для конкретных природных условий. Это свидетельствует об актуальности разработки систем локального дистанционного мониторинга состояния лесов.

Цель и задачи исследований. Цель: исследовать изменения в спектре отражения полога северотаежных сосновых лесов под воздействием сернистых аэровыбросов и с помощью данных дистанционного зондирования получить целостную пространственною картину начальных стадий деградации лесных экосистем.

Основные задачи:

- выявить динамику фнтоценотическнх показателей на ключевых участках;

- определить спектральные характеристики основных категорий земной поверхности и типов растительных ассоциаций в изучаемом регионе;

- выявить факторы, определяющие изменения спектра отражения лесного полога под влиянием поллютантов и исследовать зависимости между наземными и дистанционными данными;

- найти оптимальный алгоритм компьютерного дешифрирования сканернон информации для определения зоны повреждения;

- провести анализ пространственно-временной динамики техногенной деградации лесных экосистем за исследуемый период.

Научная новизна работы. Впервые в северотаежной подзоне Карелии исследованы изменения в спектре отражения полога девственных сосновых лесов под влиянием хронического загрязнения

диоксидом серы. Получены данные о пространственно-временной динамике начальных стадий деградации лесов.

Практическая значимость работы. На основании результатов исследований разработана система локального дистанционного мониторинга состояния лесных экосистем, реализованная на практике в районе Кос-томукши. Результаты исследований могут быть использованы для определения критических нагрузок поллютантов на лесные экосистемы, для моделирования взаимодействия лесной экосистемы с аэротехногенными выбросами, а также для совершенствования принципов и методов сбора и обработки информации для оценки состояния биосферы и создания экологических баз данных.

Исследования, положенные в основу диссертации, выполнены автором в ходе работ, проводимых в. Институте леса Карельского НЦ РАН в 1990 1994 гг. Лично автором составлены программные вопросы, выбран и уточнен методический подход к их решению. Автором выполнены часть полевых наблюдений и вся работа по научному анализу результатов наблюдений и дешифрированию данных дистанционного зондирования, включая разработку программного обеспечения.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечена проведением натурных наблюдений длительностью 6 лет и согласованностью разноплановых данных - физиологических, дендрометрических, спектрометрических.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на российско-финском семинаре в Каяни (Финляндия) "Воздействие выбросов Костомукшского ГОКа на окружающую среду" в июне 1992 г., на международной конференции "Лес, окружающая среда и новые технологии в Северной Европе" в Петрозаводске в сентябре 1993 г. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы 119 наименований, из них 66 иностранных. Объем -146 страниц, в том числе 16 рисунков и 11 таблиц..

Автор благодарен за общее руководство профессору О.Г.Чертову. Осот бая благодарность сотрудникам Института леса КНЦ РАН кандидатам наук И.П.Лазаревой и А.А.Кучко - организаторам лесного мониторинга в районе Костомукши - за помощь в полевых исследованиях, ценные консультации и благожелательную критику.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Исследования воздействия аэрополлютантов на растения показали, что повреждения в первую очередь проявляются в ассимилирующем аппарате на биохимическом уровне, затем распространяются на структу рный. Изменяются концентрации микро- и макроэлементов, ферментов, пигментов. Одним из наиболее ранних внешних симптомов повреждения является повышенная дефолиация (Деева и др., 1992; Лазарева и др., 1992).

Особенностью листа как сложной оптической системы является сильное отражение ближнего инфракрасного (NIR) излучения губчатой паренхимой и поглощение красного (R) излучения молекулами хлорофилла, причем отмечена значительная вариация коэффициентов отражения в этих областях спектра в зависимости от состояния растения (Norman, Fritz, 1965; Meyer, French, 1967; Knipling, 1969; Виноградов, 1984; Koch, 1987, Koch et al, 1990). Вследствие этого для дистанционного зондирования состояния растительности пригодны многоспектралыгые космические сканеры. При работе с цифровой сканерной информацией применяют т.н. спектральные индексы - соотношения уровней сигналов в различных каналах (Horler, Ahem, 1986; Birth, McVey, 1968; Nelson, 1983; Sader, 1988). Наиболее информативен спектральный вегетационный индекс NIR/R.

