Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оценка экологического состояния лесных биоценозов комплексом методов биоиндикации и дистанционного зондирования

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Оценка экологического состояния лесных биоценозов комплексом методов биоиндикации и дистанционного зондирования"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.

на правах рукописи

Со

р

С С

ДОГРГЕНКО Виктория Владиславовна

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЛЕСНЫХ БИОЦЕНОЗОВ КОМПЛЕКСОМ МЕТОДОВ БИОИНДИКАЦИИ И ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ (на примере Кингисеппского района Ленинградской области)

Специальность 11.00.11 - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в Международном Центре по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им. Нансена и Санкт-Петербургском Государственном Университете

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Гольцова Н.И.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Л.П. Капелькина кандидат физико математических наук В.И. Хижниченко

Ведушая организация:

Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Защита диссертации состоится 25 июня 1998 г в ' £ часов на заседании диссертационного совета Д.063.57.16 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санк-Петербургском Государственном Университете по адресу: Санкт-Петербург, 10-я линия В.О., д.ЗЗ.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Университета

Автореферат разослан 22 мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,кандидат географических наук

Г.И. Мосолова

Атмосферный перенос и выпадение тяжелых металлов являются главной причиной загрязнения экосистем в естественных ландшафтах, возможности самоочищения которых весьма ограничены. Например, период естественного самоочищения бореальных лесов от загрязняющих тяжелых металлов оценивается в сотни лет (Fridland, et al.,1992[1]; De Wries, Banker,1996[2]; Miller, Fridland, 1994[3]; Яхнин,Томилина,1997[4] и др.). При неблагоприятных условиях загрязнение бореальных лесов тяжелыми металлами может стать необратимым.

Лес не только является региональным и локальным биомонитором. Здоровые древостой выполняют ряд важнейших функций по поддержанию стабильности биосферы в целом. Наконец, лес служит основой многих отраслей экономики. Необходимым условием стабильного осуществления этих функций является оперативный контроль состояния лесов, совмещаемый с оценкой степени деградации лесных биоценозов под воздействием антропогенных нагрузок.

Данное условие в настоящее время выполняется лишь частично с помощью биоиндикационных и инструментальных методов. Например, хорошо разработана методическая база международных программ лесного мониторинга (International Cooperative Program on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests (ICP-Forests)) и интегрального мониторинга (International Co-operative Program on Integral Monitoring (ICP-IM)). Достоинства биоиндикационных методов, с помощью которых удается получать интегральную оценку экологичесхой ситуации, к настоящему времени не нуждаются в доказательствах. Однако проведение натурных мониторинговых исследований ограничено возможностями поддержания дорогостоящей сети фиксированных пробных площадей.

Корректная оценка состояния лесов возможна лишь на основе репрезентативных данных, получаемых с помощью надежной системы оперативного контроля изменений в лесных массивах и сопряженных с ними ландшафтах. Наблюдение за этими изменениями требует создания аналитических средств и методик, приемлемых по метрологическим, технологическим и экономическим показателям.

1. Fridland A.J., Craid В.М., Miller E X., Herrick G.T., Siccama T.G., Johnson A.N., (1992) Decreasing lead levels in the forest floor of the northeastern USA. AMBIO, 21,6,400-430.

2. De Wries W„ Banker D.J. (1996) Manual for calculating critical load of heavy metals for soils and surface water. DLO Winand Staring Centre, Wageningen (The Netherlands). Report 114 (Draft February 1996), 133pp.

3. Miller E.K., Fridland A. J. (1994) Lead migration in forest soils. Response to changing atmospheric inputs. Environ. Sri. And Technol., 28,4,662-672.

4. Яхнин Э.Я., Томилина O.B. (1997) Атмосферный поток тяжелых металлов и проблема экологической безопасности почв. Экологическая химия, № 4.

Удовлетворение требованям оперативности, обзорности и объективности может быть достигнуто путем сочетания многоспектральной космической съемки и сети фиксированных станций наземного базирования. Немаловажным аргументом в пользу работы со спутниковыми снимками является несравненно более подробный ряд таких снимков, их относительная доступность и возможность их периодического сопоставления друг с другом для решения различных задач, при изменении режима интерпретации снимков. Себестоимость мониторинга с использованием спутниковой информации многократно ниже, чем аналогичные работы на основе аэрофотосъемки.

Дополнительные преимущества использования космических данных состоят в том, что с их помощью могут быть решены не только рутинные лесотаксационные задачи, но и широкий спектр задач экологического мониторинга, в которых лес выступает не как ресурс, а как репрезентативный объект, отражающий степень антропогенных воздействий.

Однако, основным препятствием для эффективного использовния спутниковых дистанционных методов в экологических целях является отставание их интерпретационной базы (задача идентификации экологических нарушений). Таким образом, вышеизложенное определяет актуальность темы рассматриваемой диссертационнрй.,работы, выражающуюся в необходимости дальнейшего развития космических дистанционных методов экспресс-оценки антропогенной нагрузки на биоту и их применения в комплексе с методами биоиндикации для мониторинга экологического состояния лесных биоценозов. При этом инструментальная реализация этих новых методов может быть выполнена лишь на основе исследований спектральных характеристик растительных объектов и выбора информативных параметров для конкретных видов антропогенной нагрузки, включая индивидуальные поллютанты. . _ .

