Динамика состояния эфемерной и эфемероидной растительности юга Казахстана по данным MOD13Q1A1(NDVI) периода 2000-2022 гг.

Динамика состояния естественного травяного растительного покрова юга Казахстана представляет значительный интерес, как с точки зрения анализа влияния антропогенного фактора, так и многолетних изменений погодных условий (изменения климата). Стандартный подход к описанию состояния растительного покрова с помощью спутниковых вегетационных индексов, например NDVI (Normalized Differences Vegetation Index), представляет собой территориальное описание, оставляющее без рассмотрения детали видового состава растительности. Природный, естественный травяной растительный покров сухих территорий состоит из комплекса различных видов растений, баланс между которыми зависит от погодных условий. В засушливые годы доминируют одни виды в увлажненные другие. Также существует внутри сезонная динамика смены доминирующих видов растительности в след за изменениями температурно-влажностных условий. Информация о состоянии выделенных групп видов травяной растительности и их реакция на антропогенное давление и изменения климата может существенным образом дополнять общую картину динамики растительного покрова территорий и поэтому представляет отдельный интерес.
Для получения данных о присутствующих видах растительности и их балансе требуется проведение флористического анализа, что сопряжено с трудоемкими наземными обследованиями. Это обстоятельство делает крайне сложным получение обзорных продуктов, регионального масштаба. Однако существуют устойчивые закономерности смены видового состава травяной растительности в рамках различных процессов, что открывает возможности спутниковой диагностики состояния различных групп растительности. Из таких явлений на юге Казахстана можно упомянуть пост пожарное восстановление растительности сухих территорий, восстановление растительности на брошенной пашни и др. Но наиболее ярким феноменом из этого ряда явлений является весеннее доминирование эфемеров и эфемероидов, формирующих весенний пик вегетации сухих территориях.
В начале весны на юге Казахстана существует относительно высокий уровень увлажненности почвы на фоне умеренных температур воздуха. Это время непродолжительно, но некоторые однолетние (эфемеры) и многолетние, в основном луковичные виды (эфемероиды), травы приспособились к таким условиям. Эти виды растительности имеют короткий вегетационный период (от 2 недель) и поэтому успевают закончить свой цикл развития и дать семена до наступления неблагоприятных погодных условий, в виде летней высокой температуры воздуха на фоне жесткого дефицита увлажнения. Многолетний спутниковый мониторинг весеннего состояния эфемерной и эфемероидной растительности дает возможность оценки благоприятности условий существования данного класса травяного растительного покрова в многолетнем аспекте.
Первым компонентом при решении задач данного исследования было картирование территорий с выраженным эфемерным и эфемероидным компонентом в растительном покрове. Четких границ у ареалов трав, особенно с легко переносимыми ветром семенами, в принципе не существует. На границах своих ареалов присутствие данного типа растительности постепенно уменьшается. При появлении благоприятных условий семена, из-за ветрового переноса присутствующие практически везде, могут пойти в рост в любом месте. Поэтому, в качестве критерия наличия существенной доли эфемеров выступало соотношение между многолетним максимумом и многолетним средним значением NDVI. Высокие значения максимума NDVI при относительно низких средних значениях NDVI указывают на наличие краткосрочного всплеска листового покрытия, что для сухих территорий юга Казахстана является признаком эфемеров и эфемероидов. Только этот компонент естественного травяного растительного покрова способен на данной территории продуцировать краткосрочный рост вегетации. Исключением являются поля, которые в многолетнем аспекте также могут характеризоваться близкими соотношениями между многолетним максимумом и многолетним средним значением NDVI. Это может быть связано с возделыванием озимых культур или особенностями севооборотов (например чередованием культур и чистых паров). Поэтому, территории, характеризующиеся наличием выраженных границы полей, из рассмотрения были исключены.
Основой для построения маски земель с выраженной эфемерной и эфемероидной растительностью служили снимки Sentinel-2 (разрешение 20 м). Рассматривалась территории юга Казахстана в пределах, примерно 40,5° – 47° С.Ш. и 68°-82°В.Д. Около 160 безоблачных покрытий территории Sentinel-2 за март-октябрь периода 2018-2022 гг. использовалось для описания растительного покрова территории с помощью вегетационного индекса NDVI, по формуле:

NDVI=(NIR−RED)/(NIR+RED)

