Экосистемы средних пустынь Казахстана и их инвентаризация методами дистанционного зондирования

Методические приемы использования материалов аэрокосмической съемки базируются, прежде всего, на изучении дешифровочных признаков. Выявление дешифровочных признаков создает благоприятные предпосылки применения дистанционной информации для эталонирования природных экосистем. Крупномасштабная и сверхкрупномасштабная аэрофотосъёмки отражают частные признаки строения растительности, связанные с морфологией и размещением индивидуальных растений, мозаичностью и комплексностью растительных сообществ - служит базой для выявления количественных характеристик растительного покрова.

Результаты исследований по аналитико-измерительному дешифрированию были внедрены при лесоустройстве Казалинского и Мойынкумского лесхозов.

На основании таксационных показателей (диаметр кроны, высота и др.), установленных в камеральных условиях можно перейти к определению запасов общей древесной и поедаемой фитомассы саксаула черного и урожайности других кормовых растений, избегая трудоемких процессов полевого определения этих параметров.

Опыт работы с материалами крупномасштабной аэрофотосъемки показал значительные возможности метода дешифрирования в определении таксационных показателей.

Материалы, полученные на дистанционной основе, существенно дополняют натурные геоботанические исследования. Эталонирование тестовых участков с учетом региональных особенностей позволяет выполнить значительный объем работ по обследованию природных кормовых угодий в камеральных условиях.

Главным препятствием в широком применении аналитико-измерительного дешифрирования является нестабильность изображения различных таксационных показателей на аэроснимках, связанная с изменчивыми условиями съемки, законами центральной проекции снимка, а также значительным разнообразием природных экосистем. И, тем не менее в условиях труднодоступных пустынных регионов, использование такого метода остается достаточно перспективным.

7. Опыт составления таблиц надземной фитомассы Саксаула черного

Закономерности изменения показателей продуктивности саксаула черного от возраста и линейных параметров роста

Аналитико-измерительное дешифрирование позволяет выявить таксационные характеристики древесной, кустарниковой и травянистой растительности, но не дает данных по продуктивности. Оценка продуктивности пастбищных экосистем опирается на данные наземной таксации, позволяющей создать таблицы нормативов по надземной фитомассе. Объединение результатов крупномасштабного дешифрирования таксационных показателей с данными таблиц нормативов обеспечивает выходной информацией по урожайности и запасам кормовых растений в камеральных условиях. На основании регрессионного анализа получены таблицы нормативов надземной фитомассы саксаула черного, проведена оценка урожайности кормовых трав в черносаксауловых сообществах (Усольцев, Бедарева, 1991; Усольцев, Харитонов, Успенский, Бедарева, 1990,1993).

Саксаульники - одна из самых продуктивных формаций Земли, рассматривается многими авторами как лесной тип. Благодаря высоким эдификаторным свойствам (облигатные доминанты и кондоминанты, патулекторы и дензекторы), они создают главный слой, наиболее мощный в пустыне (занимают 4-9 м в надземном ярусе и 4-5 м - в подземном), имеют наибольшее влияние на среду, чему способствует их долговечность (30-60 лет), определяют направление смен в пределах саксаулового цикла развития (Курочкина, 1978).

Саксауловые сообщества доминируют в 36 фитохорологических единицах, выделенных на «Карте растительности Казахстана и Средней Азии» (1995). Территории с доминированием трех эколого-физиономических типов саксаульников (черносаксауловых, белосаксауловых, смешанносаксауловых) занимают 24,3% от площади пустынной зоны. В составе содоминантов и ингридиентов виды Haloxylon отмечены еще в 27 таксонах карты (Курочкина, 2003). Саксаул обладает не только топливным, но и высоким кормовым потенциалом - это ценное пастбищное растение.

Для решения задач поставленных в программе исследований в пределах пустыни Сарыесик-Атырау была заложена серия таксационных пробных площадей (45 ТДПП), выделов древостоев саксаула черного. Всего анализу было подвергнуто 17 средних значений переменных величин: Х₁-бонитет, Х₂-возраст, Х₃-средние значения высоты, Х₄-средний диаметр кроны, Х₅- количество экземпляров на один га, Х₆- сумма площадей проекций крон, Х₇-общая надземная масса, Х₈-поедаемая масса, определенная на высоте 1,2м, Х₉-общая древесная масса, Х₁₀-товарная древесная масса в расчете на один га, Х₁₁-средний диаметр кроны, Х₁₂-средний квадратический диаметр крон деревьев, м, Х₁₃- сумма площадей сечения корневых шеек, кв. см, Х₁₄- средняя площадь сечения корневой шейки, Х₁₅- средний диаметр корневой шейки, Х₁₆-расстояние между деревьями из расчета 1000 экземпляров на 1 га, Х₁₇-процент отношения товарной массы к общей.

В результате проведенного многофакторного анализа все классифицируемые пробные площади были достоверно разделены на десять классов с соответствующими усредненными показателями, о чем свидетельствует значимость расстояний рядов распределения до центра класса, превышающая 5%-ый уровень (Р>0,05). В диссертационной работе проведенная классификация интерпретирована графически. Большинство групп пробных площадей имеют вероятность попадания в однородный класс на уровне 80-100%, незначительное их количество - в диапазон вероятности от 50 до 80% (Бедарева, Хлюстов, Бедарев, 2006). В дальнейшем на основании проведенного статистического моделирования была выявлена взаимосвязь общей древесной массы саксаула черного со средней высотой и суммой площадей проекций крон.

Как закономерность отмечено уменьшение прироста общей древесной массы по мере увеличения суммы площадей проекций крон. В диссертационной работе для наглядности представлены графические интерпретации статистических моделей в свободном и фиксированном масштабах. По результатам исследования получена таблица нормативов общей древесной фитомассы в зависимости от суммы площадей проекций крон и средних высот.

