Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 764-775

ВВЕДЕНИЕ

Леса, окружающие объект Всемирного природного наследия – оз. Байкал, имеют важнейшее значение для сохранения его экосистемы благодаря их водо- и климаторегулирующим, почвозащитным и другим функциям. Такая роль лесных ландшафтов предполагает глубокий контроль их состояния, в том числе – охрану от лесных пожаров. При обычных погодных условиях в байкальских лесах за год возникает около 700–900 пожаров, но в годы погодных аномалий частота горения лесов может возрастать в 3–4 раза [15]. Последствия пожаров особенно ощутимы в горно-таежных ландшафтах с высоким денудационным потенциалом и значительной водоохранной ролью для Байкала. Их разрушительное воздействие усиливается природно-климатическими особенностями горной территории, где восстановление леса и его средозащитных функций замедлено.

В настоящее время ландшафты Байкальского региона испытывают воздействие потепления климата. Рост среднегодовой температуры приземного воздуха в этом регионе существенно превышает средние значения по миру [27, 35]. Так, темп роста сезонной (май–октябрь) температуры приземного воздуха за период 1976–2015 гг. составлял +0.37°С/10 лет [31]. В связи с усилением частоты засух в зоне водосбора к 2014 г. доля поверхностной составляющей стока снизилась более чем на 50%. Причем данная ситуация сохранялась и в течение 2015–2016 гг. Наряду с этим проявляется активизация таяния льдистых пород [30]. Данные обстоятельства и рост продолжительности пожароопасного периода (в среднем до 170 дней) за последние 40 лет [19] способствуют увеличению опасности лесных пожаров в водоохранной зоне Байкала. Эта тенденция характерна не только для Байкальской природной территории, но и для других регионов Сибири. В результате многолетнего (1996–2016) спутникового мониторинга выявлено, что за этот период горимость сибирских лесов выросла [29]. Она влияет не только на темпы обезлесения в Байкальском регионе, но также и на другие, менее очевидные процессы, приводящие к ухудшению экологической обстановки и снижению качества экосистемных услуг местных природных геосистем. Среди неблагоприятных последствий – увеличение доли поверхностного стока и снижение питания его подземной составляющей, уменьшение потока скрытого тепла в форме транспирации и снижение потенциала влагообмена, разрушение почвенного покрова и ухудшение системы очистки фильтрующейся дождевой воды, размыв поверхностных отложений, подавление функции по ассимиляции загрязняющих веществ, выносу тяжелых металлов и искусственных радионуклидов, а также трансформация других природно-экологических процессов. Среди особенно ярких откликов – обнаружение корреляционной связи между горимостью лесов и появлением сакситоксина – органического вещества, поражающего байкальские губки, очищающие озерные воды Байкала. Также имеется предположение о влиянии пожаров на поток аммония и других биогенов [36], способствующих распространению спирогиры – еще одной угрозы для эндемичных байкальских губок и озерной экосистемы в целом.

В регионе проведены многочисленные лесопирологические исследования. В них рассматривается, в первую очередь, такой фактор пожароопасности, как наличие лесных горючих материалов (ЛГМ) – потенциально пожароопасных растительных остатков разной степени разложения [18]. Роль данного фактора прослеживается в современных работах по лесной экологии и лесоведению [7, 8, 34]. Отметим, что на сегодняшний день в лесной пирологии отсутствует общепринятая классификация ЛГМ, что затрудняет обработку фиксируемых в ходе лесоустройства данных [14]. Географизация данного подхода заключается в учете факторов лесопирологического “созревания” по отдельным ландшафтным комплексам, включая высотно-поясную дифференциацию, что находит отражение в современных работах по данной проблеме [15]. В Канаде и США используются национальные классификации ЛГМ и подходы к их картографированию [37, 40], имеющие свою специфику. Это затрудняет их использование в российских условиях.