.. . Дополнительную актуальность проведенным исследованиям придает расположение изучаемой территории на границе Эстонии и России, что позволяет оценивать последствия аэротехногенных трансграничных воздействий.

Основной целью работы является исследование состояния сосновых древостоев бореальной зоны (на примере Кингисепсского района Ленинградской области) и уровня воздушных выпадений на основе комплексного использования наземных и усовершенствованных спутниковых дистанционных методов мониторинга. Для достижение поставленной цели в данной работе решаются следующие задачи:

1. Натурное обследование лесоз по сети пробных площадей и оценка последствий аэротехногенных трансграничных воздействий (Кингисеппский район Ленинградской области).

2. Исследование спектральных характеристик сосновых биоценозов, находящихся в различной степени аэротехногенного угнетения.

3. Получение с помощью данных дистанционного зондирования полного пространственного представления о районе в целом, о состоянии биоты его труднодоступных участков и территорий, не охваченных наземными наблюдениями.

4. Усовершенствование интерпретационных алгоритмов и установление связей между особенностями спутниковах изображений и данными эталонных наземных исследований на примере районов с напряженной экологической ситуацией, где эти зависимости наиболее контрастны. Выделение угнетенных древостоев на основе картирования вегетационного индекса.

5. Создание ландшафтной основы экологической карты на базе Land Use-классификации комплекса спутниковых данных (Ресурс-О, ERS, Landsat, NOM) с выделением достоверных границ собственно лесных территорий, в том числе отдельно-площадей распространения сосновых древостоев.

Объект и материал исследований. Представленная работа продолжает серию планомерных исследований Биологичесекого Научно-исследовательского Института (БиНИИ), Нансен-Центра и Научно-Исследовательского Центра Экологической Безопасности (НИЦЭБ) РАН по лесному мониторингу, выполняемых на территории Ленинградской области с 1990 г. Основными объектами исследований являлись леса на тестовых площадях на Карельском перешейке и в Кингисеппском районе.

В работе, в основном, использованы результаты полевых и лабораторных исследований, выполненных автором совместно с сотрудниками лаборатории экодинамики наземных экосистем НИЦЭБ РАН под руководством Н.И.Гольцовой, которая осуществляла координацию наблюдений в качестве Национального фокального центра мониторинга лесов (ICP-Forests) на Северо-Западе РФ.

Методы наземных исследований. Работа, основанная на международных стандартах, опирается на интеркапибровку приемов опробования, лабораторного изучения и интерпретации результатов.

В рамках настоящей работы внимание уделялось тем показателям, которые характеризуют состояние растительности и могут влиять на ее спектральные характеристики - дефолиацие, дехромацие, возрасту хвои, количеству индикаторных видов лишайников-эпифитов, содержанию тяжелых металлов и других токсикантов в гумусовом горизонте почв и в лесных мхах (Pleurozium schreberi), ряду лесотаксациснных параметров, определяющих сомкнутость полога леса (диаметры ствола и фоны, класс бонитета, полнота насаждений и т.п.). Большинство этих показателей оценивалось по методике Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК) ООН.

Статистическая обработка результатов выполнялась с помощью пакета STATGRAPHICS-3.0. Была исследована статистическая структура выборок, выявлены главные факторы изменчивости комплексных переменных (таких, как NDVI), которые наиболее значимо связаны с показателями, отражающими состояние лесов (в частности, с дефолиацией сосны).

Личный вклад автора заключается в следующем:

1. При участии автора в 1994-1997 гг. выполнено обследование 70 постоянных пробных площадей, входящих в российскую сеть ICP-Forests. На площадках II уровня проведено полевое измерение спектральной яркости основных компонентов сосновых биоценозов.

2. Усовершенствование алгоритмов определения параметров, характеризующих состояние лесов, с помощью космического дистанционного зондирования в видимом, инфракрасном и радиодиапазонах, в том числе и на основе синергетического подхода.

3. Тематическая обработка снимков спутников ERS/SAR, Landsat и NOAA/AVHRR и описание, на этой основе, исследуемого района, состояния его биоты, выделение угнетенных древостоев и создание ландшафтной основы экологической карты

В ходе прохождения стажировки в Space Application Institute, Joint Research Center, European Commission, Ислра, Италия, автором освоены специализированные алгоритмы обработки космических данных, что позволило затем выполнить коррекцию снимков на пилотных площадях.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждена как методами химико-аналитического контроля количества загрязнителей в природных объектах, так и модельными экспериментами.

Научная новизна исследований заключается в применении комплексного подхода к определению экологического состояния лесных биоценозов, основанного на методах биоиндикации и усовершенствованных методах дистанционного зондирования. Его основой является определение информативных параметров, учитывающих характерный вид спектров поглощения основных растительных пигментов, и установление взаимосвязи предложенных диссертантом и используемых ранее характеристик состояния лесов. Реализация указанного комплексного подхода позволила автору получить ряд оригинальных результатов:

1. Определены зоны ослабления лесов на тестовых площадях, что, в свою очередь, обеспечивает возможность выявления признаков-предвестников ранних фаз экологического неблагополучия, соотносить критические и уже достигнутые аэротехногенные нагрузки на лесные экосистемы. Оценки критических нагрузок применительно к рассматриваемой территории получены впервые.