Саксаул многосторонне влияет на характер своей экосистемы. Положительное влияние проявляется в его высокой продуктивности - однолетние побеги саксаула поедают многие животные, в том числе верблюды и овцы. Например, кормовая продуктивность полынно-кейреуково-саксаулового пастбища колеблется от 1,0 до 4,5 ц/га весной, летом 1,0-3,0 (2,25) , осенью 1,5-4,5 (3,0) и зимой 0,5-2,0 (1,5) ц/га. При двухсезонном использовании в среднем можно получить по 3,5 ц/га кормов. На каждой 1000 га такого пастбища при использовании 3,5 ц кормов (в среднем 20 кормовых единиц в каждом центнере) получим 3500 центнеров корма, или 70 000 к. е. Это значит, что при трехмесячном выпасе здесь можно прокормить около 520 овец (по, 1,5 к.е. на одну овцу в день). Кроме того, вполне возможен умеренный выпас стада верблюдов (Быков, 1985).

Построение статистической модели поедаемой массы саксаула черного (на высоте 1,2 м) представляет конкретный практический интерес. Задача статистического моделирования была решена в варианте: модели с возрастной градации через пять лет на пробных площадях с суммами площадей проекций крон от 500 до 5000 кв.м.

Для всех статистических моделей (500 кв.м…> 5000 кв.м) закономерными являются следующие положения:

- максимальная поедаемая масса характерна для особей в 5-летнем возрасте;

- по мере увеличения возраста отмечается снижение запасов поедаемой массы;

- кривые продуктивности для возраста 20 лет представлены слитной группой и, таким образом, различия в запасах поедаемой массы для различных значений сумм площадей проекций крон приобретают близкое численное значение (рис.3).

Численные значения поедаемой массы на высоте 1,2 м для саксаула черного представлены в таблице нормативов (табл.6). Использование двухпараметрической модели (возраст, сумма площадей проекций крон) возможна как в условиях наземной таксации саксаула черного, так и при использовании материалов крупномасштабной съемки в процессе аналитико-измерительного дешифрирования (Бедарева, 2006).



Рис. 3. Взаимосвязь поедаемой массы саксаула черного с возрастом и суммой площадей проекций крон

Таблица 6 Зависимость поедаемой массы (кг/га) саксаула чёрного от возраста и суммы площадей проекций крон

Сумма площадей проекций крон, G,м2	Возраст, лет
	5	10	15	20
500	192	67	36	24
1000	310	109	59	38
1500	410	144	78	50
2000	500	175	95	61
2500	584	204	111	72
3000	662	232	125	81
3500	736	258	140	90
4000	807	283	153	99
4500	876	307	166	107
5000	942	330	179	115

8. Закономерности возрастной динамики роста, строения и продуктивности саксаульников

Возрастная динамика средней высоты древостоев саксаула чёрного

В пустынях Казахстана сосредоточена большая часть лесов республики и составляет 81,9% покрытой лесом площади. В соответствии с функциональными особенностями, определяемыми размещением пустынных лесов и их породным составом, существуют две формы ведения хозяйства в них: защитно-эксплуатационная и пастбищная. Почти все насаждения саксаула черного (за исключением лесных культур до пяти лет являются одновременно объектами деятельности пастбищного и лесного хозяйства). Поэтому актуальными остаются такие вопросы, как определение общей древесной и поедаемой массы саксаула черного. Оценка продуктивности в лесной таксации производится по общебонитеровочным шкалам, классам средних высот, группирующим древесные породы по характеру роста.

В процессе таксации черносаксауловых пастбищ учесть индивидуальную высоту каждого дерева (куста) не представляется возможным. В связи с этим принято устанавливать среднюю высоту для всей совокупности насаждений. Многолетние опыты и наблюдения говорят о том, что лучшим показателем, отображающим качество условий произрастания, является высота насаждений в определенном возрасте.

Важным элементом исследования возрастной динамики средних высот следует считать оценку достоверности представленных материалов. Решение этой задачи осуществлено сопоставлением возрастной динамики средних высот саксаульников различных регионов Средних пустынь Казахстана с учетом I, II, III классов бонитета. Полученные результаты в виде статистических моделей роста по высоте позволяют сделать заключение о стабильных закономерностях возрастной динамики средних высот, сочетание которых с показателями горизонтальной пространственной структуры позволят глубже понять и оценить процессы формирования продуктивности саксауловых насаждений.

Возрастная динамика общей продуктивности надземной фитомассы древостоев саксаула чёрного

В работе проведено моделирование возрастной динамики запаса древостоев по 0,5-метровым ступеням высот в 30-летнем возрасте. Рассмотрение моделей различных высотных градаций показывает, что наибольшие запасы в т/га характерны для саксаульников Н₃₀=5,0 м.

Вторым элементом исследований возрастной динамики следует считать оценку достоверности (адекватности) полученных моделей. Решение этой задачи осуществлено сопоставлением полученных нами теоретических регрессий, представленных точечно, с данными из эскизов таблиц хода роста по выделенным лесорастительным районам Казахстана в диапазоне от I до III классов бонитета (рис.4).

Во всех случаях отмечается близкое друг к другу расположение линий возрастной динамики продуктивности, находящейся в допустимых пределах точности определения запаса.

Производными от возрастной динамики запаса наличного древостоя являются среднее и текущее изменение запаса.

Рис. 4. Местоположение кривых запаса саксаульников пустынь Казахстана в системе кривых возрастной динамики запаса древостоев

На рисунке 5 показано изменение с возрастом этих показателей, что позволяет рассмотреть вопрос о возрасте их совпадения, соответствующем возрасту количественной спелости, равном 30 годам. Изложенные фрагменты возрастной динамики древостоев следует рассматривать в сочетании друг с другом в разрезе уровней продуктивности, что соответствует требованиям составления стандартных таблиц сомкнутых древостоев с полнотой 1,0. Данные по модели пространственно совпадают с данными местоположения запаса (в пределах одних возрастных градаций) в различных подзонах пустынь Казахстана.

Рис. 5. Возрастная динамика текущего и среднего прироста по запасу саксаульников по 0,5 - метровым ступеням средних высот в 30-летнем возрасте древостоев

Сравнение результатов полученных по статистическим моделям с данными таблиц хода роста, построенных для саксаульников пустынь Прибалхашья, Кызылкумов, Муюнкумов и Бетпакдалы, указывает на возможность использования новых нормативов во всем спектре средних пустынь Казахстана при проведении лесоустроительных работ и расчете лесопользования (Хлюстов, Бедарева, 2005, 2006; Бедарева, Хлюстов, 2008; Бедарева, 2008).