На фактическую горимость лесов региона оказывают влияние не только характеристики ЛГМ территории, но также ее микро- и мезоклиматические особенности, обусловленные в значительной степени ландшафтно-геофизическими особенностями типа леса и совокупностью его лесорастительных условий. Данное обстоятельство подчеркивает необходимость исследования других факторов, влияющих на лесопирологическую обстановку, помимо собственно запасов горючих растительных материалов. Для наиболее полной и более достоверной оценки факторов, влияющих на пожароопасную ситуацию, предлагается рассматривать транспирационный потенциал типов леса. Данное предложение обосновано тем, что весь обмен водяного пара в лесу связан с испарением, перехватом осадков растительностью и транспирацией в форме переноса влаги в приземную часть атмосферы [32]. В этом проявляется роль лесного массива в формировании своего теплового режима при разных типах погод [10]. Ю.В. Карпечко и Н.Л. Бондарик [17] выявили “цену” класса бонитета в величине транспирации от общего испарения. В условиях южной полосы криолитозоны наличие льдистых пород – важнейший фактор, влияющий на бонитетные характеристики древостоя как показателя местообитания. Таким образом, лесорастительные условия влияют на температурный режим лесного массива [9]. Общеизвестно, что помимо прироста древесины транспирация зависит и от состава древостоя. Выявлено, что тепловое излучение выступает в качестве индикатора характеристик растительного покрова [39, 41]. Поэтому оценка транспирационного потенциала разных типов леса и выполненное на этой основе их ранжирование по противопожарной функции может быть произведено по результатам анализа тепловых инфракрасных снимков в форме термических характеристик дневной поверхности. Идея использования приповерхностных температур в качестве критерия дифференциации лесов бореальной криолитозоны по их противопожарному потенциалу принадлежит А.А. Медведкову [23], который опирался на вывод С.П. Горшкова [13] о том, что температура поверхности в пределах периода активной вегетации служит одним из важнейших показателей средообразующей гомеостатической функции лесов. Тогда как в подавляющем большинстве эколого-экономических работ, например, С.Н. Бобылева и А.В. Стеценко [4], климаторегулирующая роль леса рассматривается преимущественно с позиции депонирования углерода, что является недостаточным для объективной оценки экосистемных услуг лесных территорий. В связи с этим ряд эколого-экономических индексов, пользующихся популярностью [3], требуют серьезной доработки [12].

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

Современные технологии дистанционного зондирования Земли позволяют оперативно отслеживать геофизические параметры функционирования ландшафтов на различных пространственных уровнях. Применительно к рассматриваемой в статье проблеме это возможно за счет привлечения данных тепловой инфракрасной съемки и полученных на этой основе карт температур поверхности. Таким образом, тепловое изображение на основе интенсивности теплового излучения позволяет выявлять самые разные ландшафты [2].

В рамках исследования природных факторов пожароопасности особый интерес представляют условно-коренные ландшафты со строгим режимом охраны, где антропогенное влияние практически полностью исключено. В связи с чем, применительно к задачам данного исследования и учитывая степень ландшафтного разнообразия (в том числе бореальных лесов), нами в качестве репрезентативной была выбрана территория Байкало-Ленского государственного заповедника. Он располагается в области распространения прерывистой и островной вечной мерзлоты, что наряду с горным рельефом существенно повышает мозаичность природно-ландшафтных условий исследуемой территории [1]. В заповеднике представлены все основные типы природных комплексов Прибайкалья: нивальные и гольцовые, горно-таежные, лесостепные, степные и прибрежные. Самую большую площадь занимают леса (более 85%), основная часть которых представлена хвойными породами: лиственницами сибирской и Чекановского (переходным видом к лиственнице Гмелина), сосной обыкновенной, кедром сибирским, елью сибирской и и пихтой сибирской. Из мелколиственных пород встречаются осина, ивы и береза. В переувлажненных низинах и долинах широко распространены ерниковые ландшафты, а по горным склонам – заросли кедрового стланика. На них приходится около 20% территории заповедника. При ослабленной средообразующей роли лесов в криолитозоне такие ландшафты выполняют существенные защитные функции [28].

Известно, что ландшафты бореальной криолитозоны наиболее уязвимы к пожарам в летние периоды с продолжительными засухами. В данной работе нами рассматривались изображения спутниковой системы Landsat-8, полученные не только за периоды с активной вегетацией, но и с наблюдающимися стабильно высокими температурами воздуха и засушливой погодой в 2013, 2014 и 2015 гг. Так, для Байкало-Ленского заповедника отобраны летние безоблачные сцены Landsat-8. Поиск и заказ снимков осуществлялся через веб-сервис EarthExplorer. Далее проводилась обработка дистанционных данных теплового диапазона, вычислялись по стандартной формуле приповерхностные температуры и создавались картографические изображения теплового поля.