2. Показана принципиальная возможность идентификации интенсивности и состава воздушных выпадений по комплексу дистанционных данных.

3. Установлено, что сезонные условия влияют на статистическую устойчивость связей между наземными и дистанционными данными, в частности, мониторинг сосновых древостоев бореапьной зоны более эффективен в начале вегетационного периода.

4. Показано, что на основе дистанционных данных могут быть увязаны между собой результаты наземных экологических наблюдений, проведен ретроспективный и перспективный анализ (мониторинг) на региональном и локальном уровнях.

Практическая значимость и использование результатов работы. Основное направление использования результатов диссертации - методология дистанционного зондирования в экологических исследованиях и в природоохранной деятельности. Здесь результаты могут быть использованы в ходе создания Единой Государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ), в работах Главной Геофизической Обсерватории (ГТО) им. А.И. Воейкова, в исследованиях, проводимых НИЦЭБ РАН, Международным Центром по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им. Нансена и другими организациями при решении практических вопросов организации регионального и импактного мониторинга в рамках международных (1CP-Forests, ЕМЕР, CORINA, INTEGRATED MONITORING), национальных (ЕГСЭМ) и региональных (Программа НИР Ленкомэкологии) проектов.

Результаты исследований, выполненных автором, отражены в рекомендациях, направленных природоохранным службам Сланцевского и Кингисеппского районов, и были использованы при подготовке Аналитических обзоров Ленкомэкологии

"Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области" за 19941995 и в 1996 годы.

Основные положения, выносимые на защиту;

1. Оптимальным является проведение комплексных наблюдений на закрепленной сети площадок путем сочетания биоиндикационных и инструментальных методов. В итоге удается контролировать на единой методико-метрологической основе состояния почв, вод, лесных биоценозов и воздуха (через мхи и лишайники). Получаемые данные характеризуют не только статику, но и динамику процессов антропогенного воздействия, поскольку почвы освещают накопления за 10-15 лет, лесные мхи - за последние 2-3 года, а лишайники и подвижные формы почвенного комплекса - текущие выпадения. Существенно, что на основе полученных данных возможны расчеты объема и плотности нагрузок, оценки ущерба, разработка рекомендаций по снижению нагрузок.

2. "Экологические аномалии" в северных лесах, возникающие под воздействием аэротехногенного загрязнения, могут быть эффективно выявлены, идентифицированы и исследованы с помощью комплекса дистанционных данных, получаемых с космических систем Ресурс, NOM, Landsat и ERS1/2. При этом могут быть решены как вопросы мониторинга, так и инвентаризации лесов.

3. Угнетенные и здоровые древостой различаются во всех спектральных диапазонах в результате физиологических изменений растений при пыле-газовом загрязнении лесных биоценозов.

4. Сопоставление здоровых древостоев (высокий вегетационный индекс) и древостоев, ослабленных под воздействием воздушного загрязнения, целесообразно производить только для достоверно идентифицированных на спутниковых снимках лесных массивов. Предложенный подход позволяет на примере эталонных участков установить статистически значимые связи и зависимости между параметрами, получаемыми многоспектральными космическими системами, и факторами, вызывающими стресс растительности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены в отчетах по научно-исследовательским проектам, выполняемым Международным Центром по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им. Нансена и Научно-Исследовательским Центром Экологической Безопасности РАН.

По теме диссертации автором в 1994-98 гг. опубликовано 2 статьи и 2 тезисов докладов в отечественных и зарубежных изданиях. Результаты работы докладывались

на Конференции молодых исследователей СПбГУ (1995, диплом III степени), на Коллоквиуме EURISY (European International Space Year) "Space and its contribution to ecological safety", май 1996, С.-Петербург; на Международном симпозиуме, посвященном 10-летию Центра по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им.Нансена, Берген, Норвегия, ноябрь 1996; на Международной Конференции " 3-d ERS Symp. On Space at the service of our Environment", 17-21марта 1997, Флоренция, Италия; на Международной Конференции посвященной пятилетнему юбилею Международного Центра по Окружающей Среде и Дистанционному Зондированию им. Нансена, С.-Петербург, октябрь 1997.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии, включающей 110 наименований, из них 30 на иностранных языках. Общий объем работы - 130 машинописных страниц, включая 14 рисунков, 6 таблиц

Содержание работы

Во введении кратко рассмотрено состояние исследуемой проблемы, сформулированы цели и задачи работы,показана ее актуальность, дана оценка новизны и практической значимости полученных результатов, а также приведена общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе * Проблема мониторинга воздействий воздушных загрязнений на лесные экосистемы' рассмотрены механизмы таких воздействий, а также виды загрязнителей и процессы их перераспределения, роль биологического мониторинга в системе экологического мониторинга. Охарактеризованы методы биологического мониторинга, которые позволяют получить информацию о непосредственной реакции организмов, сообществ, экосистем на естественные и антропогенные воздействия. Отклик биосферы на антропогенные воздействия многолик, а оценки этих воздействий неоднозначны.

