Динамика структуры ландшафтного покрова и современное состояние лесных экосистем

Dynamics of structure of a landscape cover and contemporary state of wood ecosystems

Land use changes in 1930-2013 on two test areas (the southeast of Belarus) are studied. Landscape metrics estimate a fragmentation of a landscape cover. The comparative analysis of a condition of the wood ecosystems differing with previous history of land use is made. Features of vegetation of wood ecosystems on the former arable lands are revealed.

Key words: landscape, land use, vegetation, landscape metrics

Ландшафтная структура имеет важное экологическое значение, поскольку влияет на хозяйственное освоение территории, имеет существенное значение для поддержания биоразнообразия и экосистемных услуг, связана с устойчивостью экосистем [1,2]. Значительную роль в формировании структуры современных ландшафтов приобретает антропогенный фактор, который обуславливает в лесных природных зонах сокращение и фрагментацию лесного покрова.

Фрагментацию обычно рассматривают как процесс, который включает потерю местообитаний, сокращение их размера и/или увеличение изоляции пятен местообитаний. Установлены различные, но тесно связанные, отрицательные эффекты фрагментации:

изменение абиотических условий (трансформация микроклимата, увеличение уровня шума, рост загрязнение поверхностных вод и т.д.);

прямое воздействие на фауну (рост смертности, модификация поведения, инвазии);

нарушение функционирования экосистем за счет разрушения системы биотических связей [3,4,5].

Вторым аспектом экологического значения ландшафтной структуры является эффект наследия (legacy effect), под которым понимается влияние на современную структуру и функционирование экосистем прошлых нарушений (т.е. современный экологический ответ на прошлое воздействие). Предшествующие условия (история землепользования, пожары, инвазии и т.д.) накладывают отпечаток на современный растительный покров и являются важным фактором динамики ландшафтов, изучение истории землепользования позволяет объяснять особенности современного состава и динамики лесных сообществ [6,7,8].

 Целью исследований являлось выяснение экологических эффектов, обусловленных особенностями динамики землепользования. В качестве объекта выступали лесные экосистемы природно-антропогенных ландшафтов юго-востока Беларуси.

Решаемые задачи:

изучение переходов между типами землепользования в 1930-2013 гг.;

количественная оценка с помощью ландшафтных метрик изменений структуры ландшафтного покрова во времени;

оценка фрагментации лесного покрова;

изучение влияния предшествующего землепользования на современное состояния лесных экосистем.

 Исследования проводились на двух тестовых участках, расположенных на юго-востоке Беларуси (территории, прилегающие к городу Гомелю). Участок S представляет собой прямоугольник 6,49х8,97 км (площадь 58,22 км²) с географическими координатами северо-западного угла 52^о22ʹ45ʹʹ и 30^о57ʹ03ʹʹ. Участок N – прямоугольник 5,88х12,53 км (площадь 73,68 км²) с координатами северо-западного угла 52^о29ʹ58ʹʹ и 30^о49ʹ41ʹʹ.

Для составления карт землепользования на двух временных срезах (1930 и 2013 гг.) использовались топографические карты масштаба 1:100000, космоснимки Landsat и материалы Google Earth. Привязка и оцифровка растров выполнялись в Quantum GIS 2.1.0. Для вычисления ландшафтных метрик использовался программный продукт FRAGSTATS 4.0 [9].

Полевые работы по изучению растительности проводились по общепринятой методике геоботанической съемки (метод пробных площадок). Получены характеристики растительности на 228 ключевых участках (каждый ключевой участок характеризуется описаниями на 2-5 пробных площадках).

Оценка состояния древостоя (насаждения) на ключевом участке выполнялась путем расчета индекса состояния древостоя по формуле: L_n= (100n₁+70n₂+40n₃+5n₄)/N, где n₁ – количество здоровых деревьев; n₂ – количество ослабленных деревьев; n₃ – количество сильно ослабленных деревьев; n₄ – количество усыхающих деревьев; N – общее количество деревьев (включая сухостой). Древостои с индексом состояния 90-100 % относятся к категории «здоровые», 80-89 % – «здоровые с признаками ослабления», 70-79 % – «ослабленные», 50-69 % – «поврежденные», 20-49 % – «сильно поврежденные», менее 20 % – «разрушенные».