Исходя из анализа тепловых инфракрасных снимков, обобщения результатов полевых исследований в аналогичных условиях [25] и опубликованных материалов [2], было установлено, что распределение интенсивности теплового излучения зависит от мощности растительного покрова (т.е. запасов фитомассы). Данный факт получил подтверждение по результатам расчета нормализованного относительного индекса растительности (NDVI) и стандартизованного индекса различий увлажненности (NDMI) и их последующего сопоставления с картами температур поверхности. Особенность индекса NDMI – относительно высокая чувствительность к запасам влаги в растительной массе. Данное его свойство позволяет уточнять результаты расчета NDVI в части выявления старых гарей и других природных комплексов с пониженными биопродукционными характеристиками. Данные показатели позволили также оценить соотношение вегетирующей и отмершей растительности [14].

В рамках данного исследования были использованы другие материалы и методические приемы: цифровая модель рельефа (ЦМР), созданная на основе данных радарной топографической съемки SRTM; данные об административных границах заповедника, предоставленные БД по федеральным ООПТ РФ (http://geoportal.aari.ru/). Для уточнения полученных результатов были использованы различные картографические материалы и открытые данные ГИС-порталов (карта пожаров СКАНЭКС – https://fires.ru/, цифровые ландшафтные карты и др.). Для анализа и обработки данных использовалось программное обеспечение ArcGIS и QGIS.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ приповерхностных температур, показателей NDVI и NDMI и информации об очагах пожаров за экстремально жаркие летние периоды 2011–2017 гг. на территории Байкало-Ленского заповедника позволил выделить наиболее уязвимые к пожарам лесные ландшафты (рис. 1, 2). Выявлена взаимосвязь между значениями полученных показателей и фактической горимостью лесов. Отметим, что высокая мозаичность природно-ландшафтных условий местами усиливает дисперсию термических характеристик, что в некоторой степени осложняет проведение анализа полученных результатов. Тем не менее можно говорить о хорошо выраженной взаимосвязи между рассматриваемыми показателями и очагами возгорания. Ранжирование разных типов леса произвоилось по результатам анализа температурных карт, полученных путем обработки данных со спутников с Landsat-TM. В этом отношении методически мы базируемся на положении М.И. Будыко [6], что уравнение теплового баланса суши для среднего годичного периода имеет вид R = LE + P, где LE – теплота испарения (поток скрытого тепла) и P – турбулентный поток явного тепла от подстилающей поверхности. Так как параметр LE напрямую связан с состоянием и типом растительности, представляется возможным установить корреляционную связь между характеристиками растительного покрова и потоком явного тепла, выраженного в форме приповерхностной температуры. Для того чтобы оценить поведение турбулентных потоков в ходе водоэнергетического обмена, необходимо выявить их пространственное распределение над различными в биогеофизическом отношении типами подстилающей поверхности [33], что возможно выполнить с использованием ДДЗ. Подобные вопросы изучаются и с помощью самолетных исследований турбулентных потоков тепла и влаги от подстилающей поверхности умеренных широт [38, 42]. Тип леса влияет на значение приповерхностных температур и от него зависит транспирационный потенциал массива. При этом, чем выше поток явного тепла от поверхности, тем ниже поток скрытого тепла в форме транспирации. Транспирация подразумевает испарение с поверхности растительного покрова, поэтому можно говорить о том, что при увеличении значений потока явного тепла снижается роль ландшафта во влагообмене. Ландшафт с минимальным выбросом явного тепла имеет самый высокий потенциал влагообмена и более низкие значения поверхностной температуры [13, 22].

Рис. 1.

Структура таежных ландшафтов Байкало-Ленского заповедника и их противопожарная устойчивость . Составлено авторами. Пояснения к легенде см. табл. 1.

Рис. 2.

Ранжирование таежных ландшафтов Байкало-Ленского заповедника по их противопожарной устойчивости. Составлено авторами.