Недостаток и избыток десяти металлов (К, Na, Са, Mg, 2n, Си, Fe, Mn, Ni, V). является неблагоприятным для жизни растений. Ионы этих металлов участвуют в ключевых метаболических процессах, таких как дыхание, фотосинтез, фиксация азота, ассимиляция серы. К тому же ионы металлов переходной группы (Zn, Си, Fe, Мп, Со, Ni) активизируют ферменты, входят в систему переноса электронов, а также катализируют изменения степени окисления в реакциях обмена веществ. Отклик растений на изменение концентрации в почвах токсических металлов (Cd, РЬ и др.) за

пределами толерантных доз, к которым существует адаптация, негативен при любом их превышении.

На основе анализа литературных данных показано, что формирование уровня загрязнения атмосферы определяется не только объемом эмиссии загрязняющих веществ, но и условиями их распространения в атмосферном воздухе. Поэтому загрязнение воздуха может адекватно определяться лишь на основании данных продолжительных наблюдений.

Решение задач, связанных с оценкой состояния лесов, подвергающихся активному антропогенному давлению, требует создания системы наблюдения с использованием как обычных, так и спутниковых средств. Данные дистанционного зондирования, осуществляемого с использованием аэрокосмических средств, дополняют информацию наблюдательных сетей.

В этой главе рассмотрены также различные технические средства и методики дистанционного зондирования, которые определяют широкий спектр возможностей применения данного подхода к оценке состояния окружающей среды на различных уровнях. Разные диапазоны электромагнитного спектра или их сочетание оказываются предпочтительными для восстановления тех или иных параметров экологического состояния биоценозов.

Рассмотрены физические принципы дистанционного зондирования и описаны основные спутниковые сенсоры, работающие в различных диапазонах электромагнитного спектра. При дистанционном зондировании в видимом диапазоне спектра используются методы спектрофотометрии с применением многоспектральной сканирующей аппаратуры, многозональное фотографирование и т.д. Радиофизические космические исследования проводятся методами СВЧ-радиометрии и радиолокации с помощью систем трех типов.

Проанализированы отражательные свойства растительности в различных участках спектра и их зависимость от внешних факторов.

Во второй главе 'Методы биоиндикации и дистанционного зондирования для оценки состояния растительности тестовой территории' дано, прежде всего, обоснование выбора объекта для исследований. Выбрана территория с напряженной экологической ситуацией, располагающаяся на границе России и Этонии, на юго-западе Ленинградской области. Основными источниками загрязнения поверхностных вод и атмосферного воздуха здесь являются промышленность северо-восточной Эстонии ( Прибалтийская ГРЭС, Эстонская ГРЭС, цементные заводы Кунды, предприятия Кохтла-Ярве и Нарвы), Сланцевского и Кингисеппского районов

Ленинградской области. Например, выбросы пыли с Прибалтийской ГРЭС втрое превосходят суммарные выбросы пыли всей Финляндии. Наличие переноса большинства токсикантов обуславливается не только колоссальными объеиами выбросов, но и метеосиноптической обстановкой. Данная территория характеризуется очень высокими эмиссиями серы, которые вызывают серьезные повреждения лесных экосистем. Эмиссии тяжелых металлов также очень значительны. Суммарные выпадения столь высоки, что рано или поздно это вызовет необратимые нарушения в биоте.

Затем в данной главе рассмотрены методы исследований. Основным критерием их выбора является необходимость получения контрастных признаков состояния лесных экосистем.

Методы биоиндикационных оценок состояния лесной растительности базируются на международных методиках, разработанных в рамках Программы Лесного Мониторинга. Методы сбора проб, оценки дефолиации, лихеноиндикаци* и методы химического анализа прошли интеркалибровку со странами Европы. Координаты каждой площадки находятся в базе ЕЭК ООН.

Объектом наблюдений послужили сосновые насаждения, являющиеся общеринятым биоиндикатором вследствии своей повышенной чусгвительности к атмосферному загрязнению. Исследования проводились на 78 точках постоянного мониторинга. При закладке точек учитывалась схожесть условий произрастания, присутсвие сухостоя, повреждения деревьев вредителями, другие фитопатогенные и абиотические нарушения. В рамках данных исследований основное внимание уделялось показателям, которые не только характеризуют состояние растительности, но также и ее спектральные характеристики - оценка степени дефолиации, дехромации, возраст хвои, количество индикаторных видов лишайников-эпифитов.

