Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 3, стр. 446-457

ВВЕДЕНИЕ

Стагнация сельскохозяйственной отрасли в некоторых регионах России привела к прогрессирующему росту площадей забрасываемых земель. В лесной зоне европейской части России на подобных участках развиваются вторичные сукцессии, приводящие к восстановлению луговой, а по прошествии десятилетий – и лесной растительности (Люри и др., 2010). В то же время во многих областях Северной Евразии на залежных и соседних с ними землях происходит внедрение инвазивных видов, вносящих определенные коррективы в сукцессионные процессы, характерные для региональных ландшафтов. К таким растениям относятся и североамериканские виды рода Solidago – S. altissima L., S. canadiens L., S. gigantea Ait, а последние два золотарника отмечены в большинстве районов Средней России, на юге Сибири и Дальнего Востока (Гамова и др., 2018; Конспект…, 2012; Маевский, 2014). Являясь исключительно агрессивными видами-трансформерами, они внесены в ряд региональных списков как особо опасные инвазивные растения, а в таких странах, как Белоруссия и Китай, запрещены к выращиванию в культуре (Брагинец, Журсиналина, 2018; Виноградова и др., 2010; Черная…, 2016). В монографии “Самые опасные инвазионные виды России (ТОП-100)” (2018) указанным видам присвоен статус видов инвазионных по полуестественным и естественным местообитаниям в центральной части Европейской России, причем S. gigantea специально отмечается в качестве одного из наиболее агрессивных инвазионных растений.

Особый размах инвазии североамериканских золотарников приобрели в последние два десятилетия (Виноградова и др., 2010; Гусев, 2017; Панасенко и др., 2018; Уфимцев, 2018; Шмелев, Панкрушина, 2019). Несмотря на внимание и интерес к инвазиям видов Solidago в последние годы, работ по картированию, адекватных масштабам этого явления на территории европейской части России, практически не проводится. Исключением является работа Н.Н. Панасенко с соавторами (2018) для Брянской области, проведенная на основе наземных геоботанических исследований, в том числе и методом картографирования на сеточной основе.

В то же время полномасштабное картирование распространения инвазивных видов Solidago на фоне общей ситуации будет способствовать целям мониторинга как залежных, так и соседствующих с ними земель, исследованию протекания на них сукцессионных процессов. Прогрессирующее разрастание золотарников также может служить в качестве индикатора синантропизации сообществ.

В статье представлены результаты анализа распространения и экспансии североамериканских видов Solidago в среднем течении р. Оки – на территории сопредельных районов, расположенных на севере Тульской, юге Московской, западе Калужской областей с использованием архива спутниковых данных Landsat.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Североамериканские виды рода Solidago – серьезные инвазивные зарастатели нарушенных мезофитных местообитаний. Наибольшее распространение в средней полосе европейской части России получили Solidago canadensis L. и S. gigantea Ait. – гемикриптофиты до 2 м высотой, формирующие плотные одновидовые травостои. Так, заросли S. canadensis имеют плотность более 300 побегов на 1 м², отдельные клоны растения могут жить до 100 лет (Гусев, 2017; Шмелев, Панкрушина, 2019). Из этих двух близких видов S. gigantea встречается реже (Мининзон, Тростина, 2018; Панасенко и др., 2018). По сравнению с S. canadensis он характеризуется более низкими темпами семенного размножения, в то же время скорость захвата новых территорий за счет вегетативного размножения у имеющего более длинные корневища S. gigantea выше, чем у S. canadensis (Weber, Jakob, 2005).

Североамериканские Solidago характеризуются высокой семенной продуктивностью и высокой всхожестью свежесобранных семянок, которые достаточно успешно формируют почвенный банк в различных типах местообитаний (Колдомова, 2018; Kundel et al., 2014).

Фенология S. сanadensis и S. gigantea описана в ряде работ (Виноградова, Куклина, 2016; Панасенко и др., 2018; Шмелев, Панкрушина, 2019). Пик цветения приходится на август–середину сентября, когда оно определяет золотисто-желтый аспект местообитаний, где вид доминирует. По данным Ю.К. Виноградовой, А.Г. Куклиной (2016), S. gigantea в Средней России зацветает в середине июля вслед за S. canadensis, отставая на 1–1.5 нед., и цветет несколько дольше – до середины октября.