В диссертационной работе внимание уделено вопросам самоизреживания саксаула черного. Выявлены причины процесса и дана его графическая интерпретация. Получены статистические модели саксаула черного в определении фитомассы среднего дерева в зависимости от средних высот (Бедарева, Хлюстов, 2006а; 2006б).

На основании статистического моделирования получены таблицы урожайности терескеновых пастбищ в зависимости от различных морфометрических показателей (Бедарева, Хлюстов, 2005).

9. инвентаризация и оценка экологического состояния пустынно-пастбищной растительности

Комплексная оценка методов дистанционного зондирования при инвентаризации пустынно-пастбищной растительности

Исследование лесных массивов пустынных регионов производится с целью совершенствования методов учета продуктивности, контроля состояния воспроизводства, рациональным использованием. По нашим представлениям черносаксаульники - это пустынные леса. И, несомненно, их лесной статус связан с их высокой продуктивностью, поскольку саксаул продуктивнее, чем любое другое пустынное растение, не только по запасам древесины - 85 т/га, но и по урожайности поедаемой зеленой массы - 2,5-7,5 ц/га, энергетической значимостью, фитомелиоративной ролью. Анализ космических снимков в сочетании с современным программным обеспечением существенно повышает точность и оперативность лесоустроительных работ.

В настоящее время площадь земель государственного лесного фонда пустынных областей Казахстана составляет 12427,8 тыс. га.

На долю черносаксаульников в подзоне средних пустынь приходится 2,8%. Значительная сохранность черносаксауловых массивов в подзоне средних пустынь (Сарыесик-Атырау, Мойынкум) объясняется трудностями заготовки древесины для топливных целей.

Для изучения растительности на новом качественном уровне в начале 80-ых годов разработан метод, базирующийся на дешифрировании черно-белых космических и крупномасштабных фотоснимков (Данюлис, Жирин, Сухих, Эльман, 1989). Еще раньше разработан фотостатистический метод лесоинвентаризации, заключающийся в сплошном дешифрировании космических снимков, с последующей стратификацией территории, измерительном и аналитическом дешифрировании фотопроб и таксационных выделов по выборочным аэроснимкам масштаба 1:5000 - 1: 10000, размещенным по определенной системе в соответствии с требованиями методов выборочного исследования (Данюлис, 1984). Отличительной особенностью метода является его ландшафтная основа, вследствие которой выборка планируется и осуществляется по предварительно выделенным ландшафтам.

В решении вопроса разработки и внедрения новых технологий в лесоустройство пустынных лесов Казахстана и учете кормовых ресурсов использован комплекс методов дистанционного зондирования. Каждый из рассмотренных в работе методов уникален, функционально и научно оправдан. Метод вегетационных индексов (фотометрический) позволяет оценить кормовые запасы по каждому геоботаническому и таксационному выделу. Так как в процессе фотометрирования устанавливаются взаимосвязи между растительностью и измеренными критериями их отражательной способности, то в данном случае он выступает как самостоятельный, оперативный и весьма эффективный метод дистанционного зондирования. Использование вегетационных индексов как составной части аэрокосмического съемочного аппарата позволяет совершенствовать методы измерений растительного покрова. Так, например, синхроницация аэрофотометрии с выборочной крупномасштабной аэрофотосъемкой позволили решить вопрос дифференциации урожайности по ярусам, сезонности, кормовой ценности (Бедарева, 2005).

Аналитико-измерительное дешифрирование в камеральной таксации саксауловых лесов позволяет выявить целый ряд важнейших таксационных показателей число деревьев (кустов) на единице площади, средний диаметр крон кустов, среднюю высоту насаждения, сумму площадей проекций крон, класс бонитета и возраста насаждений, общий запас древесины и кормозапас.

Накоплен большой и разнообразный экспериментальный материал по внедрению методов дистанционного зондирования в процесс лесоустроительных работ в Казахстане (Лагунов и др., 1988; Бедарев, Бедарева, Тулеубаев, 1993; Бедарева, Хлюстов, 2006; Бедарева,1990, 2008б).

В пределах Алматинской области при лесоустройстве Уштобинского и Баканасского лесхозов (1,6 млн га), а также оценке их кормовых ресурсов использовано сочетание аэрокосмических и фотометрических наблюдений.

Кзыл-ординская область - в Казалинском и Чиилийском лесхозах проведена крупномасштабная аэрофотосъемка и при лесоустройстве внедрена технология измерительного дешифрирования на площади 500 тыс. га с определением, как таксационных показателей, так и запасов поедаемой фитомассы саксула черного. Обязательное условие - привязка крупномасштабных снимков к мелкомасштабной основе.

Джамбулская область - в Мойынкумском и Коскудукском лесхозах внедрена комплексная технология инвентаризации пустынно-пастбищной растительности методами дистанционного зондирования. Элементы технологии были отработаны на опытных полигонах.

Соблюдая последовательность разработанной технологии, отмечу ее основные положения.

Выполнено контурное дешифрирование космических снимков с уточнением характеристик выделов, и, прежде всего их границ с использованием тематических карт М 1:300000 (почвенных, геоботанических, ландшафтных, карт кормовых угодий). Укрупненные таксономические единицы страты выделены на основании типов рельефа и включают соответственно несколько контуров (выделов). В результате произведенного трансформирования и масштабирования космических снимков составлена основа оперативной карты с нанесением квартальной сети и другой необходимой нагрузки, например маршрутов для осуществления аэрофотометрирования в сочетании с выборочной крупномасштабной аэрофотосъемкой.

Рассчитан оптимальный объем выборочной крупномасштабной аэрофотосъемки с учетом среднего значения площадей страт, дисперсии наиболее значимого таксационного показателя абсолютной полноты насаждений (сомкнутости крон кустов на единице площади) и заданной точности определения среднего значения этого показателя. Внедрен фотометрический метод оценки кормозапасов с использованием в качестве основы материалов космической съемки масштаба 1:270000 и 1:100000.