Дефолиация, изреживание кроны приводят к I) увеличению неровности поверхности насаждения и 2) уменьшению фотосинтезирующей биомассы. Как показывают исследования, проведенные в различных лесных сообществах, первое в большинстве случаев приводит к снижению отражения во всех спектральных диапазонах, а второе - к снижению отражения в диапазоне NIR (Colvvell, 1970; Boehnel, 1976; Ajai et al, 1983; Vogelmann, Rock, 1986; Brockhaus et al, 1989; Hervitz et al, 1990; Smith et al, 1991; Nakane, Kimura, 1992). Падение концентрации хлорофиллов, происходящее при техногенной деградации, увеличивает отражение в красной области спектра (Нате, 1991). Таким образом, при повреждении лесов следует ожидать снижения коэффициентов отражения в ближнем инфракрасном диапазоне и повышения - в красном. Конкретные значения этих величин, а также характер и надежность связей между наземными и дистанционными данными зависят от местных условий -

состава и объемов выбросов, видового состава сообществ, стадии деградации, климата, рельефа местности. Поэтому в каждом случае необходимы специальные исследования.

В Карелии до настоящего времени не проводилось изучения динамики спектральных характеристик лесных сообществ при техногенной деградации и дистанционных исследований на экосистемном уровне. Появление Костомукшского ГОКа в девственной тайге создало почти уникальный объект, позволяющий с начальных стадий исследовать воздействие отдельно стоящего мощного точечного источника аэротехногенных выбросов на экосистемы бореальных лесов.

ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННО-ИСТОРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА

ИССЛЕДОВАНИЙ.

Природные условия. Костомукшский ГОК расположен на северо-западе Карелин (64.5 с.ш. и 30.7 в.д.). Климат региона атлантико-арктическин: зима относительно мягкая, продолжительная, лето короткое и прохладное. Средняя температура июля - +15, января —12. Продолжительность безморозного периода 183 дня. Среднее количество осадков 630 мм, большая их часть (65°о) выпадает в летний период. Преобладают ветры юго -западных и западных направлений. Для денуда-ционно-тектонического ландшафта региона характерны кристаллические гряды (200-280 м над уровнем моря), перекрытые песчаной мореной. Основные типы почв - подзолистые, подзолисто-болотные и болотные. Леса региона в основном сохранили особенности, свойственные девственных! северотаежным лесам; преобладают хвойные ассоциации сложной возрастной структуры. Основной лесообразующей породой (80° о покрытой лесом площади) является сосна (Pinus sylvestris). Насаждения с преобладанием ели (Picea abies) занимают 15° о, березы (Betula pubescens) - 3° о. Средний класс бонитета - IV, полнота - 0.5-0.7. В фитоценотиче-ском ряду превалирует зеленомошная группа ассоциаций (черничные и бру сничные). Преобладающая часть площади лесов занята насаждениями высоких возрастов. Болота занимают около 20° о территории региона.

Природа региона может быть охарактеризована как в высокой степени экологически уязвимая. Основные лесообразутощие породы обла-

дают высокой чувствительностью к воздействию аэрополлютантов, которая еще более повышается вследствие неблагоприятных климатических условий. Лесные почвы региона весьма восприимчивы к действию кислотных выпадений. Леса отличаются невысокой продуктивностью и простым строением сообществ, что уменьшает их устойчивость и сокращает задержку реакции на эмиссии.

Состояние окружающей среды. Основные компоненты атмосферных выбросов Костомукшского ГОКа - диоксид серы (60 тыс. т/год) и пыль (5 тыс. т/год). В группе тяжелых металлов (ТМ), содержащихся в техногенной пыли, преобладает Ре (более 90° о), обнаружены также небольшие количества №, Сг, РЬ, Си. Вокруг ГОКа четко выделяется импакт-ная зона радиусом до 10-12 км, где происходит комплексное загрязнение