Значения NDVI рассчитывались с использованием спектральных каналов 4 и 8 (Band 4 – RED (665 нм); Band 8 – NIR (877 нм)) спутника по стандартной формуле. Для каждого пикселя было определено максимальное и среднее значение (NDVImax и NDVIaver).
Засоленность почв довольно распространена на юге Казахстана. Растительный покров в таких условиях представлен галофитами, для которых сверхкороткие сроки вегетации нетипичны. В связи с этим, на засоленных территориях, как правило, эфемеры и эфемероиды мало представлены. Поэтому, дополнительным параметром, характеризующих анализируемую территорию, выступал индекс VSSI (Vegetation Soil Salinity Index), рассчитываемый по формуле:

VSSI= 2 × Band (GREEN) − 5 × (Band (RED) + Band (NIR));

где использовались каналы Sentinel-2: Band 3 - GREEN (560 нм); Band 4 – RED (665 нм); Band 6 - NIR (740 нм). В качестве характеристики использовался многолетний максимум значений VSSI (VSSI max).
Таким образом, были рассчитаны три показателя (VSSI max; NDVImax ; NDVIaver) характеризующие территорию. При этом отдельные параметры определялись для каждой ячейки регулярной матрицы с периодом 20 м, покрывающей анализируемую территорию юга Казахстана. На этой основе было сгенерировано псевдоцветное композитное изображение, с цветовыми каналами: Red - VSSImax; Green - NDVImax; Blue - NDVIaver . В этом изображении зеленые тона характеризовали территорию с доминированием режима растительности, характеризующегося краткосрочными всплесками зеленой биомассы на незасоленных почвах. Такой режим является маркером присутствия в растительном сообществе значительной доли эфемеров и эфемероидов. Экспертная фото интерпретация использовалась для картирования и выделения ареала эфемеров и эфемероидов. Выделенная территория располагалась в определенном поясе на предгорных, наклонных равнинах северной и северо-западной экспозиции перед горными хребтами Памира и Тянь-Шаня, занимая площадь около 80 тыс. км2. Высокая точность при выделении ареала в данном случае не требовалась, поскольку ставилась задача оценки общей направленности многолетних трендов в состоянии весенней растительности.
Для оценки направленности трендов изменения состояния растительности тестовой территории применялся непараметрический тест Манна-Кендала. В качестве исходных данных использовался временной ряд спутниковых сцен MOD13Q1A1_NDVI (16-дневный композит с разрешением 500 м) периода 2000-2022 гг., всего 345 покрытий. Трендовый тест Манна-Кендалла применялся к пятнадцати 16-дневным окнам, формирующим вегетационный сезон (март-октябрь). Значения теста Манна-Кендала, через пороговые значения (+3,4) и (-3,4), оценивали динамику временного ряда тремя рангами монотонных трендов. Восходящий тренд, ранг А > (+3,4); неопределенный, в диапазоне (+3,4) > Ранг Б > (-3,4); нисходящий, ранг С < (-3,4). Полученные 15 ранговых оценок разбивались на три группы, по 5 оценок в каждой, которые описывали времена года: весна (с 5 марта по 23 мая); лето (с 24 мая по 11 августа); осень (с 12 августа по 30 октября). Описание каждого времени года, состоящее из 5 ранговых оценок, переводилось в численную оценку. Ранг А приравнивался 20 условным единицам, ранг Б – 0; ранг С – (-20 условных единиц). Таким образом, каждое время года (весна, лето, осень) могло иметь оценку в диапазоне от (-100) до (+100), где (-100) это пять нисходящих, а (+100) это пять восходящих трендов.
Тестовая территория выделенного ареала эфемеров и эфемероидов юга Казахстана характеризовалась, как пространственным распределением параметров трендов на регулярной решетке с периодом 500 м, так и средними по контуру характеристиками. Для тестовой территории было получено, что весенняя вегетация (5 марта – 23 мая) имела суммарную оценку (-21,95), летняя вегетация (24 мая-11 августа) (-48,63), осенняя вегетация (-53,13).
Таким образом, можно сделать выводы, что в период 2000-2022 регистрировались отрицательные тренды в состоянии листового проективного покрытия растительности ареала произрастания эфемеров и эфемероидов на юге Казахстана, оцениваемого вегетационным индексом MOD13Q1A1(NDVI). При этом весенний период роста и развития эфемеров и эфемероидов выглядел несколько лучше лета и осени, для которых негативный тренд был более выраженным. Причинами такой динамики могут быть особенности погодных условий, температурно-влажностного режима. Но также нельзя исключить и влияние антропогенного давления, поскольку наиболее негативные тренды в состоянии растительности совпадали с зонами влияния поливного земледелия и местами проживания населения.
Работа выполнена при поддержке грантового и программно-целевого финансирования министерства науки и высшего образования Республики Казахстан, проекты №№ АР14871126, BR10965172, BR18574144.