Экологическая оценка и картографирование агролесоландшафтов урбанизированных территорий (на примере г. волгограда)
На правах рукописи
Березовикова Ольга Юрьевна ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И КАРТОГРАФИРОВАНИЕ АГРОЛЕСОЛАНДШАФТОВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ (на примере г. Волгограда) Специальность: 03.00.16 – Экология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Волгоград - 2009
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации»
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, академик Россельхозакадемии Кулик Константин Николаевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, Семенютина Александра Викторовна кандидат сельскохозяйственных наук Манаенкова Нина Сергеевна
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Волгоградская госу дарственная сельскохозяйственная академия»
Защита состоится «23» ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссер тационного совета Д 006.007.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации по адресу: 400062, г. Волгоград-62, Университетский пр., 97, а/я 2153, ГНУ ВНИ АЛМИ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского науч но-исследовательского института агролесомелиорации и на сайте www.vnialmi.ru Автореферат разослан «21» октября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Л. А. Петрова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Пригородная зона крупного индустриаль ного города является местом возникновения различных экологических про блем, обусловленных столкновением городского и аграрного типов хозяйство вания с сохранившимися природными экосистемами. Важную роль в улучше нии экологической ситуации не только пригородной, но и на всей городской территории играют защитные лесные насаждения (ЗЛН), являющиеся основ ным компонентом агролесоландшафтов урбанизированной территории. Они выполняют санитарно-гигиенические, рекреационные и эстетические функции:
продуцируют кислород, осаждают пыль и газообразные химические вещества, смягчают климатические параметры, а также служат местом отдыха городского населения. Однако в настоящее время под воздействием промышленного и транспортного загрязнения, климатических особенностей (сильные ветры и частые засухи), неорганизованного отдыха горожан происходит деградация аг ролесоландшафтов крупных городов, а также идет интенсивное сокращение площадей защитных лесных насаждений за счет развития селитебных и иных зон застройки. В связи с этим назрела острая необходимость проведения ком плексной оценки агролесоландшафтов и разработки мероприятий по их сохра нению. Использование при этом данных дистанционного зондирования и со временных геоинформационных технологий позволяет оперативно получать объективную и достоверную информацию об их состоянии.
Целью работы является разработка методики экологической оценки аг ролесоландшафтов урбанизированных территорий с применением ландшафтно картографического подхода на основе дистанционных данных.
Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:
изучить ландшафтные особенности территории исследования;
определить эффективность автоматизированного дешифрирования по космоснимкам высокого разрешения ЗЛН урбанизированных территорий;
провести полевые и камеральные ландшафтно-экологические исследо вания агролесоландшафтов г. Волгограда;
осуществить дистанционную оценку сохранности ЗЛН г. Волгограда;
установить степень антропогенной преобразованности агролесоланд шафтов урбанизированной территории;
составить карты современной экологической ситуации на территории агролесоландшафтов г. Волгограда;
разработать рекомендации по улучшению экологической обстановки в агролесоландшафтах урбанизированной территории;
определить экономическую эффективность использования космосним ков высокого разрешения при изучении агролесоландшафтов.
Научная новизна работы. Впервые проведена экологическая оценка со стояния агролесоландшафтов города Волгограда с применением данных дис танционного зондирования (космоснимков высокого разрешения). Разработан способ определения сохранности ЗЛН по космоснимкам. Проведена оценка со хранности ЗЛН по космоснимкам для ключевых участков и составлены автор ские оригиналы карт современной экологической ситуации.
На защиту выносятся следующие положения:
Методика дистанционной оценки агролесоландшафтов урбанизиро ванных территорий.
Способ дистанционного определения сохранности ЗЛН по космиче ским снимкам высокого разрешения.
Карты-схемы экологической ситуации в агролесоландшафтах урбани зированной территории.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут по служить базой для проведения инвентаризации городских лесов Волгограда.
Теоретические и практические результаты проведенных исследований могут быть использованы не только для экологической оценки агролесоландшафтов Волгограда, но и в агролесоландшафтах других урбанизированных территорий.