Исследование спектральных характристик доминирующих растений сосновых биоценозов проводилось на 7 площадках с различным уровнем повреждения сосны для получения обучающего материала для дальнейшей интерпретации космичеаюй информации. Измерения проводились Полевым Импульсным Фотометром (ПИФ), разработанным в ГОИ им. Вавилова в 1993 году. Прибор работает в 5 каналах, спектральный диапазон прибора 0.3-2.5 мкм. Измерения коэфициентов отражения проводились для трех ярусов растительности: напочвенный покров -травянистая растительность и мхи; подлесок - лиственные виды; древостой - сосна (кора, хвоя), ель (хвоя). Средняя спектральная характеристика сосновых древостоев рассчитана с учетом весовых коэффициентов вклада каждого сообщества в отражательную способность всего полога древостоя. На основе натурных наблюдений типоморфная

формула полога древостоя определена как: 0.1 Мох + 0.4 Хвоя сосны + 0.1 Кора сосны + 0.15 Хвоя ели + 0.15 Подлесок + 0.1 Напочвенный покров.

Методы обработки спутниковых данных включали две стадии: предварительную - устранение геометрических и фотометрических искажений, обусловленных техническими причинами и природными условиями съемки, и основную - преобразование изображений и собственно интерпретация космических снимков. Для выполнения исследований был проведен анализ банков данных спутниковой информации. Из имеющейся базы были отобраны необходимые снимки, покрывающие район исследований. Из проанализированных снимков 5 отобрано для обработки.

Выполненная затем геометрическая коррекция сводилась к приведению космических снимков к используемой картографической проекции, соотвествующему масштабу и привязке к географическим координатам, для чего был использован пакет ERDAS. Устранение фотометрических искажений, вызванных особенностью сканирования дпя Landsat снимков, было выполнено методом косметической коррекции, предложенным Криппеном [5]. Данный метод базируется на удалении шумов путем комбинации различных фильтров, выделящих чистый сигнал изображения. Устранение геофизических шумов для ERS-1/SAR снимков проводилось путем осреднения пикселей окном 3x3 пикселя Данная процедура осуществлялась с помощью другого пакета - ENVI -IDL.

Расчет вегетационного индекса проводился по отношению интенсивностей в ближнем инфракрасном диапазоне и красном участке видимого диапазона электромагнитного спектра для 5-ого и 6-ого каналов Landsat/MSS и 1-ого и 2-ого каналов NOAA/AVHRR. После приведения в соответствие с координатной системой наземных наблюдений и геометрической коррекции спутниковых данных определялись средние значения вегетационного индекса и яркостей изображений по данным NOAA/AVHRR, ERS-1/SAR, Landsat/MSS. Этими данными была дополнена матрица исходных данных наземной съемки (78 точек). Корреляция спутниковых данных с данными наземных наблюдений была исследованан для двух выборок: для всей совокупности доступных данных и для выборки точек, расположенных в глубине лесных массивов ("лесной" выборки).

5. R. Crippen (1989) "A simple spatial filtering routine for the cosmetic removal of scanline noise from Landsat TM P-tape imager/, J. Photogrammetry & Remote Sensing, vol. 55, N3, pp. 327-331.

В третьей главе "Результаты биоиндикационных оценок загрязнения лесных экосистем* проведено зонирование лесных территорий Сланцевского и Кингисеппского районов Ленинградской обсласти по состоянию хвойных деревьев на основе полевых исследований. Выделены угнетенные зоны с серьезными нарушениями лесных экосистем вследствии значительных воздушных эмиссий. Отдельные пятна и шлейфы аэротехногенных выпадений имеют субмеридианальную ориентировку и проявляются в изменениях всех изучаемых биоиндикационных параметров.

Распределение нарушенных древостоев хорошо согласуется с основными элементами структуры аномальных геохимических полей. Единственным исключением является восточное побережье Нарвского водохранилища, где сосновые леса с плотностью, необходимой по требованиям международной методики ЮР-Рогейэ, отсутствуют. Недостаток биоиндикационной информации по этой площади полностью компенсируется данными лихеноиндикации, в которых она представлена как наиболее пораженная территория зоны лишайниковой пустыни.

Анализ структуры экогеохимических полей в основных компонентах ландшафтов юго-западной части Ленинградской области, сопоставленный с официальными данными о величине техногенных нагрузок, позволяет сделать следующие выводы:

1. Зонирование лесной территории Кингисепского района по состоянию хвойных деревьев позволяет оценить экологическую ситуацию в регионе как удовлетворительную, хотя и требующую коррекции во многих локальных участках. К угнетенным относятся зоны с серьезными нарушениями лесных экосистем вследствие значительных воздушных эмиссий, под действием которых исчезают многие виды лишайников-эпифитов хвойных деревьев, сокращается продолжительность жизни хвои до 2 - 2.5 лет, возникает аномально высокое содержание серы (более 1500 г/кг) или кальция (более 5900г/кг) в хвое, тяжелых металлов во мхах.

2. Специфика загрязнения региона продуктами переработки и сжигания сланца четко прослеживается по анализу содержания тяжелых металлов во мхах (РиИКпд, Вги-теШэ, СоНэоуа, 1992 [6]): литий, бериллий, хром, железо, торий, уран во мхах встречаются в гораздо более значительных концентрациях по сравнению с Южной Скандинавией как следствие трансграничных переносов.

6. Ruhling A., Brumellis G, Goltsova N. (1992) Atmospheric heavy metal deposition in Northern Europe. Nord, 21, pp. 1-44

3. В целом, зоны активного загрязнения вокруг городов изученной территории имеют протяженность по радиусу от 4-10 до 10-20 км. Более широкий ареал загрязнения сформирован вокруг Сланцев - до 40 км в радиусе.