Для оценки изменения структуры ландшафтов тестовых участков были использованы метрики ландшафтного уровня и уровня класса (лесные экосистемы) [10]: LPI – удельная площадь самого большого ареала какого-либо типа землепользования (в %); ED – отношение суммы длин границ ареалов землепользования в ландшафте к его общей площади (м/га); LSI – стандартизированное отношение суммы длин границ ареалов к квадратному корню из общей площади ландшафта (метрика формы); AREA – средняя площадь ареала какого-либо типа землепользования в ландшафте (га); ENN – среднее значение расстояния до ближайшего ареала того же типа (м); SPLIT – отношение площади ландшафта к сумме квадратов площадей всех ареалов; MESH – отношение суммы квадратов площадей всех ареалов к общей площади ландшафта (имеет максимальное значение когда ландшафт представлен одним ареалом). Кроме того, использованы метрики разнообразия: SHDI и SIDI.

Метрики ландшафтного уровня отражают изменение структуры ландшафтного покрова в целом. За рассматриваемый период на участке N значение LPI уменьшилось в 2,8 раза, а на участке S осталась на прежнем уровне. ED на участке N увеличилась в 2,1 раза, а на участке S только в 1,3 раза и т.д. Это указывает на более значительное преобразование структуры ландшафтного покрова на участке N. Общие тенденции изменений на обоих участках: а) увеличение фрагментации ландшафтного покрова (рост значений ED, LSI, MESH, SPLIT); б) увеличение разнообразия ландшафтного покрова (рост значений SHDI, SIDI).

На рисунке - изменения метрик, характеризующих фрагментацию ландшафтного покрова на территории участка N.

На этом рисунке - изменения метрик, характеризующих фрагментацию ландшафтного покрова на территории участка S.

Метрики уровня класса отражают изменения одного из типов землепользования, в частности лесных экосистем. В течение рассматриваемого временного отрезка для лесных экосистем характерны следующие изменения. Для участка S значения AREA (т.е. средняя площадь лесных массивов) сократились в 2,5 раза, а для участка N – в 4,8 раза; значения LSI (показатель сложности формы ареалов лесных экосистем) – соответственно в 1,4 и в 2,2 раза. На участке S значения LPI (максимальная площадь ареала леса) увеличились, а на участке N – уменьшились. ENN (расстояние между лесными массивами) на участке N выросло в 1,3 раза, а на участке S осталось на прежнем уровне. Значения ED на обоих участках возросли: S – в 1,4 раза, N – в 2,3 раза. Исходя из этих результатов, фрагментация и изоляция ареалов лесных экосистем на участке N за указанный период значительно увеличилась. На участке S общее разнообразие и фрагментация ландшафтного покрова также выросли, но крупные лесные массивы сохранились.

На рисунках изменения метрик, оценивающих фрагментацию лесного покрова.

На рисунках изменения ландшафтного покрова в 1930-2013 гг. на территории участка N (красный – застроенные земли; желтый – обрабатываемые земли; зеленый – леса).

Сравнительный анализ ландшафтного покрова на двух временных срезах дает возможность выяснить предшествующее состояние лесных земель в различных ландшафтах.

Для изучения влияния истории землепользования на современное состояние лесного покрова было выделено два типа динамики: сельскохозяйственные земли (пашня, сенокосы, пастбища)→ лесные экосистемы (А→Л); лесные экосистемы→ лесные экосистемы (Л→Л). Все ключевые участки сгруппированы по этим двум типам. Для каждого типа получены сводные показатели, позволяющие оценить состояние лесной растительности.