- газовое и пылевое. Пиковые уровни концентраций диоксвда серы в этой зоне достигают 0.15-0.25 мг/мЗ, что многократно выше ПДК для растений (0.015 мг/мЗ), периодические превышения ПДК наблюдаются в радиусе до 30 км. Запыленность атмосферы невысока. Отмечается накопление в лесных подстилках ТМ, прежде всего Ие, и в значительно меньшей степени N1 и Сг. Абсолютное содержание ТМ на порядок ниже ПДК и на данном этапе не представляет опасности для растении. В нм-пактной зоне на фоне нейтрализующего воздействия пылевых частиц закнсляющее влияние серных выпадений не проявилось, за пределами импактной зоны подстилки незначительно закисляются. Таким образом, приоритетным загрязнителем в исследуемом периоде является диоксид серы.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

В качестве объекта исследований избраны спелые сосняки черничные

- наиболее распространенный в этом районе тип лесных сообществ. Постоянные пробные площади (ПП) использовались и для наземных наблюдений, и как ключевые участки для дешифрирования данных дистанционного зондирования.

Наземные наблюдения. 12 прямоугольных ПП размером 40x60 м заложены по градиентной линии (ЮЗ-СВ) в соответствии с направлением преобладающих ветров, на верхних частях склонов, обращенных к ис

точнику выбросов, на различном расстоянии от него (до 30 км). Характеристика древостоя на ПП: возраст 110-140 лет, средний диаметр 22-28 см, средняя высота 19-22 м. Доля участия сосны в составе 0.8-1.0, ели -до 0.2, береза - единично. На всех ПП имеется подрост ели. В разреженном подлеске представлены Sorbus aucuparia, Juniperus communis, Alnus incana. В напочвенном покрове доминируют кустарш1чки: Vaccinium myrtillus, V. vitis-idaea. Травянистые растения занимают подчиненное положение. Хорошо развит моховой покров из зеленых лесных мхов родов Hylocomium, Pleurozium, Dicranum.

При оценке состояния растительных сообществ на ключевых участках основное внимание уделялось параметрам, которые могут сказываться на спектральной характеристике - количество фотосннтезирую-щей биомассы (степень дефолиации), содержание пигментов, степень дисколорации. Оценка состояния деревьев проводилась по методике, рекомендованной Международной программой мониторинга воздействия загрязнения воздуха на леса, при которой дерево в зависимости от степени потерн хвои (до 10, 10-25, 26-60, свыше 60%, су хостой) относится к одному из пяти (0-4) классов дефолиации (категорий состояния). Для оценки состояния насаждения в целом применялся расчетный индекс DD, определяется как средневзвешенный по площади сечения ствола на высоте 1.3 м класс дефолицни живых доминирующих деревьев (0 3 классов дефолиации).

Данные дистанционного -зондирования. Использовались цифровые снимки 1986 и 1992 годов, сделанные соответственно сканерами LANDSAT-TM и МСУ-Э. Оба снимка сделаны в июне, при отсу тствии облачности и достаточной высоте солнца и охватывают территорию 45x70 км, комбинат находится в ее центре. Все пробные площади находятся в пределах снимков. Сканер МСУ-Э регистрирует уровни сигналов в трех спектральных диапазонах (мкм): 0.5-0.59 (G), 0.61-0.69 (R), 0.7-0.89 (NIR) с разрешением 45x34 м. LANDSAT-TM имеет дополнительно каналы в средневолновом инфракрасном диапазоне: 1.55-1.75 (SWIR1) и 2.1-2.35 (SWIR2); разрешение (размер пиксела) - 30x30 м. Выбор сканеров высокого пространственного разрешения определяется тем, что в изучаемом регионе естественные размеры насаждения часто составляют менее одного гектара, и при большом размере пиксела вследст-

вие большой неоднородности его "содержимого" затруднительно выявить корреляцию между наземными и дистанционными данными.

Обработка информации сканирования производилась на компьютере PS/2. Специальное программное обеспечение позволяет определять спектральные характеристики ключевых, участков. При дешифрировании создается синтезированное изображение, где каждому пикселу, исходя из его спектральных параметров согласно алгоритму назначается цвет, обозначающий категорию состояния леса или категорию земной поверхности. Анализ спектральных характеристик ключевых участков для выбора алгоритма дешифрирования проводился с использованием -электронных таблиц Excel и статистического пакета Statgraphics.

ГЛАВА 4. ДИНАМИКА ФИТОЦЕНОТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НА НАЗЕМНЫХ КЛЮЧЕВЫХ УЧАСТКАХ.