Следует учитывать, что спад производственной деятельности в последние годы несколько снизил темпы загрязнения воздушной и водной среды, а соответственно и почвенного покрова, хотя кумулятивные эффекты, судя по состоянию лесов,продолжают действовать и снижение нагрузок не сопровождается адекватным откликом биоценозов.

Четвертая глава "Оценка экологического состояния лесной растительност тестовой территории на основе комплексного использования дистанционного зондирования и наземных натурных исследований* посвящена классификации поверхностей и выделению лесопокрытых площадей, поиску зависимостей между наземными и космическими данными, а также составлению карты состояния лесной растительности тестовой территории.

Классификация поверхностей и выделение лесопокрытых площадей осуществлялись с помощью комплекса дистанционных данных. Карты Land-Use являются важной составной частью экологических карт, которые должны отображать изменения состояния окружающей среды. Информация Land-Use позволяет охарактеризовать ландшафтную основу экологической карты, на которую еще предстоит наложить собственно экологическую информацию (нагрузку) о состоянии лесной экосистемы либо по отдельным параметрам оценки состояния растительных объектов (индексы состояния, такие как вегетационный индекс, индекс желтого цвета, листовой индекс и т.д.), либо в виде комплексного параметра нагрузки, включающего ряд факторов, которые определяют состояние древостоев и содержат экспертную информацию.

Космические снимки высокого и среднего разрешения позволяют выделять различные типы земной поверхности, такие как водные объекты, урбанизированные территории, сельскохозяйственные угодья, лесные территории и т.д., а также выявлять непокрытые лесом участки внутри лесных территорий (вырубки, гари, болота, редины, пустоши и т.д.).

Корректность оценок деградации лесной растительности зависит от точности оконтуривания лесопокрытых территорий, поскольку изменение спектральных характеристик поверхности, вызываемые природными и антропогенными стрессами растительности, напрямую определяются не только интенсивностью воздействий, но и типом исследуемой поверхности, то есть разные объекты могут иметь одинаковые

спектральные характеристики при различных по степени и характеру стрессовых дозах. Поэтому должна обеспечиваться высокая селективность отбора, особенно в пределах областей с пониженными значениями спектральных индексов, поскольку эти понижения могут быть вызваны факторами, обусловленными иными причинами нежели активное аэротехногенное воздействие. Однако при четком оконтуривании , в конечном итоге, именно эти зоны будут являтся объектом мониторинга.

Алгоритм оконтуривания лесных массивов включает следующие операции:

• выделение лесопокрытых территорий,

• оконтуривание заболоченных территорий, и выделение растительности, ослабленной вследсвии воздействия естественных природных факторов.

Первая операция производилась с помощью снимка [.апс^аШЗЗ. Путем сочетания трех каналов (4 канал-голубой цвет, 5 канал - зеленый, 7 канал - красный) 5ыл получен цветной композит снимка 1_апс|5а1. Классификация объектов проводилась путем визуальной интерпретации, исходя из их геометрических очертаний и цвета.

Результаты классификации сопоставлялись с картографическим материалом (планы лесонасаждений и карты пожароопасности), что подтвердило их достоверность.

Вторая операция выполнялась с использованием снимков ЕРБИ/ЗАЯ и МОАА/АУНРР. Наиболее эффективно выделение заболоченных и переувлажненых /частков, а также выявление безлесных участков внутри лесных массивов производится по радиолокационным (РЛ) снимкам, поскольку комплексная диэлектрическая постоянная поверхности имеет почти линейную зависимость от увлажнения. Переувлажненные почвы действуют как хорошие отражатели и этображаются на РЛ-снимках светлым тоном. Для более точного выделения границ эолот был создан цветной композит на основе снимков 1.апс15а1 и ЕНЗ-1/8АЯ, где легко различимы урбанизированные территории, нелесные земли - с/х угодья, транспортные пути, торфоразработки, карьеры, отвалы горных предприятий; собственно лесные массивы и заболоченные участки среди них.

Из результатов исследования спектральных характеристик сосновых биоценозов складывается реальная картина снижения отражательной способности эастений , находящихся под аэротехногенным воздействием. Для более наглядного представления построены графики распределения коэффициентов отражения между ¡доровыми и угнетенными растениями (рис.1).

Интересная картина складывается для мха. Здесь различия наиболее юнтрастны. Мхи являются индикаторными растениями и активно аккумулируют 5агрязнения. Минеральное питание этих растений осуществляется через

атмосферные выпадения, что, как считают, увеличивает содержание металлов в них. Зеленый моховой покров обычно образован трех-пятилетними побегами, содержание металлов в нем отражает среднюю экспозицию за этот период. Из этого следует, что спектральные характеристики мха так же могут являтся одним из индикаторов состояния биоценоза.