Леса на бывших сельскохозяйственных угодьях характеризуются повышенной степенью поврежденности древостоя вредителями (осины – трутовиком, сосны – раком-серянкой и корневой губкой, березы – корневой губкой). Высокая степень поврежденности обуславливает рост сухостоя, что, в свою очередь, увеличивает риск пожаров. Анализ распространения пожаров показал, что на территории тестового участка N в лесах, созданных на месте сельскохозяйственных земель, следы пожаров отмечались на 53% пробных площадок, в длительно существующих лесах – на 39%. На территории тестового  участка S в лесах, созданных на месте сельскохозяйственных земель, следы пожаров отмечены на 50% пробных площадок, в длительно существующих лесах – на 27,5%. Так, лесопосадки на территории Макеевского лесничества (находиться в пределах участка N), созданные на месте сельскохозяйственных земель и пустошей в 1940-е гг., подвержены частым низовым пожарам (до 30% площади за 10 лет).

Так выглядят леса на бывших сельскохозяйственных землях:

Оценка жизненного состояния древостоя в лесных экосистемах, различающихся предшествующей историей, показала, что степень повреждения существенно выше в лесах, сформировавшихся на сельскохозяйственных землях. Так, на большей части ключевых участков в лесах на месте бывших сельскохозяйственных земель отмечаются поврежденные (45%) и сильно поврежденные (35%) древостои, полностью отсутствуют здоровые древостои. Разрушенные древостои (Ln<20) отмечаются здесь на 5% ключевых участков.

На ключевых участках в длительно существующих лесах преобладают здоровые (25%) и здоровые с признаками ослабления древостои (30,6%). Разрушенный древостой отмечен только на одном ключевом участке (0,9%).

Длительно существующие леса:

Сравнительный анализ характеристик растительности лесных экосистем, различающихся предшествующей историей, показал, что леса, сформировавшиеся на месте сельскохозяйственных земель, имеют меньшее видовое богатство, повышенную представленность синантропных видов (в 3 раза больше, чем в длительно существующих лесах), пониженную представленность лесных видов (особенно неморальных видов), повышенную долю адвентивных видов.

Литература

1. Turner M. Landscape ecology: The Effect of Pattern on process // Annual Review of Ecology and Systematic.  – 1989. – V.20. – P.171-197.

2. Гусев А.П. Пространственно-временные изменения структуры ландшафтов юго-востока Белоруссии и их экологические последствия (на примере инвазий растений) // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: география, геоэкология. – 2014. – №1. – С. 18-23.

3. Wu J. Ecological Dynamics in Fragmented Landscapes // Princeton Guide to Ecology. Princeton University Press. – 2009. – P.438-444.

4. Llausаs A., Nogue J. Indicators of landscape fragmentation: The case for combining ecological indices and the perceptive approach // Ecological Indicators. – 2012. – V. 15. – P. 85–91.

5. Boutin S., Hebert, D. Landscape ecology and forest management: developing an effective partnership // Ecological Applications. – 2002. – V. 12 (2). – P. 390–397.

6. Turner M. Landscape Ecology: What Is the State of the Science? // Annual Review of Ecology, Evolution and Systematic. 2005. 36. P.319–344.

7. Foster D.R., Motzkin G., Slater B. Land-Use History as Long-Term Broad-Scale Disturbance: Regional Forest Dynamics in Central New England // Ecosystems. 1998. Vol. 1, № 1. Р. 96-119.

8. Gusev A.P. Land-Use History as a Factor of the Contemporary State of a Plant Cover: An Example from Southeastern Belarus // Contemporary Problem of Ecology. – 2014. – Vol. 7. – №2. – P. 182-186.

9. McGarigal K. FRAGSTATS: Spatial Pattern Analysis Program for Categorical Maps, project homepage [Electronic resource]. – Mode of access: http:// www.umass.edu/landeco/research/fragstats/fragstats.html.

Подробнее в работах:

Гусев А.П., Шпилевская Н.С. Динамика структуры ландшафтного покрова и современное состояние лесных экосистем // Геополитика и экогеодинамика регионов. – 2014. – т. 10. – Вып. 2. – С. 114-118.

Гусев А.П. Пространственно-временные изменения землепользования и динамика растительности в ландшафтах юго-востока Беларуси // Природные ресурсы. – 2014. – №1. – С. 42-50.