Все это позволило сопоставить разные типы лесных ландшафтов по их участию в водоэнергетическом обмене. На основе этого была составлена карта, отображающая структуру таежных ландшафтов Байкало-Ленского заповедника и их противопожарную устойчивость (см. рис. 1 и табл. 1). В ходе сравнительной оценки изначально выделялись и нелесные ландшафты (гольцовые и горно-тундровые), не рассматриваемые в рамках данной статьи. Отметим, что они, а также гари характеризуются в летний период очень сухими условиями и высокими значениями приповерхностных температур (35–40°С и более), что объясняется их небольшими в сравнении с лесами запасами живой фитомассы и незначительным транспирационным потенциалом. Соседство с такими комплексами приводит к тому, что гипсометрически ниже расположенные леса часто загораются от огня, очаг которого располагается выше (в нелесной зоне). Подобные явления происходили при катастрофических пожарах лета 2015 г., когда горно-тундровые ландшафты оказались источниками возгораний и фактором распространения огня на соседние ландшафты.

Выявленная взаимосвязь между потоками явного тепла и горимостью лесных ландшафтов позволила дифференцировать природные комплексы по их противопожарному потенциалу на пять основных категорий (см. рис. 2). Нами проведен анализ ландшафтно-географических факторов, обуслoвливающих противопожарный потенциал каждой из рассматриваемых категорий.

Для лесных ландшафтов с очень низкой противопожарной устойчивостью характерны относительно высокие значения (30°С и выше) приповерхностных температур и пониженные значения NDVI. Они занимают более половины территории заповедника (68.8%). В геоморфологическом отношении такие природные комплексы приурочены к долинам и межгорным понижениям, днищам котловин, низинам и склонам с незначительной крутизной, перекрытым дисперсными отложениями. Здесь формируются условия с застойным режимом увлажнения, что способствует сохранению льдистых пород и их широкому распространению. Данные факторы ухудшают лесорастительные условия, что способствует увеличению потока явного тепла в связи с пониженной транспирирующей ролью растительного покрова в рассматриваемой обстановке. Здесь получили развитие ерниковые заросли и угнетенные формы лиственнично-еловой, кедрово-лиственничной, елово-кедровой и пихтово-кедровой тайги.

Для природных комплексов с низкой устойчивостью также типичны относительно высокие значения приповерхностных температур (25°С и выше) и пониженные значения NDVI. На эти геосистемы приходится 7.2% площади заповедника, их древесная растительность представлена пихтово-кедровой и лиственничной тайгой с характерными признаками угнетенности. Данные геосистемы по своей биогеофизической роли и формирующим их лесорастительным условиям схожи с предыдущим типом. Отличие состоит в том, указанные лесные комплексы существуют в условиях лучшей дренированности и характеризуются большими запасами живой фитомассы. Более высокая степень дренированности обусловлена широким распространением обломочных пород и большей крутизной склоновых поверхностей.

Лесные ландшафты со средней противопожарной устойчивостью обладают промежуточными (в сравнении с другими) значениями приповерхностных температур (~20–25°С) и повышенными или средними значениями NDVI. Занимаемая ими площадь составляет только 2.8%. Данные комплексы состоят из кедрово-пихтовой и кедрово-лиственничной тайги оптимального развития с фрагментами лугово-степной растительности. Они приурочены преимущественно к выходам плотных карбонатных пород, перекрытых чехлом из обломочных отложений, а в рельефе представлены склоны средней крутизны и предгорные возвышенности.

Высоко устойчивые лесные ландшафты имеют сравнительно низкие значения приповерхностных температур (~15–20°C) и повышенные показатели индекса NDVI. На данные природные комплексы приходится 2.2% площади заповедника, к ним отнесены леса оптимального развития, представленные кедрово-пихтовой и сосновой тайгой. Последняя – с хорошо развитым кустарниковым подлеском приурочена к дренируемым днищам котловин, которые сложены обломочными породами. Кедрово-пихтовая тайга с наибольшими для территории заповедника запасами фитомассы получила развитие на склонах средней крутизны, выработанных в плотных карбонатных и других кристаллических породах. Общеизвестно, что наличие карбонатных пород сказывается на увеличении биологической продуктивности фитоценозов. Так, леса, произрастающие на карбонатных отложениях, обладают большими запасами фитомассы, что фиксируется по результатам оценки индекса NDVI. Такие комплексы активнее участвуют во влагообмене, что делает их климатически более значимыми.