Инвазивные виды рода Solidago встречаются в различных нарушенных местообитаниях – обычно там, где ранее происходило механическое повреждение поверхностного покрова – на пашнях, огородах, лугах, пустырях, свалках, карьерах, вырубках, садах, опушках, поймах рек, вдоль транспортных коридоров и т.п. (Булохов, Садик, 2015). Главными источниками заноса диаспор на прилегающие территории являются старые усадьбы, приусадебные участки и кладбища, где золотарник используется в качестве декоративного растения (Дайнеко и др., 2017). Н.Н. Панасенко с соавторами (2018) обратили внимание на то, что в луговых сообществах подселение североамериканских Solidago нередко приурочено к участкам с нарушенной дерниной (кротовины, муравейники, эрозионные промоины и обнажения, тропинки). Реже происходит внедрение в естественные ненарушенные местообитания. Как сегетальные растения на сельскохозяйственных землях виды золотарника не приживаются в условиях систематической распашки, поэтому расширение их инвазии часто связано с выводом земель из активного землепользования.

Для фитоценозов с доминированием S. canadensis оптимальны сухие и средневлажные, нейтральные и слабощелочные, хорошо обеспеченные минеральным азотом суглинистые почвы. Сообщества с доминированием S. gigantea тяготеют к местообитаниям с более высокой влажностью и трофностью почвы (Арепьева, Куликова, 2017; Булохов и др., 2017; Виноградова и др., 2010).

Развитие одновидовых сообществ золотарников происходит довольно быстро (Дайнеко и др., 2017; Панасенко и др., 2018). Появившиеся на заброшенных участках инвазивные золотарники создают монодоминантные ценозы с общим проективным покрытием до 80–100% за период от 2–3 до 4–6 лет (Булохов и др, 2017; Панасенко и др., 2018).

Наземные работы проводились в июне–сентябре 2011 г. в Венёвском, Ленинском, Щёкинском и Ясногорском районах Тульской области на участках заброшенной пашни с преобладанием пахотных серых лесных почв и оподзоленных черноземов. Исследовались залежи, на которых формируются одновидовые или маловидовые заросли Solidago. При этом подбирались участки с выраженным доминированием золотарника площадью более 100 × 100 м. Их координаты определялись по GPS и затем фиксировались на ^tmGoogle Earth. Всего было выявлено 25 участков (рис. 1).

Рис. 1.

Точки полевого обследования в Венёвском, Ленинском, Щёкинском и Ясногорском районах Тульской области, июнь−сентябрь 2011 г. (нумерация районов соответствует табл. 4).

После этого был проведен анализ изображения ареалов с золотарником на сцене спутниковых данных Landsat 5 ТМ, полученной в год проведения полевых работ (в период цветения инвазивных видов Solidago). Использовалась одна сцена Landsat 5 ТМ, полученная 27 августа 2011 г., прошедшая атмосферную коррекцию и маскирование облачности.

Спутниковые данные Landsat 5 ТМ имеют пространственное разрешение 30 м. Они доступны в 7 каналах съемки видимого и инфракрасного диапазонов спектра электромагнитных волн с периодичностью раз в 15 дней за период с 1984 по 2011 г. (https://landsat.gsfc.nasa.gov/).

Для всех пикселей в пределах ареалов золотарника (всего 643 пикселя) были определены коэффициенты отражения во всех основных каналах сцены Landsat 5 ТМ. После этого весь массив пикселей сцены Landsat 5 ТМ с золотарником был разбит случайным образом на 2 части. Одна часть (420 пикселей) использовалась для выявления специфики отражения ареалов золотарника в разных каналах съемки Landsat (обучающая выборка), а вторая часть (223 пикселя) использовалась для оценки качества установленных закономерностей (проверочная выборка). Качество оценивалось по принадлежности пикселей оценочной выборки интервалам отражения, установленным по данным обучающей выборки.

Для каждого канала съемки на основе обучающей выборки пикселей были установлены статистически достоверные диапазоны коэффициентов отражения, соответствующие пикселям с золотарником, и с использованием этих диапазонов была проведена кластеризация каналов на два класса: золотарник и другие объекты наземного покрова.

Затем результаты классификации каждого канала пересекались друг с другом. И анализ результатов пересечения (логическая операция AND) позволил выделить класс “золотарник” для тех пикселей, которые во всех каналах съемки классифицировались как “золотарник”. Таким образом, была получена карта распространения ареалов золотарника на территории исследований в 2011 г. Ее качество (точность) было оценено по данным проверочной выборки пикселей с золотарником.

После этого был проанализирован архив изображений Landsat на территорию исследований за весь период работы сенсора (с 1984 по 2011 г.). Осуществлялся поиск безоблачных изображений, полученных в августе (период цветения золотарника в регионе исследований).