Внедрение технологии позволило получить тематические карты: древесной и кустарниковой растительности, кормозапасов по выделам и более крупным таксонам - стратам в масштабе 1: 300000 и план лесонасаждений в масштабе 1:100000.

Комплексное использование материалов космической и крупномасштабной выборочной съемки в сочетании с фотометрической обеспечивает создание надежной основы для оценки ресурсов пустынных пастбищ.

Разработанная технология дает достаточную точность выходных материалов и заменяет трудоемкие процессы наземной таксации, инвентаризации растительности в условиях глубинных песков

Отличительной особенностью внедренной технологии инвентаризации пустынно-пастбищной растительности на землях государственного лесного фонда является комплексный подход, заключающийся в сочетании нескольких методов дистанционного зондирования, каждый из которых обладает известной автономностью, но при совокупном использовании намного повышает точность исследования.

Объединяющим элементом любого из перечисленных методов дистанционного зондирования и их комплексного использования является наличие картографической основы, как результатата дешифрирования космических снимков.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы:

- космические снимки обладают большой информативностью, дают представление о состоянии пастбищных угодий;

- позволяют оценить дигрессионные процессы при использовании комплекса дешифровочных признаков (изменение тона фотоизображения, рисунка, текстуры и т.д.);

- позволяют выделить продуцирующую площадь пастбищных угодий и площади, подвергнутые дигрессионным процессам с целью осуществления комплекса мер направленных к стабилизации пастбищной экосистемы, ее рациональному использованию;

- в работе с космическими снимками, более обзорными и генерализованными, чем аэроснимки усиливается роль камерального дешифрирования, а для полевого утверждаются его контролирующие функции (Кравцова, 2005).

- применение материалов дистанционного зондирования повысило точность и информативность тематических карт, обеспечило их временное обновление.

Общая технологическая схема работ по дешифрированию космических снимков состоит из следующих этапов: камеральное дешифрирование>полевой контроль>уточнение в процессе камерального дешифрирования. Дешифрирование растительного покрова по космическим снимкам всегда требует полевого периода исследований, а также привлечения значительного объема ранее изданных тематических карт

Экологическая оценка дигрессионных процессов растительного покрова пустынных пастбищных экосистем с применением материалов космосъемки.

В настоящее время деградация растительного покрова в результате антропогенного воздействия происходит практически повсеместно. Растительный покров уничтожается полностью или заменяется малопродуктивными антропогенными объектами и в целом изменяется его ресурсный потенциал, снижается продуктивность, что особенно отрицательно сказывается на природных кормовых угодьях.

Эта проблема актуальна для Казахстана, так как в связи с многолетним интенсивным хозяйственным использованием растительности сократилось ее биологическое разнообразие, понизилась ресурсная значимость и функциональная роль в биосфере, а в ряде регионов антропогенные изменения привели к экологическому кризису. В настоящее время в Казахстане площадь сбитых и заросших непоедаемыми и ядовитыми растениями пастбищ превышает 1,2 млн га.

Чрезмерный выпас один из факторов оказывающих влияние на почву пастбищной экосистемы, а через нее и на растения. Особенно опасно рыхление и разбивание почвы. Одной из причин перевыпаса является недостаточная обводненность пастбищ. Скопление скота вблизи водоемов приводит к разбиванию почвы и появлению подвижных песков вокруг колодцев, в результате образуются пояса, соответствующие различным стадиям пастбищной дигрессии. Обычно размеры такого пояса составляют 5-6 км. Такой процесс получил название, по определению Харина Н.Г. (1975), “опустынивание вокруг колодцев”. Для оценки состояния растительного покрова особенно информативен картографический подход, позволяющий качественно и количественно охарактеризовать изменения, обусловленные антропогенным и природным воздействиями.

Исследования по экологической оценке состояния природных кормовых угодий проводилась в динамике, и включали несколько этапов: 1) определить районы, подвергнутые интенсивному антропогенному воздействию, составить карту результатов этого воздействия; 2) выявить категории пастбищных земель, которые необходимо исключить из пастбищного фонда, исходя из объективных показателей; 3) оценить направленность происходящих в них процессов (выявить критерии нарушенности растительного сообщества). Нужно отметить, что исследования по двум первым пунктам были проведены практически по всем пустынным лесхозам Казахстана (12 млн га), в результате камерального дешифрирования космических снимков (с последующей проверкой в полевых условиях) более 42 % площади земель гослесфонда были отнесены к зоне пастбищной дигрессии, интенсивного засоления и затакыривания и около 58 % - к продуцирующей зоне. По результатам исследования коллективом авторов был издан буклет карт пустынных лесхозов (Лагунов, Успенский, Бедарева и др., 1990).

Используя результаты собственных исследований и опыт, накопленный в исследованиях зон экологического неблагополучия, дигрессионных процессов разработаны качественные и количественные критерии антропогенной нарушенности растительного покрова, определено экологическое нормирование (Огарь, Бедарева, 2008). Качественные критерии представляют стадии деградации растительных сообществ в ряду антропогенной трансформации по комплексу признаков, характеризующих негативные изменения покрова. Выделяются следующие градации нарушенности сообществ по 5-ти бальной системе.

