Вегетационный индекс лесных насаждений с аномальным ветвлением

Размещено на http://allbest.ru

Вегетационный индекс лесных насаждений с аномальным ветвлением

Лушкова П.А., Лушков А.Н., Уфимцева М.Г.

Аннотация

Ключевые слова: ВЕГЕТАЦИОННЫЙ ИНДЕКС, NDVI, ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИ АКТИВНАЯ БИОМАССА, ЗАГРЯЗНЕНИЕ, АНОМАЛЬНОЕ ВЕТВЛЕНИЕ

В результате изменения климата и деятельности человека состояние растительного покрова планеты постоянно ухудшается. Выбросы автотранспорта оказывают сильное негативное воздействие на растения из-за смеси газов и частиц пыли, содержащихся в них. Соответственно, растения, произрастающие в непосредственной близости от автомобильных дорог с высокой интенсивностью движения, особенно подвержены влиянию вредных выбросов. Наблюдения за изменениями состояния объектов окружающей среды являются актуальными на сегодняшний день [1]. Выявление влияния внешних факторов на фитоценоз определяет его структуру и функциональные свойства [2].

Для мониторинга состояния окружающей среды можно использовать метод создания индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index - нормализованный относительный индекс растительности). Это простой количественный показатель количества фотосинтетически активной биомассы. Суть индекса NDVI заключается в том, чтобы на основе космических снимков просчитать, как растения поглощают или отражают лучи инфракрасной зоны. Зеленый пигмент хлорофилла здорового растения поглощает большее количество видимых красных лучей, а клеточная структура растений отражает большее количество ближних инфракрасных лучей [3]. Диапазон абсолютных значений индекса NDVI лежит в интервале от -1 до +1. Данный индекс носит относительный характер, не показывая абсолютных значений биомассы растений, однако по нему можно судить о состоянии лесных насаждений [4].

Целью исследований являлось проследить отличия значений вегетационного индекса NDVI у аномально-ветвящихся и фоновых деревьев. Поставленные задачи: рассчитать вегетационный индекс NDVI при помощи спутниковых снимков; проанализировать многолетнюю динамику индекса; проанализировать вегетационный индекс в условиях загрязнения территории; проследить с помощью индексов NDVI, в какой момент лесные насаждения на выбранном участке подверглись повреждению.

Ялуторовский район находится в юго-западной части Тюменской области. Административный центр района, город Ялуторовск, расположен на северо-востоке от федеральной автодороги Р402 (Тюмень - Ишим - Омск) в ее непосредственной близости. В этом районе ветер, преимущественно, южный (рис. 1), поэтому интерес для исследования представляют лесные насаждения, расположенные с наветренной стороны, те, которые встречают ветер.

В зависимости от местоположения по отношению к автомобильной трассе и от направления преобладающих ветров на выбранной территории были определены 6 площадок наблюдения (ПН) (рис. 2). Видовой состав площадок представлен сосной обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и берёзой пушистой (Betula pubescens Ehrh.). Данные растения известны своей восприимчивостью к загрязнению окружающей среды [5].

ПН1 расположена в 380 м на юге от г. Ялуторовск в непосредственной близости от автомобильной дороги - 70 м. ПН2 - в 136 м на юге от г. Ялуторовск. Расстояние до дороги составляет 55 м. ПН3 заложена с противоположной стороны от дороги на удалении 400 м. По отношению к городу площадка расположена на юге в 700 м. В качестве фоновых площадок намечены ПН4, ПН5 и ПН6. Они удалены от дороги и находятся в глубине леса: ПН4 расположена в 3,6 км на западе от с. Памятное, ПН5 - в 1,5 км на западе от с. Памятное, ПН6 - в 3,6 км на юго-западе от города.

Рис. 1. Роза ветров г. Ялуторовск [6]

Рис. 2. Карта-схема расположения площадок наблюдений №№ 1-6

Для исследования состояния растительного покрова Ялуторовского района были использованы снимки спутников Landsat-5 и Landsat-8 среднего пространственного разрешения (30 м) за июль 2006-2020 годов с облачностью менее 10%, покрывающей территорию района в эти годы.

Площадки наблюдения были размечены с помощью программы SASPlanet, затем они были перенесены в компьютерную программу QGIS, ver. 3.16. В результате на каждом спутниковом снимке Landsat были получены стабильные точки.

Обработка снимков проводилась с помощью программы QGIS. Обработка снимка включала в себя радиометрическую калибровку красных (RED) и ближних инфракрасных (NIR) спектральных каналов снимков. При обработке использовалась формула расчета индекса NDVI:

где: NIR - отражение в ближней инфракрасной области спектра; RED - отражение в красной области спектра.

Со снимков были собраны средние значения вегетационного индекса по каждой пробной площадке. Размеры одной пробной площадки 120x120 метров, или 4х4 пикселя (рис. 3). Всего собраны значения вегетационного индекса по 552 пикселям со снимков. Обработка и анализ полученных данных производились в программе Microsoft Excel.

Рис. 3. Площадка наблюдения №5: общий вид и NDVI

По результатам исследования видно, что самое высокое значение вегетационного индекса NDVI наблюдалось в 2009 году на площадке наблюдения №5: 0,666 (табл. 1). Данный год в целом отмечается самыми высокими показателями индекса. 2009 год характеризуется теплым летом, средняя температура июля составила 17,8°С, а количество осадков было оптимальным.