Оценка степени дефолиации на ПП проводилась 1987, 1989 и 1991 гг. В 1987 году состояние насаждений на всех пробных площадях варьировало в небольших пределах, величина индекса DD до 0.2, что свидетельствует о преобладании в насаждении неповрежденных деревьев. Однако, уже в этот период в худшем состоянии по сравнению с остальными находятся ближайшие к комбинату с северо-востока ПП. В 1989 году на большинстве ПП, кроме максимально удаленных (25 км) к юго-западу, отмечается некоторое ухудшение состояния насаждений, особенно вблизи комбината и к северо-востоку от него (рис. 1). В 1991 году произошло более резкое ухудшение состояния насаждении, и отчетливо проявилось воздействие комбината - все ПП, расположенные в импактной зоне, имеют индекс DD выше единицы (степень дефолиации свыше 25° о), а на остальных, на расстоянии свыше 10-15 км от источника выбросов, индекс DD незначительно колеблется в пределах 0.6-0.8. Увеличение степени дефолиации за период наблюдении отмечено на всех пробных площадях, в том числе и на значительном расстоянии от комбината. Это может быть связано как с природными периодическими колебаниями степени дефолиации, отмеченными при многолетних наблюдениях (Jukola-Sulonen et al, 1990), так и с увеличением загрязнения атмосферы по всей Северной Европе. За весь период наблюдений не отмечено деревьев с дисколорацией, выходящей за пределы 0 класса по-

вреждений. Процент деревьев, усохших за период наблюдений, незначителен на всех пробных площадях, и, следовательно, структурных изменений на уровне насаждения не наблюдается. Усыхают в подавляющем большинстве случаев угнетенные деревья, и только единичные доминирующие, наиболее старые. Разреживание крон происходит за счет уменьшения количества хвои старших лет жизни, что вызвано необходимостью мобилизации ресурсов организма. Средняя продолжительность жизни хвои в регионе составляет около 7 лет. В 1987 году на отдельных ПП в нмпактной зоне отмечено ее снижение до 5 лет, а к 1992 году на всех ПП в этой зоне она не превышает 3- 4 года.

Фнзнолого-биохимическне исследования (Габукова, 1992) показали, что в 1988 году появились явные признаки изменения метаболических процессов в хвое, заметно повысилось содержание серы. Концентрации хлорофпллов сильно варьируют в зависимости от возраста и расположения хвои в кроне дерева, однако отмечено, что до 1990 г. концентрация хлорофилла "а" в хвое 2-3 летнего возраста в нмпактной зоне была у стойчиво выше фоновой вследствие стимуляции ассимилирующей деятельности под воздействием поллютантов, затем концентрация пигмента снизилась, и проявилась четкая зависимость падения концентрации по мдэе приближения к источнику выбросов.

Анализ геоботанических параметров живого напочвенного покрова не выявил их изменений под воздействием поллютантов (Кравченко, 1992). Воздействие техногенных выбросов за 9 лет не вызвало заметного изменения структуры энтомокомплексов и повышения активности патогенных организмов (Крутое, 1991).

Таким образом, результаты наземных наблюдений показывают, что в первые 10 лет воздействия источника выбросов изменения состояния лесных сообществ происходят в радиусе 10-15 км и проявляются в основном в увеличении степени дефолиации крон деревьев вследствие у меньшения продолжительности жизни хвои. На начальных стадиях деградации отмечается значительная вариация как в состоянии отдельных деревьев на каждой пробной площади, так и в состоянии насаждений на различном расстоянии от источника выбросов. Поэтому на основании только наземных наблюдений затруднительно получить целостную картину состояния лесных сообществ в окрестностях источника

выбросов. В связи с этим и было принято решение использовать данные дистанционного зондирования.

-1987 , -1989 ; -1991

Рис. I. Динамика степени дефолиации на ключевых участках.