По результатам анализа можно заключить, что в условиях продолжительных засушливых периодов наименее устойчивыми к пожарам оказываются ландшафты на льдистых породах. Это обусловлено пониженными значениями их транспирационного потенциала и ослабленной в связи с этим их водоэнергетической ролью. Так, при изучении пожаров за жаркие и сухие летние периоды 2011–2017 гг. было отмечено, что значительная часть очагов возгорания на территории заповедника приурочена к избыточно увлажненным долинным и днищевым комплексам. В таких гипсометрических понижениях формируется застойный тип водного режима, что способствуют сохранению льдистых пород. Многолетнемерзлые породы участвуют в создании особой структуры растительного покрова (угнетенность и разреженность древостоя, широкое распространение ерников, низкий биопродукционный потенциал). Это обуслoвливает повышенные термические характеристики данных ландшафтов на картах приповерхностных температур [5, 22]. В ходе экспериментальных исследований Э.П. Галенко [11] выявлено, что для разреженных лесов в малооблaчные дни в среднем величины турбулентного теплообмена (P) высоки и сравнимы с затратами тепла на суммарное испарение (LE). В продолжительные периоды с сухой погодой такие ландшафты с большими размерами межкроновых просветов быстрее прогреваются и иссушаются, вследствие чего их обводненность сильно снижается. С этим и связана высокая горимость мерзлотно-таежных ландшафтов. Также следует отметить, что определенную роль в этом играют и торфянистые почвы, которые при обсыхании минерализуются. Известно, что снижение относительной влажности воздуха на 50% увеличивает пожароопасность из-за высыхания имеющихся горючих материалов [20]. Предложенная в данной работе методика представляется важной для создания эффективной системы лесного мониторинга и предотвращения широкомасштабных пожаров в годы с экстремально засушливыми погодными условиями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам настоящего исследования можно заключить, что основными факторами, определяющими лесорастительные условия, запасы фитомассы и, как следствие, транспирационный потенциал лесов на Байкальской природной территории в пределах южной криолитозоны, являются: (1) морфометрические особенности территории, (2) состав поверхностных отложений, (3) степень дренированности почвогрунтов, (4) наличие льдистых пород и характер их распространения. Многолетнемерзлые породы ухудшают лесорастительные условия через сформированный данным фактором неблагоприятный гидроклиматический режим и обусловленный им замедленный биологический круговорот вещества. Таким образом, влияние льдистых пород проявляется в снижении биопродукционного и транспирационного потенциала лесов. Ареалы таких природных комплексов отчетливо фиксируются на картах приповерхностных температур [21]. При ранжировании бореальных лесов по противопожарному потенциалу используются средние значения приповерхностных температур относительно однородных по растительному покрову ландшафтных таксонов.

Выявлено, что более 75% территории Байкало-Ленского заповедника характеризуются наибольшей уязвимостью к лесным пожарам. Наиболее пожароопасные лесные ландшафты оказались приуроченными к долинам межгорных понижений, низинам, днищам котловин, предгорным возвышенностям и пологим склонам – в разной степени переувлажненным территориям с островами льдистых пород и низкими значениями фитомассы. Данные природные комплексы представлены ерниковыми зарослями и редкостойной тайгой, которые в летние периоды с продолжительной засухой не выполняют роль противопожарных барьеров и являются источниками повышенной пожароопасности. Указанное обстоятельство обуслoвливает необходимость учета биогеофизической специфики разных типов леса. Комплексная оценка потенциала горимости ландшафтов необходима для управления пожарной обстановкой на значительных площадях с самыми разными лесорастительными условиями. Это представляется важным для прогнозирования пожарной обстановки и проведения специальных защитных мероприятий как на территории Байкало-Ленского заповедника, с учетом его функционального зонирования, так и на остальной части водоохранной зоны озера Байкал. Полученные результаты позволяют более обоснованно подходить к прогнозу пожарной ситуации в регионе и оптимизировать выбор проводимых противопожарных мероприятий, адаптировав их к индивидуальным особенностям конкретного ландшафта.