Достоверность полученных результатов исследований подтверждается математической обработкой полевых и камеральных исследований, выполнен ных при уровне значимости 0,95.
Личный вклад. Диссертационная работа выполнена автором в 2006- гг. в рамках тематического плана ГНУ ВНИАЛМИ 01.2.00611909 «Разработать методологию ландшафтно-экологической оценки агрогеосистем в условиях возрастающего техногенного воздействия и определить параметры их лесисто сти в пределах зональной макрокатены (лесостепь, полупустыня) ЕЧ РФ». Ав тору принадлежит постановка проблемы, разработка программных вопросов, проведение полевых и камеральных исследований, статистический анализ по лученных данных, обоснование практических рекомендаций и выводов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсужда лись на Международной научно-практической конференции, посвященной 75 летию ВНИАЛМИ «Роль и место агролесомелиорации в современном общест ве» (Волгоград, 2006), Международной научно-практической конференции мо лодых исследователей «Наука и молодежь: новые идеи и решения» (Волгоград, 2007), научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Аг ролесомелиоративное обустройство агроландшафтов» (Волгоград, 2007), Все российском семинаре-совещании «Инновационная модель мониторинга земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации» (Воронеж, 2009), V Международном симпозиуме «Степи Северной Евразии» (Оренбург, 2009).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 науч ных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и «Мето дические указания по ландшафтно-экологическому профилированию при агро лесомелиоративном картографировании» (Москва, 2007).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, включающего 202 наименования, в том числе 6 на иностранном языке. Общий объем диссертации составляет страниц, в том числе 127 страниц основного текста, и содержит 25 таблиц, рисунков и 25 приложений. Общий объем публикаций по теме диссертации со ставил 5,3 п. л., в том числе лично соискателю принадлежит 1,8 п. л.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Физико-географическая характеристика объекта исследования Город Волгоград расположен на юго-востоке европейской части России на правом берегу реки Волги, в нижнем её течении. Городские земли вытянуты вдоль реки почти на 70 км при ширине от 3 до 10 км. Географическое положе ние города определяется следующими координатами: крайняя северная точка 48°51' с. ш., 44°37' в. д., крайняя южная точка - 48°27' с. ш., 44°37' в. д., крайняя западная точка - 48°42' с. ш., 44°15' в. д. С востока город ограничен рекой Вол гой. Общая площадь составляет около 565 км.
Волгоградское правобережье Волги расположено на стыке двух природ ных районов - Приволжской и Ергенинской возвышенностей. Плоские и слабо выпуклые водораздельные пространства постепенно переходят в склоны реч ных долин и балок. Восточный склон Приволжской возвышенности опускается к Волге ясно выраженными террасами, расчлененными эрозионной сетью. Не посредственно к склону примыкает абразионная терраса, имеющая абсолютные отметки более 35 м.
Волгоград расположен в зоне засушливого пустынно-степного климата, характеризующегося резкой континентальностью. Годовое количество осадков за последние 20 лет составило в среднем 420-440 мм. Засушливость климата го рода усиливается суховеями, которых бывает 50-55 в год.
Волгоград расположен в зоне каштановых почв, в светло-каштановой подзоне. Преобладают светло-каштановые почвы различного гранулометриче ского состава и степени солонцеватости.
Древесная растительность представлена в основном искусственными на саждениями «зеленого кольца» и естественными байрачными лесами.
Глава 2. Проблемы оценки и картографирования агролесоландшафтов урбанизированной территории В главе приводится анализ литературных источников по вопросам изуче ния системы защитных лесных насаждений Волгограда, лесопарковых и лесо аграрных ландшафтов, а также применения дистанционных методов и геоин формационных технологий при изучении и картографировании лесных насаж дений.
В работах Ю. Н. Годунова с соавторами (1964) и А. Т. Корчанова (1950) освещены история создания насаждений «зеленого кольца» в до- и послевоен ный периоды. В качестве объекта исследования на территории зеленой зоны Волгограда выбирались, как правило, балки. Детальному изучению Чапурни ковской балки, а также балки Григорова, посвящены работы Б. А. Келлера (1907), Г. Н. Высоцкого (1915), П. П. Жудовой (1951), М. С. Двораковского (1961), А. Ф. Киреева (1967), П. Л. Чернявского (1968), С. Н. Крючкова и Г. Я.