ГЛАВА 5. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ КАТЕГОРИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ТИПОВ РАСТИТЕЛЬНЫХ АССОЦИАЦИЙ В РАЙОНЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

При дешифрировании сканернон информации с целью определения степени повреждения лесов необходимо в первую очередь среди различных категорий земной поверхности выявить объект исследований - в данном случае сосняки черничные. Для изучения характерных особенностей спектров отражения использовался снимок 1986 года (сканер ЬАКЭЗАТ-ТМ), поскольку он имеет большее спектральное и пространственное разрешение. Ключевыми участками служили постоянные проб-

ные площади, а также ландшафтные профили, заложенные в районе исследований.

Основной тип лесных сообществ в изучаемом районе - сосняки черничные, произрастающие на вершинах и склонах гряд в условиях умеренного увлажнения. На сухих участках флювиогляциальной равнины произрастают сосняки брусничные и лишайниковые. На пониженных равнинных участках с недостаточным дренажем встречается сосняки долгомошные. Сосняки сфагновые занимают окрайки крупных болот и ложбины между грядами. Ельники приурочены к подножиям склонов и долинам ручьев.

Контрастные категории земной поверхности (озеро, вырубка, лес) достоверно разделяются уже по уровням сигналов в каналах R и NIR. Болота и вырубки по сравнению с лесными сообществами отличаются большей яркостью во всех областях спектра. Различия в спектральных характеристиках разных типов лесных сообществ менее выражены. В видимой области спектра они незначительны и проявляются в основном в инфракрасных каналах. Уровень сигнала по каналу NIR прежде всего характеризует полноту древостоя (как относительное количество фото-синтезнрующей биомассы), а по каналу SWIR1 - степень увлажненности местообитания, поскольку в этом диапазоне проявляются различия в водном режиме хвои. Так, в сравнении с сосняками черничным, более сухие и разреженные сосняки лишайниковые отличаются несколько большей яркостью в видимом диапазоне, меньшей величиной индекса NIR/R и большей - индекса водного стресса MSI (SW1R1/NIR). Сосняки долгомошные и сфагновые характеризуются низкой величиной индекса MSI (рис. 2).

Подавляющая часть лесных сообществ в районе исследовании находится в клнмаксовон стадии развития, и поэтому при дешифрировании не возникает дополнительных трудностей, связанных с выделением сообществ одного типа, но различного возраста.

Результаты различных вариантов компьютерного дешифрирования ска-нерных снимков показали, что классификация методом ближайшего соседства в многомерном спектральном пространстве позволяет с полной достоверностью выделить водную поверхность, а также лес среди различных типов растительных сообществ (сфагновые болота, выру бки) и с достоверностью 80 -90° о - три группы типов ассоциаций: сосняки

лишайниковые, зеленомошные и переувлажненные (долгомошные и сфагновые) среди различных типов лесных сообществ. При этом к объекту исследования (соснякам черничным) могут быть отнесены, например, несколько более сухие сосняки брусничные. Однако, реакция деревьев на воздействие аэрополлютантов в столь близких сообществах не может значительно отличаться, поскольку при деградации лесных экосистем происходит определенное нивелирование роли эдафических факторов условий местообитания (Цветков и др., 1991). Учитывая также, что леса зеленомошной группы ассоциаций занимают подавляющую часть площади лесов изучаемой территории, можно считать такое упрощение допустимым.

Рис. 2. Спектры отражения основных типов лесных сообществ в районе исследований. 1 - сосняк лишайниковый, 2 - сосняк черничный, 3 - сосняк сфагновый.

ГЛАВА 6. ИЗМЕНЕНИЯ В СПЕКТРЕ ОТРАЖЕНИЯ ПОЛОГА СОСНОВЫХ ЛЕСОВ В УСЛОВИЯХ АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ.

Данные наземных наблюдений показывают, что изменения в спектральных характеристиках могут проявится в ближней инфракрасной области спектра вследствие уменьшения количества фотосинтезирующей биомассы (дефолиации) и в красной области вследствие колебаний концентрации хлорофилла "а". В соответствии с этим были исследованы зависимости между снятыми со снимков спектральными характеристиками ключевых участков, с одной стороны, и индексами дефолиации и данными по содержанию хлорофилла на этих же участках - с другой.