Качественные критерии: 0 - фоновая (неизмененная). Характерна для коренных (климаксовых или условно коренных), квазиклимаксовых зональных сообществ и субклимаксовых интразональных, являющихся дериватами данного климатипа растительности и эталонами биоразнообразия и структуры. В настоящее время их практически не сохранилось. Поэтому к этой категории мы относим также сообщества малоизмененные (условно фоновые), не испытывающие антропогенного воздействия, разногодичная динамика которых соответствует диапазону природных циклических флуктуаций;

1 - слабая степень нарушенности. Слабые внешние проявления изменений в состоянии габитуса отдельных видов; исчезновение редких или особо чувствительных видов; уменьшение количества лишайников; ветоши и опада. Растительные сообщества на этой стадии нарушенности характеризуются относительной полночленностью флористического состава и структуры; хорошим жизненным состоянием (виталитетом) большинства видов; нормальной генеративностью (семенное размножение). Динамика имеет характер природных флуктуаций, сохраняется способность к самовосстановлению при существующих нагрузках;

2 - умеренная степень нарушенности. Состав видов - доминантов сохраняется, но изменяются отдельные структурно-физиономические характеристики сообществ; происходит изменение в видовом составе сообществ в сторону усиления фитоценотической роли более ксерофитных видов; ухудшается жизненность видов; происходят морфологические изменения органов растений; средненарушенные сообщества неполночленные флористически (выпадение кормовых и других ценных видов), с участием сорных видов, разреженным травяным покровом, удовлетворительным жизненным состоянием особей при незначительном механическом повреждении, удовлетворительной генеративностью, снижением задернованности почвы на 10-25%; динамика имеет характер направленных сукцессий; способность к самовосстановлению возможна при ограничении или смягчении нагрузок;

3 - сильная степень нарушенности. Происходят изменения в видовом составе доминатов и эдификаторов - доминируют стержнекорневые, корневищные, вегетативноподвижные виды; видовой состав сообществ сильно изменен и обеднен - увеличивается число малолетних, синантропных (пасквальных, рудеральных, сорных видов) (более 50%); появление новых сообществ; опад и ветошь отсутствуют; компоненты сообщества обладают слабой генеративностью; сообщества характеризуются разреженным травостоем и сниженной задернованностью почвы более чем на 50%; динамика имеет характер катастрофических сукцессий; способность к самовосстановлению возможна при полном прекращении нагрузок;

4 - очень сильная степень нарушенности. Катастрофические изменения растительности, вплоть до гибели коренных сообществ; сообщества характеризуются полностью измененным флористическим составом и структурой, незначительным участием видов аборигенной флоры, сильно изреженные или имеющие достаточно высокое проективное покрытие (не менее 30%); динамика имеет хаотический характер; не способны к самовосстановлению без специальных мероприятий по фитомелиорации.

Естественно, что ряд градаций нарушенности растительности наблюдается только в тех случаях, когда интенсивность антропогенного воздействия не превышает допороговые величины, приводящие к одномоментному уничтожению растительности (или чаще надземной части растений), что имеет место при сенокошении, распашке, вырубке, пожарах, различных техногенных механических и химических воздействиях.

При разовом воздействии, приводящем к уничтожению растительности, какой либо территории, используются площадные показатели оценки степени трансформации растительности. Получена таблица количественных и качественных критериев нарушенности растительных сообществ.

Результаты исследований по выбору критериев нарушенности растительного покрова, его экологического состояния в разных природных зонах показали, что некоторые критерии являются общими для всех типов растительности, отдельные для конкретных факторов воздействия, например, выпаса, дорожной дигрессии, специфические критерии используются применительно только к конкретным типам растительности.

К общим критериям относятся следующие:

- подавление (угнетение) жизненного состояния растений (изменение соотношения вегетативных и генеративных особей; изменение морфологических параметров и габитуса; нарушение соотношения цикла и прохождения фенологических фаз);

- изменение соотношения и фитоценотической роли в сообществах (изменение проективного покрытия; смена доминантов - содоминантов или увеличение фитоценотической роли сорных и дигрессионных видов);

- изменение качественного состава сообщества (инвазия новых, в том числе сорных видов); выпадение ценных (кормовых, лекарственных и других) видов; изменение вертикальной и горизонтальной структуры сообщества; изменение экобиоморфологического состава видов в сообществах, изменение соотношения экоморф; замена коренных видов сорными).

На первый взгляд предложенные критерии статичны и оценивают экологическое состояния растительного сообщества в данный момент времени. Однако критерии стадий - умеренная, сильная, очень сильная - позволяют прогнозировать ситуацию и направленность развития сообщества. Поэтому больший интерес представляют динамические критерии проявления зон экологической нестабильности, а выявить их возможно только в результате сравнительного анализа разновременных аэро- космических снимков (Виноградов, Кулик, Сорокин, Федотов, 1998).

В данной работе для анализа динамики дигрессионных процессов использованы космические снимки М 1: 300000 двух сроков съемки с интервалом в 14 лет - 1989, 2003 территории Уштобинского лесхоза Алматинской области, площадью 779, 4 тыс.га. В основу исследований были положены уточненные фотосхемы разных лет, тематические карты разных лет изданий: карта-схема лесонасаждений 1993; карта лесного фонда Казахстана 2003.

В географическом плане лесхоз занимает южную и юго-восточную части песчаного массива Сарыесик-Атырау. В работе использованы карты-маски, то есть разгруженные карты, на которых отображена информация, представляющая тематический интерес.

Для сравнения взяты архивные авторские материалы: карта-схема, отражающая дигрессионные процессы (1990) (южная часть лесхоза) и базовая карта растительности. К сожалению, сравнить всю территорию лесхоза невозможно, так как за продолжительный период времени изменились административно-хозяйственные границы не только Уштобинского лесхоза, но и многих других лесхозов пустынной области Казахстана.

В ретроспективе базовый вариант карты растительности (1990), фиксирующий состояние растительности южной части лесхоза был рекомендован для разработки и решения широкого спектра экологических проблем: комплексных, ресурсно-экологических, природных - например, проблемы соотношения лесных и нелесных площадей для целей поддержания экологической стабильности в регионе оптимального использования и воспроизводства лесов. Такие моменты особенно важны для пустынных лесхозов. Стадии сукцессионных рядов послужили основой для разработки растительных индикаторов состояния косных компонентов среды и экосистем в целом, поскольку каждая стадия характеризуется объективными сравнительными признаками, возможна стандартизация индикаторов, отвечающая различным практическим потребностям при создании системы экологического мониторинга (Бедарева, 2004). Доминирование эфедровой, эфедрово-изенево-еркековой ассоциаций рассматривалось как индикатор дигрессионных изменений в растительном покрове пастбищных угодий. Основная продуцирующая площадь лесхоза была представлена белоземельнополынно-терескеновой и белоземельнополынно-эфедровой ассоциациями. Второй вариант карты отражал пастбищную дигрессию и давал представление о наличии такыров и солончаков. По наибольшей площадной представленности той или иной из названных категорий в различных частях территории лесхоза выделены соответствующие зоны: засоления, затакыривания, пастбищной дигрессии и слабозакрепленных песков (рис. 7).