Маттиса (2003). Для территории Чапурниковской балки К. Н. Куликом и А. С.
Рулевым (1995) было проведено ландшафтно-экологическое зонирование. В. Н.
Анопиным и М. В. Субботиной (2005) проведена экологическая оценка насаж дений в пойме реки Малая Мечетка.
В связи с огромными трудностями, с которыми пришлось столкнуться создателям «зеленого кольца», большой интерес представляют современные работы, посвященные лесоразведению в тяжелых лесорастительных условиях сухостепной и полупустынной зон. Изучением условий произрастания культур сосны в условиях сухой степи занимались Н. С. Зюзь (1990), Н. Ф. Кулик (1970), Н. А. Прозоров (1989), А. С. Манаенков (1998, 2002), В. Д. Шульга и М.
Н. Белицкая (2001) и другие. Рост и развитие в условиях сухой степи различных древесных пород рассматривались в работах Н. В. Лысовой, Н. И. Хижняк (1973, 1975, 1977), Г. Я. Маттиса и С. Н. Крючкова (2003). Вопросам обогаще ния дендрофлоры агро- и урболандшафтов засушливой зоны России и, в част ности, Волгоградской области посвящены работы А. В. Семенютиной (1999, 2002, 2007).
Большой интерес представляют работы А. Г. Журкиной (1970) и В. В. Се востьянова (1987) по изучению ландшафтов Волгоградского правобережья.
Изучением лесопарковых ландшафтов занимались В. П. Ковтунов (1962), М. И. Гальперин (1967), И. Д. Родичкин (1972), Н. М. Тюльпанов (1975), В. Д.
Пряхин (1981), В. Г. Атрохин и В. Я. Курамшин (1991), В. М. Ивонин (1999) и другие. Обоснование термина «агролесоландшафт» приводится в работах Е. С.
Павловского (1999, 2004), К. Н. Кулика и А. С. Рулева (2001).
Вопросы дешифрирования аэро- и космоснимков освещены в работах Г.
В. Господинова (1961), С. П. Альтера (1966, 1967), А. А. Григорьева (1975), Л.
А. Богомолова (1976), А. И. Обиралова (1982), В. В. Аковецкого (1983), Б. В.
Виноградова (1966, 1984, 1998), Т. В. Верещаки (1990), Ю. Ф. Книжникова (2004), И. А. Лабутиной (2004), T. E. Avery (1977), T. M. Lillesand (2000). Изу чением лесной растительности по материалам дистанционного зондирования занимались Г. Г. Самойлович (1965), Д. М. Киреев (1977, 1992), В. И. Сухих (1977, 2001, 2002, 2005) и другие. Основные методы картографирования с ис пользованием космических снимков освещены в работах Е. А. Востоковой с со авторами (1982, 1988), В. И. Кравцовой (1995, 2000).
Развитие ландшафтно-географического направления в агролесомелиора ции связано с именами Е. С. Павловского (1982), К. Н. Кулика (1996, 1998, 2004), А. С. Рулева (1998, 2007).
В настоящее время внедрение в практику изучения агролесоландшафтов урбанизированных территорий современных ГИС-технологий развито в недос таточной степени и требует дальнейшей разработки.
Глава 3. Программа, объекты и методика исследований Объектом исследований стали агролесоландшафты пригородной зоны Волгограда. Площадь пригородной зоны Волгограда составляет 25080 га, при этом 48,2% в ней занимают различные сельскохозяйственные угодья (пашня, пастбища, садовые массивы) и 29,1% - ЗЛН, возникшие в результате создания так называемого «зеленого кольца». Для проведения исследований в пределах «зеленого кольца» было выбрано 5 ключевых участков, расположенных на тер ритории 4-х участковых лесничеств (Городищенского, Ворошиловского, Ки ровского и Красноармейского) общей площадью 3094,2 га (рисунок 1), что со ставляет 12,3 % от площади пригородной зоны Волгограда.