Однако самым интересным фактом является общее снижение отражения на загрязненных территориях по всем измеренным типам растений, входящих в сосновый биоценоз, во всех изученных спектральных каналах. Поражаются все компоненты биоценоза, следовательно происходит его общая деградация. Наблюдается общее снижение яркости:

1 канал на 30% (0.3 - 0.63 видимый диапазон, влияние пигментов);

2 канал на 25% (0.63 - 0.8 ближний инфракрасный);

3 канал на 26% (0.8 -1.0 ближний инфракрасный, влияние структуры клетки);

4 канал на 5% (1.0- 1.75 средний инфракрасный, влияние содержания воды)

□ Здоровые древосп» ■ Зафязнениые территории

8 %

О X 200

л

& к 150 -

и с о X и * 100 -

£ 5 вз 1 50 -

Я

«е- 0 н

2 4 13

номер спектрального канала

(а)

12 3 4 номер спектрального канала (б)

Рис.1 :(а)коэффициенты спектрального отражения доминирующих растений сосновых биоценозов (А -мох, Б-сосна (кора), В-сосна (хвоя), Г-ель (хвоя), Д-подлесок лиственные, Е-напочвенный покров) ; (6) средние коэффициенты отражения для полога с учетом вклада каждого растения

Подобная картина может объясняться структурными изменениями, происходящими внутри растений, так как любые стрессовые воздействия ведут к изменению оптических свойств растений. На основе полученных результатов предложено применять установленные зависимости при интерпретации данных дистанционной космической съемки в оптическом диапазоне. Изучение вариаций вегетационного индекса для снимков 1МОАА позволило получить предварительное представление о состоянии лесов на рассматриваемой территории. Расчет производился без предварительного выделения лесных земель.

Поиск связей и зависимостей между наземными данными и данными дистанционного зондирования осуществлялся путем сопоставления здоровых древостоев {высокий вегетационный индекс) и древостев, ослабленных под воздействием воздушных загрязнений. Исследование завершилось установлением связей и зависимостей между параметрами, получаемыми многоспектральными космическими системами, и факторами, вызывающими стресс растительности.

Статистическая структура полной выборки (78 точек, 16 параметров почвы, 16 параметров мха, 1 показатель плотности суммарных выпадений, 4 биоиндикационных показателя, 6 лесотаксационных характеристик, 18 дистанционных показателей) поддается содержательной интерпретации с помощью корреляционного анализа, но до проведения сортировки данных по видам земель значимые связи устанавливаются только на доверительном уровне 95 %, а величина частных коэффициентов корреляции, как правило, незначительно превышает 0.25 - 0.3 (табл.1).

Таблица 1. Выделение зон контрастных экологических состояний по данным натурных наблюдений и дистанционного зондирования (для полной выборки)

Зоны контрастных состояний по результатам наземных исследований | Зоны контрастных состояний | по результатам ! дистанционного зондирования

Характеристика древостоев:

сомкнутость крон j SAR, все каналы Landsat

высота и диаметр деревьев i Landsat 2, 3, и 4 каналы

возраст деревьев 1 все каналы Landsat

Биоиндикация: !

дехромация и дефолиация % i NDVI Landsat

Загрязнение мхов:

суммарная плотность выпадений | NDVI Landsat

Загрязнение гумусового горизонта:

AI,Ca,Fe,K,Mg,V j NDVI Landsat

Статистическая структура "лесной" выборки характеризует собственно лесные массивы и значительно отличается от полной выборки (табл.2). Прежде всего, резко улучшается связь между переменными (коэффециенты корреляции превышают 0.60 1ри 99% доверительном уровне), что открывает возможность восстановления полей эаспространения поллютантов. Для примера на Рис.2 приведена зависимость между жачениями вегетационного индекса и дехромацией сосновых древостоев.

250 200 5 150

Z 100

50 0

OA 8«

о o8o

.0 ov

5 10 15 20 25

Дехромация (%)

Рис. 2 Зависимость между вегетационным индексом и дехромацией сосновых древостсев.

о

Таблица 2. Выделение зон контрастных экологических состояний по данным натурных наблюдений и дистанционного зондирования (для "лесной" выборки)

Зоны контрастных состояний по результатам наземных исследований Зоны контрастных состояний по результатам дистанционного зондирования

Характеристика древостоев:

сомкнутость крон SAR (г=-0.67), все каналы Landsat

высота и диаметр деревьев Landsat 2,3, и 4 каналы

возраст деревьев все каналы Landsat, NDV1, SAR (r=0.76)

Биоиндикация:

дехромация и дефолиация% NDV1 Landsat

количество индикаторных видов лишайников NDV1 Landsat

Загрязнение мхов:

суммарная плотность выпадений Landsat 3 и 4 каналы, (r=0.45)

Ва, Са, Си, Мд, в, 7п NDVP (r = 0.51)

А1, Сг, Ре, РЬ Landsat 3 и 4 каналы, (r=0.45)

Загрязнение гумусового горизонта:"

К, Мд, NDVI

Са, Си, Ре, РЬ все каналы Landsat

На основе полученных результатов построена карта степени повреждения лесов. Ее верификация выполнена путем сравнения с картой распространения ртути в лесных мхах. Наложение схемы распределения концентрации ртути во мхах и распространения ослабленных древостоев показывает, что леса с пониженным вегетационным индексом расположены внутри зоны эмиссиий, маркированных ртурью. Вне зоны шлейфа нет и "опустыненных" лесов. Аналогичные распределения имеют

(энные по составу индикаторных видов лишайников на стволах и по фодолжителности жизни хзои на ветках сосны, а также концентрации валовых и >бменных форм тяжелых металлов (ТМ) в лесном мхе. Высокое загрязнение воздуха 1ылью и окислами серы и высокое содержание токсичных ТМ в виде обменных форм в ючве и осажденных на лесном мхе за несколько десятков лет привело к изреживанию февостоев, что и видно на космических снимках.