Удалось обнаружить лишь 3 дополнительных изображения: за 1991 (5 августа), 1994 (22 августа) и 2006 (13 августа) гг. Все эти изображения также прошли атмосферную коррекцию. После этого был проведен анализ их сопоставимости между собой. Для этого на территории исследований было установлено 3 объекта с достаточно большим асфальтовым покрытием. Для них были определены величины отражения во всех основных каналах Landsat 5 ТМ. Сопоставление этих данных между собой показало, что величина отражения объектов во всех каналах достаточно стабильна (табл. 1), что является хорошей основой для корректной сопоставимости изображений, полученных в разные годы.

Затем изображение каждого года было подвергнуто такому же анализу, как и изображение 2011 г. (поканальной классификации на основе граничных значений, полученных для 2011 г. с последующим пересечением результатов классификации для каждого канала).

В результате были построены карты распространения золотарника для 1991, 1994 и 2006 гг. Пересечение этих карт и карты 2011 г. позволило построить карту изменений распространения видов Solidago с 1991 по 2011 г.

Все работы по детектированию контуров с преобладанием золотарника по изображениям Landsat 5 ТМ были проведены с использованием пакета ГИС ILWIS v.3.31 (https://www.itc.nl/ilwis/).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Анализ коэффициентов отражения в разных каналах Landsat 5 ТМ позволяет выявить спектральный облик растительных ассоциаций с преобладанием золотарника в период его цветения (рис. 2).

Рис. 2.

Спектральный облик растительных ассоциаций с преобладанием золотарника на сцене Landsat 5 TM (сплошная линия – среднее значение, пунктирные линии – доверительный интервал с р = 0.05).

Результаты проверки выявленных закономерностей в спектральном облике с использованием независимой выборки представлены в табл. 2.

Из материалов таблицы следует, что выявленные закономерности отражения золотарника в фазe цветения достаточно надежны для его детектирования по данным Landsat (точность детектирования превышает 92% в любом из каналов съемки).

На рис. 3 и 4 (фрагмент в увеличенном виде) представлены в генерализованном виде результаты детектирования пикселей с ареалами золотарника по изображениям Landsat.

Рис. 3.

Результат детектирования пикселей с золотарником (цветом показан год появления золотарника; черные линии – границы административных районов, нумерация районов соответствует табл. 4, синие овалы указывают на места повышенной концентрации золотарника).

Рис. 4.

Фрагмент карты распространения золотарника для северной половины Каширского района Московской области (цветом показан год появления золотарника, см. легенду на рис. 3; черные линии – границы административных районов).

В табл. 3 приведены сведения о доли контуров с золотарником в площади административных районов на территории исследований.

С использованием изложенных выше подходов подобная информация была получена для 1991, 1994 и 2006 гг. После совмещения карт распространения золотарника для всех этих лет и 2011 г. была построена карта изменений ареалов золотарника по этим годам (см. рис. 3, 4).

В разрезе административных районов нарастание площадей под золотарником представлено в табл. 4.

ОБСУЖДЕНИЕ

Распространение инвазивных видов Solidago по территории исследований является неравномерным (см. рис. 3). На основе полевых обследований было установлено, что золотарник преобладает там, где больше залежных земель. Заброшенность пашни на данной территории часто была связана с удаленностью пахотных участков от крупных населенных пунктов. Поэтому во многих местах ареалы Solidago концентрируются вдоль границ административных районов, где доля заброшенной пашни как правило выше, чем в центральной части районов (Агроэкологическое…, 2008). Подобные участки на рис. 3 отмечены синими овалами. Геостатистический анализ распространения пикселей с золотарником на территории исследований показал, что на расстоянии до 6 км от границ административных районов 5–6% всех пикселей занято золотарником, а на удалении более 10 км пикселей с золотарником в 3 раза меньше (рис. 5).

Рис. 5.

Доля пикселей с золотарником от общего количества пикселей на разном удалении от административных г-раниц.