При проведении ланд шафтных исследований ис пользовались следующие ма териалы: цифровые крупно масштабные космические снимки QuickBird 2005 и 2007 г. (М 1:4000 - 1:17000) с разрешением 2,4 м, находя щиеся в свободном доступе в глобальной сети Интернет (www.google.maps.com);
чер но-белые аэрофотоснимки 1989 г. (М 1:10 000), предос тавленные из фондов ВНИ АЛМИ;
планшеты и таксаци онные описания лесоустрой ства 1995 г., предоставлен ные ФГУ «Волгоградское Рисунок 1 – Карта-схема защитных лесных лесничество»;
Лесохозяйст насаждений Волгограда венный регламент Городско го лесничества Волгоградской области (Воронеж, 2007), предоставленный МУ «Экологический фонд Волгограда»;
топографические карты на г. Волгоград (М 1:100000) издания 1998 года.
Исследования проводились на основании 3-этапной методики, включаю щей предполевой камеральный этап, этап полевых исследований и камераль ный этап окончательного дешифрирования космоснимков и геоинформацион ного картографирования (рисунок 2).
ПРЕДПОЛЕВОЙ КАМЕРАЛЬНЫЙ ЭТАП - предварительное дешифрирование космоснимков;
- ландшафтный анализ территории и составление ландшафтной карты ЭТАП ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ - ландшафтно-экологическое профилирование;
- ландшафтная таксация на пробных площадях КАМЕРАЛЬНЫЙ ЭТАП - экстраполяция и окончательное дешифрирование космоснимков;
- оценка состояния объекта исследования;
- геоинформационное картографирование Рисунок 2 - Блок-схема методики дистанционной оценки агролесоландшафтов урбанизированных территорий На первом этапе работ проводилось картографирование ландшафтной структуры города. По топографической карте М 1:100000 были созданы карта пластики рельефа, карта уклонов земной поверхности и карта водосборов волжского склона с использованием методических разработок И. Н. Степанова, 1986, А. А. Ильиной, 1987, А. Н. Ласточкина, 1992, Проектирование…, 1990. На основе сопряженного анализа данных карт была построена ландшафтная карта на территорию города и окрестностей.
Полевые исследования на ключевых участках проводились в период с 2007 по 2009 год. На каждом ключевом участке проводилось полевое дешиф рирование космоснимков, закладывались ландшафтные профили (Методиче ские указания…, 2007) и проводилось таксационное описание древесно кустарниковой растительности на пробных площадях (Е. С. Павловский, 1973;
методика ВНИАЛМИ, 1991).
Камеральная работа с космоснимками заключалась в установлении ос новных категорий земель и типов насаждений, попадающих в границы ключе вых участков и подсчете их площадей. С целью установления достоверности автоматизированного дешифрирования чистых насаждений различного пород ного состава проводилось сравнение различных способов классификации кос мического изображения (параллелепипеда, минимального расстояния и макси мального правдоподобия) путем составления матриц ошибок (G. M. Foody, 1992;
B. Tso, 2001;
P. M. Mather, 2004;
Ю. Ф. Книжников, 2004).
Для сравнения породного состава ЗЛН в агролесоландшафтах был ис пользован коэффициент Соренсена-Чекановского, применяемый в экологиче ских исследованиях для анализа -разнообразия (Ю. А. Песенко, 1982;
Н. В.
Лебедева, 2004).
Для определения сохранности ЗЛН по космоснимкам высокого разреше ния была разработана формула:
Scохр. = Sконт. – Sпог. – Sвып. (1) где Scохр. – площадь, либо доля от общей площади контура, сохранившихся на саждений (га, %);
Sконт. – общая площадь выделенного контура (выдела) (га, %);
Sпог. – площадь погибших, сухостойных деревьев (га, %);
Sвып. – площадь выпа дов и разрывов в пологе насаждения (га, %).