В заключении отмечается, что в диссертационной работе показано, что вся «ученная территория испытывает значительное антропогенное воздействие, зиоиндикационные показатели позволяют выделить наиболее пораженные зоны, ¡онирование территории по этим показателям подкрепляется данными шструментального контроля. Аэротехногенное загрязнение создает серьезную угрозу 1ля растительности исследованного района и бассейна Балтийского моря в целом, так :ак страдают от загрязнений не только суша, но и острова - Малый Тютерс, Гогланд и 1ругие.

На основе данных дистанционного зондирования удалось увязать воедино >езультаты наземных экологических наблюдений, произвести ретроспективный и 1ерспективный анализ (мониторинг) на региональном и локальном уровнях и совершенствовать интерпретационную основу этого зондирования. В диссертации >боснован выбор характерных спектральных индексов и целесообразность юпользования информативных параметров для ряда металлов - приоритетных агрязнителей природной среды.

На примере Кингисеппского района выполнен анализ состояния лесов по [истанционным данным, который показал, что:

1. спутниковые данные сканеров МЭЭ (ИСЗ Ландсат) и МСУ-СК (ИСЗ " Ресурс-О") пригодны для распознавания и классификации бореальных лесов на лиственные и хвойные,

2. сравнение данных классификации по космическим снимкам с картографической основой позволяет судить об изменении состояния лесного покрова,

3. спутниковые данные регистрируют неблагоприятные изменения, происходящие в лесу под воздействием антропогенной нагрузки и в силу естественных причин (заболачивание).

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

• Зонирование территории по результатам полевых исследований позволяет оценивать экологическую ситуацию и выделять зоны контрастных состояний лесной растительности

• Спектральные характеристики растений, находящихся в различных условиях аэротехногенного воздействия, существенно различаются и могут изучаться путем наземного фотометрирования сосновых биоценозов. Эти зависимости обосновывают информативность простых спектральных индексов для тестовой территории

• Задача оконтуривания собственно лесных территорий успешно решается с помощью синергетического использования космических снимков, полученных в оптическом и радио -диапазонах

• Статистическая структура выборок данных для точек, находящихся в глубине лесных массивов, устойчива и позволяет идентифицировать контрастные состояния сосновых биоценозов с помощью комплекса многоспектральной спутниковой информации

• Карта зон контрастных состояний сосновых биоценозов, построенная по данным дистанционного зондирования, верифицирована путем наземных независимых наблюдений

Проведенные исследования показали, что корректная оценка состояния лесов возможна лишь на основе репрезентативных данных, получаемых с помощью надежной системы оперативного контроля изменений в лесных массивах и сопряженных с ними ландшафтах. Наблюдение за этими изменениями требует создания аналитических средств и методик, приемлемых по метрологическим, технологическим и экономическим показателям. Подчиняющийся единым правилам сбора информации, единой методологии и обязательной интеркалибровке комплексный метод дистанционных и наземных мониторинговых исследований позволит сформировать многопризнаковый банк данных о состоянии природной среды и ее динамике в каждой отдельной точке, регионе, стране или части Европы.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: 1. Донченко В.В. Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка экологически безопасного метода ЭСТ-диагностики для картирования зеленых насаждений Санкт-Петербурга. Всероссийская научно-техническая конференции"

Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов", г. Москва, май 1994г. Тезисы докладов, Том 4 с.71 !. Донченко В.В. Мониторинг воздействия воздушных загрязнителей на лесные экосистемы по данным методов биоиндикации и дистанционного зондирования. Международное совещание "Биологическая рекультивация нарушенных земель", г. Екатеринбург 26-29 августа,! 996 г. Тезисы докладов I. DonchenkoV.V., Gottsova N.I., Bobylev L P., Johannessen O.M., Kritsyk S.G., Pitylko V.M. Synergistic use of ERS-1/SAR and other satellite data for the polluted areas identification for boreal forests of St. Petersburg region. Proc. 3-d ERS symposium on Space at the service of our Environment, Florence, Italy, 17-21March 1997r (ESA SP-414, 3 Vols., May 1997), c. 369-375

i. Johannessen O.M., Pettersson L.., Sandven S., Kloster K„ lonov D.V., Tomofeev Y.M., Bobylev L.P., Melentyev V.V., Donchenko V.V., lonov V.V., Shalomiansky A.M. Environmental monitoring of the St.Petersburg region using ERS data. Proc. 3-d ERS symposium on Space at the service of our Environment, Florence, Italy, 17-21 March 1997r (ESA SP-414, 3 Vols., May 1997), c. 325-330