В 1986 г. не обнару жено корреляции между индексом дефолиации и спектральными параметрами (абсолютная величина коэффициента корреляции г<0.2), однако на наиболее близких к комбинату ПП уровень сигнала по каналу N111 был ниже на 10-15° о (табл. 1). Обработка снимка по соответствующему алгоритму показала, что такие насаждения сконцентрированы вокруг карьера и корпусов комбината в радиусе до 10 км (рис. 3). Это позволяет утверждать, что снижение интенсивности канала N111 вызвано начавшимся в этот период опадением хвои 6-7-летнего возраста.

Таблица 1. Характеристики ключевых участков (ПП)

№ Расстояние П от ГОКа,

1986

1992

ОО К N111 N111/ ОО Я N111 N111/

п км К Я

17 22 (ЮЗ) .056 18 39 2.181 .74 28 48 1.708

2 21 (ЮЗ) .129 18 42 2.38 .62 29 48 1.641

18 16 (ЮЗ) .115 19 45 2.387 .8 28 49 1.728

4 9 (ЮЗ) .013 19 41 2.203 .57 30 48 1.595

10 5 (ЮЗ) .11 20 45 2.295 1.05 29 45 1.557

14 2 (ЮЗ) 1.07 29 47 1.593

7 1 (3) .038 18 37 2.056 1.03 29 45 1.543

8 1 (В) .192 17 37 2.159 1.46 30 44 1.483

6 9 (СВ) .167 18 38 2.127 1.26 30 47 1.563

16 13 (СВ) .111 18 43 2.437 .83 28 48 1.699

13 32 (СВ) .72 30 51 1.708

В 1992 году проявилась сильная отрицательная корреляция (г= - 0.728) между индексом дефолиации ОБ и спектральным индексом N111/11. Зависимость описывается уравнением регрессии:

№Я/Я = -0.216*00 + 1.819; (1)

При повреждении, выходящем за границы естественных колебаний степени дефолиации величина индекса ОЭ превышает 1.1-1.2, поэтому можно принять, исходя из уравнения (1), что неповрежденные насаждения характеризуются индексом N111/11 в пределах 1.80 - 1.62, а поврежденные - 1.61 - 1.44. Дешифрирование снимка 1992 года по данному алгоритму выявило четко различимое пятно овальной формы, образованное пикселами "поврежденных" насаждений, с центром в точке расположения корпусов комбината; площадь его значительно больше, чем в 1986 г.

Как в 1986 г., так и в 1992 г. не обнаружено различий в интенснвно-стях отражения в видимой области спектра на ключевых участках, расположенных на различном расстоянии от источника выбросов; отсутствует и корреляция с данными по содержанию хлорофиллов в хвое. Вероятно, как повышение концентрации хлорофилла в начальный период воздействия выбросов, так и последующее ее снижение не настолько велико, чтобы отразиться на коэффициентах отражения в красной области спектра.

Отсутствие различий в видимой области спектра свидетельствует также об незначительности структурных изменений в кронах, иначе возросшее количество теней снизило бы отражение в этом диапазоне.

Таким образом, основным фактором, определяющим изменение спектра отражения полога сосновых лесов на ранних стадиях деградации под воздействием сернистых аэровыбросов, является снижение количества фотосинтезирующей биомассы вследствие уменьшения продолжительности жизни хвои. Это приводит к снижению коэффициента отражения в ближнем инфракрасном диапазоне и, поскольку изменения в видимой части спектра незначительны, к снижению величины спектрального вегетационного индекса N111/11.

во

1986

■I.'

1

2-

1

« Л I

— В

. -а ■

С:. 3

Рис. 3. Динамика изменения площади очага повреждения. Комбинат находится в точке пересечения линий СЮ-ЗВ. 1 - хвостохраншшще, 2 -карьер, 3 - г. Костомукша.

ГЛАВА 7. ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЕВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ АЭРОТЕХНОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ

Компьютерная обработка снимков показала, что по мере удаления от источника выбросов спектральный индекс ШЯ/И. сосняков черничных практически линейно возрастает, затем, начиная с определенного расстояния, стабилизируется. В 1986 г. это расстояние составляло около 10 км, в 1992 - около 22 км (рис. 4). Величина индекса на уровне

стабилизации соответствует уровгао, свойственному неповрежденным насаждениям и в 1992 году практически совпадает с граничной величиной спектрального индекса, полученной по уравнению (1). Отмеченная закономерность позволяет уточнить алгоритм оценки техногенной деградации лесов в окрестностях точечного источника выбросов с использование цифровой информации сканирования:

- по данным ключевых участков определяются характерные особенности спектров отражения в диапазонах И., N111, БШЖ и исходя из этих данных методом ближайшего соседства проводится классификация по категориям земной поверхности и типам растительных ассоциаций;

- для ассоциации, выбранной в качестве объекта исследований, путем вычисления индекса КПЯЖ на различном расстоянии от источника выбросов определяется граничная величина данного индекса;

- определяется размер поврежденной зоны. При классификации снимка пикселы, относящиеся к объекту исследования и с величиной индекса ШЯ/Я ниже граничной относятся к поврежденным;

- степень повреждения в пределах зоны определяется на основе корреляции между степенью дефолиации и величиной индекса N111/11 на ключевых участках.

По результатам обработки снимка 1992 г. выведена зависимость увеличения индекса дефолиации по мере приближения к источнику выбросов:

ОБ =-0.0375 * I* + 1.5; (2)

где ОБ - индекс дефолиации;

Я - расстояние от комбината, км (от 0 до 22).

При сопоставлении орографических данных и вегетационных индексов на сканерных снимках не обнаружено различий в степени повреждения насаждении на ветроударных и защищенных склонах.

2,3 т

2,25 .

2,2 •

к 2.15

£

2 2,1 ■■

2,05 •

2 ■

1,95 4-

0

25

1986

1.7

! 1,65 1,6

! £

! 2 1,55

|

! 1.5 1,45

15 20 25 Расстояние, «и

за

1992

Рис. 4. Динамика изменения спектральных индексов сосняков черничных в зависимости от расстояния от источника выбросов.

На основе анализа данных наземных наблюдений и результатов обработки сканерных снимков можно следующим образом описать динамику

деградации лесов за исследуемый период. С 1986 по 1992 год средний радиус зоны повреждения увеличился с 10 до 22 км. Скорость увеличения радиуса зоны повреждения составляет около 2 км в год. В пределах зоны биомасса хвои снижается от 100° о на ее границе до уровня 70-75° о в центре в 1986 г. и до 50-55° о в 1992 г. Доля площади поврежденных участков возрастает от нуля на границе зоны до 30-40° о в центре 1986 году и до 70-80° о в 1992 году .

Наибольшая степень повреждений зафиксирована у насаждений вблизи комбината, подвергающихся воздействию как газового, так и пылевого компонентов выбросов. Латентный период здесь продолжается не более 3 лет. За период исследований лесные экосистемы в импактной зоне прошли фазу накопления токсикантов и вступили в фазу скрытой деградации, за пределами импактной зоны продолжается фаза накопления токсикантов. Фаза усыхания началась только в опушечных насаждениях, непосредственно примыкающих к объектам ГОКа.

Через 10 лет после пуска комбината сформировался очаг поврежденных лесов, границы которого значительно превышают границы зоны, где наблюдаются наиболее высокие концентрации в воздухе диоксида серы и выпадает основная масса пылевых частиц. Протяженность очага в направлении ЮЗ-СВ составляет около 30 км, в направлении СЗ- ЮВ -около 25 км, общая площадь достигает 500 кв. км. Конфигурация очага соответству ет повторяемости ветров.

ГЛАВА 8. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ЛЕСОВ В ЗОНАХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

На основании результатов проведенных исследований предложена комплексная система локального мониторинга состояния лесов в у словиях аэротехногенного загрязнения. Система биологически ориентирована на наиболее важный компонент биоценоза - древостой, а технически - на использование цифровой информации многоспектральных космических сканеров и состоит из ряда подсистем (иерархических уровней), соответствующих уровням организации организма и экосистемы (а - клетка, б - растение, в - биоценоз, г - ландшафт):

а - экофизиологическая экспертиза ассимиляционного аппарата отдельных деревьев (содержание пигментов, элементов питания, приоритетных загрязнителей), а также исследования ультраструтстуры клеток (размеры и форма хлоропластов и других структур).

б - визуальная оценка дефолиации крон деревьев на ключевом участке;

в - оценка состояния насаждения на ключевом участке по расчетным индексам, характеризующим'-долю в насаждении деревьев различного состояния, а также фитопатологические и почвенные исследования;

г - определение размеров и формы очага повреждения лесов по данным космического сканирования.