Площадь зоны пастбищной дигрессии составляла 24% и была отнесена к зоне экологического риска. Зона затакыривания составляла 9%, также исключалась из пастбищного оборота в связи с незначительными кормовыми запасами и угрозой дефляции. Площадь продуцирующей зоны составляла 67%, и эта территория рассматривалась как зона экологической нормы. Были даны рекомендации по прекращению пастьбы скота и внедрению мероприятий по восстановлению пастбищ (Бедарева, 2005б; Байтулин, Бедарева, 2007). Это то, что касается первых двух карт архива. В них отражены статичные критерии, как в отношении растительности, так и зон экологического риска. Несомненно, такие карты очевидны и полезны при оценке экологической ситуации в данный момент времени. И конечно на них можно опираться еще в течение ряда лет.

Важным элементом подобных исследований является определение критериев антропогенной трансформации растительного покрова как фактора, определяющего возможные пути реабилитации экосистемы. Растительность при этом выступает как самый сверхинформативный компонент экосистемы, благодаря своим физиономическим и индикационным свойствам. В камеральных условиях по результатам дешифрирования космических снимков с использованием тематических карт и данных натурных исследований были выполнены несколько вариантов карт Уштобинского лесхоза Алматинской области: карта современного или актуального состояния растительности, карта современного состояния территорий подвергнутых пастбищной дигрессии, карта лесов (2003) (рис. 6, 8).

Обратимся к карте современного состояния растительного покрова Уштобинского лесхоза (рис.6). Попытаемся определить направленность процессов изменения растительности, пользуясь разработанными критериями нарушенности растительного покрова; дадим оценку дигрессионным процессам в совпадающей территориально южной части лесхоза. Для большей иллюстративности карты зон пастбищной дигрессии (1990, 2003) совмещены территориально в районе совпадения границ (рис 7, 8).

Легенда к карте растительности Уштобинского лесхоза.

Южная часть лесхоза занята смешанносаксауловыми. Это, прежде всего совокупность серий сообществ осоково-белоземельнополынно-смешанносаксауловых (Haloxylon aphyllum, H. persicum, Artemisia terrae-albae, Carex physodes) и псаммофитнокустарниковых (Calligonum aphyllum, Salsola arbuscula) на слабозакрепленных бугристых и бугристо-грядовых песках с наличием в составе Ammodendron bifolium, Kracheninnikovia ceratoides, а также Artemisia santolina, A. albicerata (контур1).

В юго-западной части лесхоза крупный массив представлен совокупностью серий сообществ белосаксауловых (Haloxylon persicum, Carex physodes) и псаммофитнокустарниковых (Calligonum aphyllum, C. leucocladum) с преобладанием Astragalus brachypus, Ammodendron bifolium, Kracheninnikovia ceratoides, Artemisia albicerata на закрепленных бугристо-грядовых песках (контур2). В южной части лесхоза заметную роль играют полынные сообщества (Artemisia scoparia, Vexibia alopecuroides, Ceratocarpus utriculosus, Kracheninnikovia ceratoides) на разбитых песках (контур5). В западной и центральной частях господствует совокупность серий сообществ псаммофитнокустарниковых (Ammodendron bifolium, Astragalus brachypus, Calligonum aphyllum, Ephedra lomatolepis, Agropyron fragile, Kochia prostrata, Artemisia terrae-albae) и терескеновых (Kracheninnikovia ceratoides, Kochia prsotrata) на слабозакрепленных песках в сочетании с черносаксауловыми (Haloxylon aphyllum) сообществами (контур 3).

В центральной и западной частях вновь представлена совокупность серий сообществ псаммофитнокустарниковых (Ammodendron bifolium, Astragalus brachypus, Calligonum aphyllum, Ephedra lomatolepis, Agropyron fragile, Kochia prsotrata, Artemisia terrae-albae) и терескеновых (Kracheninnikovia ceratoides, Kochia prostrata) на слабозакрепленных песках в сочетании с биюргуновыми сообществами на такыровидных почвах (контур 4).

Совокупность серий сообществ полынно-псаммофитнокустарниковых (Haloxylon persicum, Kracheninnikovia ceratoides, Artemisia terrae-albae) и житняково-белоземельнополынных (Artemisia terrae-albae, Agropyron fragile) на закрепленных полого- бугристых песках: а)Calligonum aphyllum, Ammodendron bifolium, Astragalus brachypus, Artemisia songarica, A. albicerata занимают северную, ранее неисследованную, часть массива (контур 9). Здесь же располагается совокупность серий сообществ белоземельнополынно-терескеновых с Ephedra lomatolepis, Kochia prsotrata, Carex physodes и саксаулово-псаммофитнокустарниковых (Calligonum aphyllum, Astragalus brachypus, Atraphaxis replicata, Haloxylon persicum, H. aphyllum) (контур 10).

Псаммофитнополынные и псаммофитнозлаковые занимают западную надпойменную террасу р. Каратал: кустарниково-эфедровые (Ephedra lomatolepis, Kochia prsotrata, Carex physodes Artemisia scoparia, Kracheninnikovia ceratoides, Dendrostellera arenaria, D ammodendron) сообщества на разбитых песках (контур 11).Серия житняковых сообществ (Agropyron fragile, Kracheninnikovia ceratoides, Dendrostellera arenaria, D. ammodendron, Catabrosella humilis) на выположенных мелкобугристых песках (контур 12).

Рис. 6. Карта современного состояния растительности Уштобинского лесхоза

Другие эдафические варианты растительности. Петрофитные. Серии злаково-полынных с эфемероидами сообществ (Artemisia sublessingiana, A. juncea, A. terrae-albae, Stipa hohenackeriana, S. Richteriana, S. caucasica, Ephedra intermedia, Acanthophyllum pungens, Atraphaxis compacta, Cerasus tianschanica с Poa bulbosa, Carex pachystylis) приурочены к восточным окраинам лесхоза (6 контур). Пелитофитные. Ковыльно-полынные с эфемероидами (Artemisia semiarida, Stipa sareptana, S richteriana с Poa bulbosa) занимают промежуточное положение между петрофитными ( контур 7).