Разность общей площади контура (Sконт.) и площади выпадов (Sвып.) дает площадь полога насаждения (Sпол.), и формула (1) принимает следующий вид:
Sсохр. = Sпол. – Sпог. (2) Если площадь сухостойного древостоя определяется по космоснимку, расчет сохранности ведется по формуле (2). Если же показатель доли сухостой ных деревьев в насаждении определяется в полевых условиях и выражается в процентах от общего количества деревьев (N), то возникает необходимость пе ревода данного показателя в площадную характеристику. Это достигается по средством пересчета по формуле:
N Sпог. = Sпол. (3) При переводе N в площадной показатель формула (2) приобретает сле дующий вид:
N Sсохр. = Sпол (1 – ) (4) На основании поконтурных подсчетов сохранности была предложена шкала оценки сохранности насаждения, определяемой по космоснимку, вклю чающая очень низкую (менее 25 %), низкую (25,1-50,0 %), среднюю (50,1-75, %) и высокую (более 75,1%) степень сохранности.
Оценка экологического состояния агролесоландшафтов урбанизирован ной территории проводилась путем ранжирования земель по степени антропо генной преобразованности (А. С. Рулев, 2007), что позволило рассчитать значе ния соответствующего коэффициента для каждого ключевого участка:
K i Si (5) K АП Si где КАП – коэффициент антропогенной преобразованности агролесоландшафта;
Si – площадь угодья i–вида (га, %);
Ki – балл антропогенной преобразованности угодья i – вида.
Картографирование экологической ситуации агролесоландшафтов г. Вол гограда проводилось с использованием программного пакета MapInfo (М. Г.
Ерунова, 2004;
А. С. Горбунов, 2007).
Глава 4. Изучение агролесоландшафтов г. Волгограда Картографирование морфоструктуры ландшафтов Волгограда позволило выделить на его территории пять крупных ландшафтных полос: водораздель ные поверхности (плакоры) (крутизна 0-0,5), приводораздельные склоны (0,5 3), прибалочные и придолинные склоны (3-10 и более), абразионно аккумулятивная терраса и гидрографическая суходольная сеть, представленная балками волжского склона (рисунок 3).
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Плакоры Приводораздельные склоны Гидрографическая суходольная сеть Прибалочные склоны Хвалынская абразионно-аккумулятивная терраса Рисунок 3 – Фрагмент ландшафтной карты г. Волгограда Агролесоландшафты пригородной зоны Волгограда включают все ланд шафтные полосы кроме абразионно-аккумулятивной террасы, которая полно стью находится в пределах городской застройки. Водораздельная и гидрогра фическая суходольная полосы занимают 20,9 и 22,7 % соответственно от пло щади пригородной зоны. Большая же часть пригородной зоны (56,4%) пред ставлена склоновыми землями, из которых преобладают приводораздельные склоны (71,2%).
Ландшафтно-экологические профили в полевых условиях прокладыва лись с таким учетом, чтобы захватить все ландшафтные полосы (плакоры, при водораздельные и прибалочные склоны, гидрографическую сеть). Всего на пяти ключевых участках было заложено 8 ландшафтных профилей общей протяжен ностью 24 км, что позволило уточнить и скорректировать контуры среднемас штабной ландшафтной карты. По ходу профилей заложено 58 пробных площа дей, на которых проводилось описание основных таксационных показателей ЗЛН. По результатам полевого эталонирования космоснимков составлены таб лицы дешифровочных признаков основных типов насаждений и категорий зе мель, в которых изображение конкретного объекта на космоснимке сопоставля ется с его изображением в натуре.
По космоснимкам была определена структура земель в пределах ключе вых участков, установлено распределение ЗЛН по видам (массивы, кулисы, по лосы) и породному составу (таблица 1).