Таблица 1. Средние значения КРУ! на площадках наблюдений

ПН4, ПН5 и ПН6 заложены в качестве контрольных точек. Они удалены от дороги, что сказывается на относительно высоких показателях индекса NDVI.

Площадки наблюдения 1 и 2, находящиеся вблизи от дороги, отличаются низкими показателями индекса (0,204 в 2014 г.), что подтверждает негативное воздействие автомобильного транспорта на вегетацию растений, усугубляемое направлением ветра. На ПН3 значение индексов несколько выше, что может быть связано с местоположением пробной площадки с подветренной стороны по отношению к автомобильной дороге.

На рис. 4 можно заметить, что в 2014 году индекс вегетации растений на всех площадках существенно ниже. Лето данного года было не жарким, средняя температура июля составляла 14,6°С, это почти на 4 градуса ниже среднегодовой июльской температуры. Годовое количество осадков было незначительно выше среднегодовой нормы [7]. Низкие показатели индекса в 2014 году можно также объяснить началом реконструкции автомобильной дороги Р402 (Тюмень - Ишим - Омск), проводившейся в период с 2013 по 2017 годы.

Рис. 4. Динамика индекса NDVI на площадках наблюдений в 2006-2020 гг.

В результате строительных работ на участке дороги около города Ялуторовск регулярно образовывались автомобильные пробки и большие скопления автодорожной спецтехники, что приводило к повышению выбросов в атмосферу загрязняющих веществ с отработавшими газами. Это привело к тому, что на деревьях у дороги стало наблюдаться массовое ослабление и усыхание насаждений, а также аномальное ветвление побегов, называемое «ведьмины мётлы». Данная аномалия приводит к изменению содержания пигментов в листьях «мётел» древесных растений, наблюдается снижение содержания хлорофилла в листьях [8]. Появление мутационных «ведьминых мётел» на деревьях непосредственно зависит от близкого расположения загрязняющих объектов к лесным насаждениям [9].

В 2018 году значения индекса возросли: можно предположить, что после реконструкции дороги движение автомобилей было рассредоточенным, увеличилась средняя скорость движения, что снизило количество вредных выбросов автомобилей.

По результатам работы, проведенной с помощью карт спутниковых снимков, была рассмотрена динамика состояния растительного покрова Ялуторовского района. Индекс фотосинтетически активной биомассы зависит от климатических условий в период вегетации растений и от антропогенных воздействий. Обнаружено, что влияние автомобильного транспорта, усиленное попутным направлением ветра, снижает уровень хлорофилла в деревьях. Выявлено, что в 2014 году в связи с усиленной антропогенной деятельностью увеличилась нагрузка на растения, в результате чего на деревьях образовались мутационные «ведьмины мётлы». Данные исследования показали, что на территориях с интенсивным движением транспорта необходимы природоохранные мероприятия, исключающие излишние притормаживания транспорта, например, четкое регулирование светофоров, мониторинг качества и состояния дорожного покрытия, а также установка шумо- и пылезащитных изоляционных экранов с наветренной стороны.

Список использованных источников

1. Акатьева Т.Г. Использование метода биоиндикации в оценке качества атмосферного воздуха // В сборнике: Современная наука - агропромышленному производству. Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвящённой 135-летию первого среднего учебного заведения Зауралья - Александровского реального училища и 55-летию ГАУ Северного Зауралья. - 2014. - С. 3-5.

2. Nesgovorova N.P., Savelev V.G., Ivantsova G.V., Purtova A.A., Ufimtseva M.G. Frameworks for formation and stability of Kurgan regional arboretum phytocenosis // В сборнике: International Scientific and Practical Conference "AgroSMART - Smart Solutions for Agriculture". Сер. "KnE Life Sciences". - 2019. - С. 1065-1077.

3. Черепанов А.С., Дружинина Е.Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика. - 2009. - № 3. - С. 28-32.

4. Рахматуллина И.Р., Рахматуллин З.З., Исхаков Ф.Ф., Серова О.В. Динамика вегетационного индекса ndvi насаждений сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях загрязнения Уфимского промышленного центра // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2019. - № 2 (34). - С. 106-117.

5. Алехина Г.П., Хардикова С.В., Верхошенцева Ю.П., Шамраев А.В, Биоиндикация качества атмосферного воздуха по состоянию хвои Pinus sylvestris L. в условиях города Орска Оренбургской области [Электрон. ресурс] // АгроЭкоИнфо: Электронный научно-производственный журнал. - 2021. - №2. - Режим доступа: http://agroecoinfo.ru/STATYI/2021/2/st 203.pdf. DOI: https://doi.org/10.51419/20212203.

6. World Weather [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://world-weather.ru/. - Дата доступа: 15.03.2021.

7. Иваненко А.С., Кулясова О.А. Агроклиматические условия Тюменской области / Учебное пособие. - Тюмень: Изд-во ТГСХА, 2008. - 206 с.

8. Ямбуров М.С. «Ведьмины метлы» мутационного типа у некоторых видов семейства Ртасеае: автореф. дис. канд. биол. наук // Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. - Томск. - 2010.

9. Рутц П.А., Лушков А.Н., Уфимцева М.Г. Влияние автомобильного транспорта на аномальное ветвление древесных пород // В сборнике: Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения. Сборник материалов КТУ Студенческой научно-практической конференции, посвящённой 75-летию Победы в Великой Отечественной войне. - 2020. - С. 145-149.

Размещено на Allbest.ru