Растительность долин рек, дипрессий побережий.

Гипергалофитные. Солянколосниково-селитрянково-гребенщиковый ряд. Сообщества тростниковые (Phragmites australis) - однолетнесолянковые (Salicornia europaea, Suaeda heterophylla, S. salsa) -соляноколосниковые (Halostachys caspica) - селитрянковые (Nitraria schoberi) - гребенщиковые (виды Tamarix) (контур 8).

Пойма реки Каратал представлена ивовыми с Rosa laxa, R Alberti, Lonicera tatarica, Rubus caesius> кустарниково-лоховыми (Elaeagnus oxycarpa, Salix wilhelmsiana, Halimodendron halodendron, Tamarix ramosissima), злаково- разнотравными (Glycyrrhiza uralensis, Leymus multicaulis) - однолетнесолянково- злаковыми (Phragmites australis, Aeluropus litoralis) >черносаксауловыми (Haloxylon aphyllum) (контур 13).

Естественно за такой значительный промежуток времени в растительном покрове произошли изменения - это проявилось в несовпадении контуров, а в некоторых случаях и изменении их качественного состава. Воспользуемся разработанной системой качественных и количественных показателей нарушенности рассматриваемых экосистем.

Опасения внушали значительные площади в резервной зоне, занятые эфедровыми, эфедрово-изенево-еркековыми, иногда с кустарниками. Кустарники по сравнению с другими жизненными формами фитоценозов пустынь самая устойчивая синузия по отношению к антропогенным воздействиям. В этом плане следует отметить положительные перемены в резервной зоне усиление роли серий сообществ псаммофитнокустарниковых при отсутствии доминирующей роли эфедры. Отмечено хорошее возобновление кустарников. В целом это означает значительное повышение кормового потенциала (контур 2) (рис 6.). Эту территорию можно охарактеризовать как зону экологической нормы. Однако, применяя систему критериев, следует отметить неполночленность фитоценозов, значительное изреживание терескенников, выпадение из травостоя полыни белоземельной, появление рудеральных сорнополынных группировок - умеренная степень нарушенности.

Оценивая ситуацию, экосистему смешанносаксаульников можно отнести сразу к двум категориям: умеренная степень нарушенности, так как не произошла смена доминанта сообщества. И одновременно элементы сильной нарушенности: доминант отличается слабой генеративностью, изреженностью; пески слабозакрепленные (изменение дернины <40%), присутствуют разнополынные рудеральные группировки растительности. Сообщества характеризуются низким видовым составом (10-15 видов), малым проективным покрытием (до 20%) и слабо выраженной ярусностью. Современное состояние неудовлетворительно, саксаул слабо возобновляется, так как происходит разбивание песков при выпасе. Заросли саксаула вырубаются. Явное усиление дигрессионных процессов (контур 1). За прошедшие 14 лет саксауловые сообщества Уштобинского лесхоза не приобрели статус заповедного режима.

Южная часть лесхоза по-прежнему остается зоной экологического кризиса: здесь наряду со смешанносаксауловыми присутствуют сообщества, явно утратившие статус пастбищного угодья (контур 5). Очевидно, что произошла смена условно-коренной растительности. Полное изменение структуры и флористического состава растительного сообщества. Господство сорно-рудеральных фитоценозов - метельчатополынные, брунцовые (ядовитые), эбелековые с крайне разреженным терескеном. Уничтожение дернины <60% - пески разбитые. Очень сильная степень нарушенности.

В северной, ранее неисследованной части, наряду с условно-коренной растительностью отмечены варианты засорения, в частности, контур 9- сорнополынные сообщества. На разбитых песках идет процесс зарастания дендростеллерой, развиты эрозионные процессы (контур 11).

Сопоставление разновременных космоснимков позволило выявить изменения линейных размеров территорий пастбищной дигрессии, охватившей южную часть Уштобинского лесхоза и индексировать по качественным и количественным критериям состояние исследуемой территории (рис.7, 8)

В качестве дешифрируемого признака выбитого участка пастбищ (толока) был взят яркостный контраст между толоком и фоном. Были замерены яркостные контрасты в красном участке спектра толок-фон в различные периоды вегетации для саксауловых пастбищных массивов. Величина контраста определялась по формуле (Виноградов, 1984):

, (2)

где Rт - коэффициент яркости толока,

Rф - коэффициент яркости фона.

Наибольший контраст толок-фон наблюдается в период весенней вегетации эфемеров и эфемероидов на песчаных саксауловых пастбищах.

В структуре толока - три выраженных зоны, которым соответствуют различные стадии пастбищной дигрессии: зона - характеризуется наибольшей оптической контрастностью и практически полностью лишена растительности, зона - в видовом составе представлены растения-индикаторы - показатели дигресионных процессов (Peganum harmala, Сeratocarpus utriculosus), зона характеризуется преобладанием фоновой растительности.

Рис.7. Карта зон затакыривания, пастбищной дигрессии, резервной зоны Уштобинского лесхоза (1990г.)

- пятна дигрессии - резервная зона (толоки); (продуцирующая);

-скотопрогонные тропы; - зона затакыривания;

- граница зон; - зона пастбищной дигрессии.

Зона не обладает большой яркостной контрастностью по сравнению с зоной и на космических снимках представлена шкалой серых тонов, т.е., нет однозначного соответствия между плотностью изображения и типом зоны.

Особенностью рассматриваемой территории является явное преобладание толоков в южной части в связи с достаточной обводненностью территории. Прошедший период времени позволяет оценить линейные параметры увеличения толоков. В среднем увеличение размера толоков произошло на 0,5-1,0 км. Во многом изменение линейных размеров зависит от характера размещения толока, скажем его популярности в плане посещения, особенно, если в центре находится колодец, наличия скотопрогонных троп, его исходных размеров и других показателей.

Рис.8. Карта зон затакыривания, пастбищной дигрессии, резервной зоны Уштобинского лесхоза (2003).