Таблица 1 – Характеристика ключевых участков Защитные лесные насаждения Эрозионное Естест Площадь Доля Номер расчлене- венная Доля сме ключевого Сады, Общая чистых ключевого ние расти шанных участка, га площадь, насаж участка террито- тельность насажде га га дений, рии, км/км2 балок, га ний, % % 1 722,1 2,7 414,2 68,6 31,4 - 102, 2 915,8 1,9 318,6 43,1 56,9 108,1 21, 3 412,6 0,7 230,9 39,9 60,1 58,9 19, 4 304,1 0,3 148,1 82,2 17,8 17,0 5 739,6 1,5 266,8 52,5 47,5 2,8 36, Согласно проведенным исследованиям древесно-кустарниковая расти тельность агролесоландшафтов Волгограда представлена защитными лесона саждениями, естественной растительностью балок и садами. В общей площади ЗЛН доминируют массивы лесных культур (81,3%), кулисы и полосные насаж дения занимают в среднем 9,8 и 8,9% соответственно. Преобладающими дре весными породами являются сосна обыкновенная, робиния псевдоакация, вяз мелколистный и клен ясенелистный. Присутствуют как чистые насаждения ка ждой породы, так и различные схемы смешения, самыми распространенными из которых являются смешения сосны и робинии, вяза и робинии, робинии и клена ясенелистного. Площадь территории, занимаемой чистыми культурами сосны обыкновенной, колеблется на ключевых участках от 18,6 до 37,1%, ро бинии псевдоакации – от 11,2 до 17,5%.
Участие естественной растительности балок в общей облесенности тер ритории агролесоландшафтов велико только на участке № 1 на территории Го родищенского лесничества за счет большой площади облесенных балок Кал мыцкой и Казенной и составляет здесь 14,2% от общей площади участка. На ключевых участках № 2, 3 и 5, несмотря на наличие таких крупных балок как Царица, Отрадная, Чапурниковская, доля естественной древесной растительно сти невысока (в среднем 4,0%) вследствие сведения её под дачные массивы и гибели насаждений. Обследование балок показало, что большинство насажде ний в них находится в угнетенном состоянии, для байрачной растительности характерны высокая разреженность полога и частичное, либо полное отсутст вие подлеска, суховершинность многих деревьев.
По ландшафтной карте и космоснимкам определялась лесистость каждой ландшафтной полосы и ключевого участка в целом (таблица 2).
Таблица 2 – Лесистость ландшафтных полос на ключевых участках, в % Общая Ландшафтная полоса Номер лесистость ключевого Приводораз- Гидрографи- ключевого Плакорная Присетевая участка дельная ческая участка 1 89,0 75,1 49,6 85,0 71, 2 43,3 46,7 15,1 18,1 37, 3 84,1 62,9 14,0 84,0 60, 4 50,6 50,6 21,2 21,2 48, 5 51,1 40,1 42,6 29,4 41, Таким образом, камеральные ландшафтные исследования, полевое де шифрирование космоснимков и ландшафтное профилирование позволили оп ределить территориальное размещение имеющихся насаждений «зеленого кольца» Волгограда и выявить дополнительные площади, потенциально при годные для облесения.
Глава 5. Оценка и картографирование агролесоландшафтов урбанизированной территории Прежде чем применять различные способы автоматизированного дешиф рирования (классификации) космоснимков, нами были поставлены задачи оп ределения возможностей и достоверности выделения насаждений на космос нимке как целостного объекта (класс «Насаждения»), а также разделения чис тых насаждений на хвойные и лиственные породы (классы «Хвойные» и «Ли ственные») и по породам (классы «Сосна», «Робиния», «Вяз»). Для этого был выбран космоснимок участка в пределах пригородной зоны Волгограда с чис тыми культурами сосны обыкновенной, вяза мелколистного и робинии псевдо акации. Классификация космоснимка осуществлялась тремя способами: спосо бом параллелепипеда, минимального расстояния и максимального правдоподо бия. Для оценки общей достоверности классификации космоснимка использу ется коэффициент «каппа», (G. M. Foody, 1992). Качество классификации считается хорошим при 0,75 и неприемлемым при 0,40. Также значение сравнивалось с показателем достоверности распознавания границ, принятым в практике дешифрирования, который должен быть не менее 0,95 (Б. В. Вино градов, 1984).
Было установлено, что наилучший результат достигается при выделении насаждений как однородного класса способом максимального правдоподобия (таблица 3). При разделении насаждений на лиственные и хвойные породы, а также на отдельные породы достоверность результатов дешифрирования силь но снижается и ни один из способов классификации не достигает порога досто верности в 0,95.