Наибольшие площади с ассоциациями инвазивных Solidago отмечены в Тульской области – в среднем 8030.0 га на район, ниже этот показатель в Московской области – 5049.6 га на район, наименьший в Калужской области – 1565.6 га на район. Если рассматривать такой показатель, как процент площади, занимаемой сообществами видов Solidago, от общей площади района, то обращает на себя внимание разница между распространением инвазивных видов золотарника в районах, относящихся к лесной зоне, и в районах, входящих в лесостепную зону. Так, в Калужской области золотарник занимает в среднем в 2.6 раза бóльшие площади в районах, относящихся к лесостепной зоне – Бабынинском, Козельском, Перемышльском, Тарусском, Ферзиковском. Сходная ситуация наблюдается и в Московской области: южные районы – Серебряно-Прудский (лесостепной) и примыкающие к нему Зарайский, Каширский, Луховицкий – в 3.7 раза превосходят по масштабам инвазии золотарников районы, расположенные севернее и западнее (Коломенский, Наро-Фоминский, Озерский, Подольский, Серпуховский, Ступинский, Чеховский). Это может быть объяснено более благоприятными почвенно-климатическими факторами, а также увеличением площадей ранее распахивавшихся угодий. Распространенность золотарника связана и со спецификой преобладающих почв и их плодородием. По данным табл. 3, площадь, занимаемая инвазивными видами Solidago, больше в районах с плодородными тяжелосуглинистыми почвами (в частности, серыми лесными и черноземами).

Распространение инвазивных золотарников по районам Тульской области обусловлено следующими причинами. Наиболее низкие показатели присутствия североамериканских Solidago характерны для самых западных – Алексинского, Белёвского, Одоевского, Суворовского районов, характеризующихся почвенным покровом с участием сравнительно малоплодородных дерново-подзолистых почв. Для оставшихся районов значительной разницы между принадлежностью к лесной или лесостепной зонам не выявлено. В то же время распространение золотарника относительно невелико на регулярно распахиваемых участках с распространением черноземов, находящихся южнее г. Тулы (Щёкинский район) и ее окрестностей. При этом территории с серыми лесными почвами, сконцентрированные преимущественно на севере области, отличаются значительными массивами заброшенных земель и хорошо детектируются с помощью сообществ с золотарником, занимающим здесь максимальные площади.

Анализ изображений Landsat за прошлые годы показал, что ареалы золотарника присутствовали на территории исследований и в 1991 г., но они не занимали больших площадей. Площади немного возросли к 1994 г., а наибольший прирост площадей пришелся на период с 2006 по 2011 г. В этот период во многих районах и появилась большая часть (80–90%) растительных ассоциаций с преобладанием золотарника (см. табл. 4). Подобный быстрый рост площадей подтверждает закономерности, ранее установленные исследователями динамики распространения рассматриваемых инвазивных видов (Булохов, Садик, 2015; Гусев, 2017; Пещанская, 2012; Уфимцев, 2018). Следует отметить влияние и таких факторов, как постепенное повышение уровня плодородия заброшенных почв (Агроэкологическое…, 2008), способствующее расселению золотарника, а также связь с наблюдаемыми изменениями климата (Глобальный…, 2019), который в последние годы на территории исследований стал более благоприятен для североамериканских видов Solidago (теплые зимы, большая влажность воздуха и увеличившееся количество атмосферных осадков).

Полученные результаты можно рассматривать лишь как приблизительную оценку пространственных аспектов существующей тенденции распространения золотарника. На точность оценок влияет относительно небольшое пространственное разрешение использованных спутниковых данных, составляющее 30 м на местности. Ареалы золотарника размерами менее 90 м² или вытянутые ареалы шириной менее 30 м могли быть не детектированы в связи с генерализованностью изображений. Такие размеры ареалов не являются преобладающими, но также, как показали исследования в Брянской области и в Белоруссии, достаточно распространены (Булохов и др., 2011; Гусев, Шпилевская, 2017).

Результаты, представленные в наших исследованиях, отражают лишь большие контуры, где золотарник уже доминирует. Как правило, они приурочены в регионе исследований к заброшенной пашне. Но это означает, что часть небольших контуров растительности с золотарником на других угодьях могла быть нами не выявлена.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что спутниковые данные Landsat могут быть использованы для многолетнего мониторинга распространения инвазивных видов Solidago в регионе. Для этого необходимо использовать изображения, полученные в фазу цветения золотарника. Одним из существенных ограничений данного метода является влияние облачности на возможность получения изображений в необходимые даты съемки.

Установлено, что во многих случаях контуры растительности, занятые североамериканскими видами золотарника, концентрируются вдоль границ между административными районами, что, вероятно, связано со спецификой забрасывания пахотных земель. Кроме того, на их географию влияют и особенности почвенного покрова территории.

Также подтверждено, что наибольший прирост площадей под инвазивными золотарниками в районе исследований произошел в период с 2006 по 2011 г., что может быть связано как с сукцессионными процессами, так и с повышением уровня плодородия почв на заброшенных полях, а также с климатическими изменениями, которые создали в последние годы для экспансии золотарника более благоприятные условия.