На территории лесхоза была выделена зона затакыривания, представленная двумя фрагментами: вдоль западной границы лесхоза и второй фрагмент - северная и северо-восточные части (рис. 7).

Западный участок под влиянием перевевания слабозакрепленных, разбитых песков утратил свое существование, как затакыренный и представлен в настоящее время псаммофитнокустарниковой растительностью, на северном, северо-восточном участках значительно сократилась площадь затакыривания (более 50%), хотя такыровидные комплексы с моноценозными группировками биюргуна присутствуют на его территории.

Использование ГИС-технологий позволило выявить приуроченность групп фитоценозов к почвам легкого гранулометрического состава (псаммофиты), также выделить пелитофитный, гемигалофитные, петрофитные эдафические варианты растительности, оценить разнообразие сообществ (ассоциаций) в различных эдафотопических условиях, определить их местонахождение, выявить степень их участия в растительном покрове территории (Паракшин, Паракшина, Бедарева, 2007, 2008; Паракшин, Бедарева, 2007).

На основании дешифрирования космических снимков и карты современного состояния растительности проведен анализ экосистемного разнообразия территории:

1) экосистемы на слабо закрепленных бугристых и бугристо-грядовых песках (контуры 1,3, 4);

2) экосистемы на закрепленных бугристо-грядовых песках (контур 2);

3) экосистемы на закрепленных полого-бугристых песках (контур 9);

4) экосистемы пониженных равнин: солонцов, солончаков, такыровидных почв (контур 8);

6) антропогенно-трансформированные экосистемы на разбитых песках (контур 5,11);

7) экосистемы на выположенных мелко-бугристых песках (контур 12);

8) экосистемы надпойменных террас и речных долин (контур 13) (Богачев, Бедарева, Дускаев, 1997; Романекова, Бедарева, 2005).

Экосистемное разнообразие обследованной территории сохранилось, несмотря на то, что на локальных антропогенно-нарушенных участках целостность и дискретность экосистем нарушена, а отдельные компоненты (растительность, почва) в значительной степени трансформированы. Этим и обусловлено выделение особого типа антропогенно-трансформированных экосистем, что важно при оценке дигрессионных процессов. В отличие от природных экосистем, естественное возобновление ботанического разнообразия в них почти невозможно. Кроме того, более 70% территории представлены слабозакрепленными песками, что обуславливает развитие процессов ветровой эрозии (Юсов, Бедарева, Паракшина, 2008). Поэтому такие территории всегда будут находиться в зоне экологического риска - необходима фитомелиорация.

Для частичного восстановления ботанического разнообразия на территории Уштобинского лесхоза необходимо соблюдение строгих нормативов природопользования. Наличие приемлемых лесорастительных условий позволяет выращивать лесные культуры саксаула черного и саксаула белого. К сожалению, на данном этапе - это невозможно, так как в течение ряда лет (сдвоенные, строенные периоды по годам) на территории Уштобинского лесхоза, да и в других саксауловых массивах наблюдался неурожай семян. Поэтому отбор семян для проведения селекционных работ, создания культур не представляется возможным. Более того, возобновление саксаула на вырубках имеет порослевой характер. В этом случае растения уже в возрасте 30 лет при диаметре корневой шейки 16 см и более разрушаются, не достигнув возрастной спелости. Это результат варварских рубок с применением тросов. Практически все выделенные экосистемы в той или иной степени антропогенно-трансформированы.

На территории лесхоза на долю саксаула приходится примерно 40% территории, он выделен в виде четырех массивов, наиболее крупный расположен на юго-западе, остальные занимают небольшие площади.

Распределения возрастных групп саксаульников лесхоза представляют довольно пеструю картину. Известно, что популяция только тогда имеет будущее, если представляет собой убывающей ряд геометрической прогрессии (Бедарева, Курманская, 2003). В частности в подросте динамические тенденции отсутствуют, хотя скорее носят отрицательный характер. За период 2003-2008гг молодняки на территории лесхоза практически были уничтожены; отсутствует возобновление саксаула - это в первую очередь связано с интенсивной пастбищной нагрузкой в южной части лесхоза, здесь наиболее ярко выражены дигрессионные процессы. Среди средневозрастных и приспевающих саксаульников можно отметить положительную динамику, их площади увеличились на 7808 га и 97 га соответственно. Для спелых и перестойных саксаульников за отчетный период фиксируем отрицательную динамику (-1643 га по сравнению с 2003г). Практически общая площадь лесхоза, покрытая саксаулом черным, сократилась на 1643 га за 5 лет и составляет в настоящее время 94932 га (табл.7).

Таблица 7 Анализ динамики распределения саксаульников Уштобинского лесхоза по возрастным группам, га (по данным Алматинского областного акимата, 2008)

Группы возраста саксаула черного	Годы учета ЛФ	Разница + -
	На 01.07.2003г.	На 01.01.2008г	Площадь, га.	%
Подрост	7905	0	-7905	-100
Средневозрастные	40859	48667	7808	19,1
Приспевающие	20739	20836	97	0,5
Спелые и перестойные	27071	25428	-1643	-6,1
Итого	96574	94931	-1643	-1,7

На мой взгляд, саксауловые леса Казахстана следует отнести к экосистемам 1-ой категории охраны. Хотя, задолго до моего предложения на территории Казахстана с 29.04 2004 года действует 10-летний мораторий на рубки главного пользования в саксауловых лесах государственного лесного фонда. Мораторий повсеместно нарушается.

Таким образом, общая тенденция, охватившая все саксауловые массивы, не миновала и эту территорию. В связи с исключительной ценностью и многовековым использованием саксаульники претерпели значительные изменения. В настоящее время отмечено значительное сокращение их ареала, биоразнообразия, практически полное исчезновение высокополнотных зарослей с запасом топливной древесины до 40 тонн на гектар. При современных условиях экологической и экономической нестабильности усилено бесхозяйственное и невосполнимое истребление этих лесов, их деградация также усугубляется в результате интенсивного пастбищного использования при иссушении пойм пустынных рек, распашке и засолении пахотнопригодных почв, при ветровой эрозии и беспощадной вырубке на топливо.

...