На первых трех уровнях используются данные наземных наблюдений на постоянных пробных площадях, на последнем - информация космических сканеров высокого пространственного разрешения. Комплексная система мониторинга позволяет контролировать процессы, происходящие на микро- и макроуровнях, охватывает экосистему в целом - изменение состояния насаждений индицируется как по резу льтатам физиологических и дендрометрических исследований, так и по изменению спектра отражения полога насаждений, которое фиксируется космическим сканером. Технической основой дистанционного мониторинга служит геоннформацнонная система, которая осуществляет интеграцию пространственно-распределенных данных всех уровней мониторинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, составляющие предмет защиты.

1. Основным фактором, определяющим изменение спектральных характеристик полога северотаежных сосновых лесов на ранних стадиях техногенной деградации (первые 10 лет воздействия источника аэровыбросов), является снижение количества фотосинтезирующей биомассы вследствие уменьшения продолжительности жизни хвои. Это приводит к снижению коэффициента отражения в ближней инфракрасной области спектра.

2. На ранних стадиях деградации не обнаруживается изменений в коэффициентах отражения в красной области спектра. Колебания концентрации хлорофиллов в хвое,: отмеченные по данным физиологических исследований, не проявляются на уровне насаждения и не сказываются на спектральных характеристиках.

3. Установлена корреляционная зависимость между степенью дефо-лации крон и спектральным вегетационным индексом, представляющим собой отношение уровнен сигналов в ближнем инфракрасном и красном диапазонах (N111/11).

4. Выявлены особенности спектров отражения основных категорий земной поверхности и групп типов лесных сообществ в фоновых районах и в зоне техногенного загрязнения.

5. Разработан алгоритм компьютерного дешифрирования цифрового сканерного снимка, позволяющий по данным ключевых участков провести классификацию по категориям земной поверхности и группам типов растительных ассоциаций н определить степень техногенной деградации лесных экосистем.

6. В результате обобщения данных наземных наблюдении и данных дистанционного зондирования выявлена пространственно-временная динамика начальных стадий деградации северотаежных сосновых лесов под воздействием сернистых аэровыбросов. Установлены закономерности увеличения размеров зоны повреждения и изменения степени дефолиации в пределах зоны.

7. Выполненные исследования позволили разработать и реализовать на практике комплексную систему локального мониторинга аэротехногенной деградации северотаежных сосновых лесов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Влияние аэротехногенного загрязнения на состояние сосновых лесов Северной Карелин (в соавторстве с Лазаревой И.П. и др.). Издание КНЦ РАН, Петрозаводск 1992, 52 с.

2. Satellite image aided forest damaged monitoring in the vicinity of Kostamus ore-dressing mill. In: Proc. of the International Conference "Forest, Environment and New Technology in Northern Europe",

Petrozavodsk, Sept 21-23, 1993. University of Joensuu, Research notes 17, pp. 348-350.

3. Использование информации космического сканера МСУ-Э при изучении техногенной деградации лесов // Лесной журнал. №1, 1995.

4. Опыт наземного мониторинга лесов Карелии (в соавторстве с Лазаревой И.П. и др.) // Лесное хозяйство. 1994. N 2 с. 27-30.

5. The effect of air pollutants on North Karelian forests. Proc. of the IUFRO Centennial Meeting, 31 Aug - 4 Sept 1992, Eberswalde, Germany. Berlin-Ebersvvalde 1992, p. 380. (в соавторстве с Лазаревой И.П. и др.).

Находятся в печати:

1. Космический мониторинг лесов в зоне воздействия выбросов Кос-томуктского ГОКа //Экосистемы российско-финского парка "Дружба".

2. Оценка динамики деградации лесов в зоне воздействия выбросов Костомукшского ГОКа дистанционными методами // Проблемы антропогенной трансформации лесных биогеоценозов Карелин. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 1996.

Сдано)', производство 19 11.96 формат 60x84' ]j\6 Уч. изд. л. 1,4 Тир. 100 экз. ЪкЫ 29

185610 г Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 Карельский Н1Д РАН