Таблица 3 – Оценка достоверности автоматизированного дешифрирования космоснимка QuickBird Способ классификации Классы Минимального Максимального Параллелепипеда расстояния правдоподобия «Насаждения» 0,47 0,82 0, «Хвойные»+«Лиственные» 0,44 0,58 0, «Сосна»+«Робиния»+«Вяз» 0,25 0,44 0, Полевые исследования и применение методов визуального и автоматизи рованного дешифрирования космоснимков позволило провести сравнительную характеристику ключевых участков. Для сравнения разнообразия породного со става в ЗЛН на ключевых участках проводился подсчет количества древесно кустарниковых пород и на основании полученных данных рассчитывался ко эффициент Соренсена-Чекановского. Значение коэффициента для всех пар ключевых участков оказалось выше 0,5, что свидетельствует о довольно высо ком сходстве видового состава. Объясняется это тем, что основной набор дре весных пород в различных частях пригородной зоны практически одинаков.
Пять пород – сосна обыкновенная, робиния псевдоакация, вяз мелколистный, клен ясенелистный, дуб черешчатый - встречаются на всех участках «зеленого кольца». Сосна и робиния занимают основную площадь чистых насаждений на участках, а также формируют большую часть смешанных насаждений. Из кус тарников на всех участках встречается только смородина золотистая.
По космоснимкам высокого разрешения с использованием формул (2) и (4) проводилось определение сохранности существующих ЗЛН. Анализ распре деления последних на ключевых участках по степени сохранности показывает высокую долю насаждений с низкой и очень низкой степенью сохранности ( % от общей площади насаждений). На всех участках площадь древостоя с низ кой степенью сохранности колеблется от 25 до 45% от всей площади насажде ний. Только на ключевом участке № 1 на территории Городищенского лесниче ства суммарно преобладают насаждения с высокой и средней степенью сохран ности.
Разница между общей в % от общей площади насаждений площадью насаждений на ключевом участке и площадью 70 погибшего древостоя дает 56, 60 площадь жизнеспособного 49,9 47, древостоя. Практически на 44,0 42, всех ключевых участках жизнеспособный древостой занимает менее половины всей площади насаждений (рисунок 4), составляя в среднем по 1 2 3 4 Номер ключевого участка ключевым участкам 48,2%. Это Рисунок 4 – Доля сохранившегося свидетельствует о том, что жизнеспособного древостоя около половины всех ЗЛН «зеленого кольца» распалось по различным причинам. Во многих случаях, в насаждениях с низкой и очень низкой степенью сохранности в полевых условиях и на космоснимках были отмечены следы пожаров, а также поврежденность вредителями (сосновым пилильщиком). Основной причиной гибели ЗЛН является отсутствие или неправильное проведение лесоводственных мероприятий, в результате чего возникают благоприятные условия для массового размножения вредителей, увеличения числа лесных пожаров и массовой несанкционированной вырубки деревьев (В. Д. Шульга и М. Н. Белицкая, 2001;
А. С. Манаенков, 2002).
С учетом данных сохранности насаждений был скорректирован показа тель лесистости территории ключевых участков и получены значения облесен ности территории жизнеспособными насаждениями («существующая» леси стость).
Помимо оценки сохранности насаждений была проведена оценка экологического состояния агролесоландшафтов, которая осуществлялась путем ранжирования земель по степени антропогенной преобразованности. Для этого была разработана шкала балльной оценки антропогенной преобразованности, в которой различным категориям земель в зависимости от их антропогенной преобразованности присваивается соответствующий балл: 1 - территории с сохранившейся естественной растительностью, либо преобразованные с привнесением природных элементов (облесенные балки, ЗЛН, пруды);
2 территории, преобразованные для выполнения специальных функций и комбинирующие природные и антропогенные объекты с доминантой первых в виде искусственной древесно-кустарниковой растительности (кладбища, сады, дачные массивы);
3 - территории, практически не облесенные древесной растительностью, не используемые в хозяйственных целях, либо выступающие в качестве пастбищных и сенокосных угодий (редины, залежь, открытые пески);
4 - нарушенные земли с полностью измененным или уничтоженным почвенно-растительным покровом, либо территории интенсивного сельскохозяйственного использования (пашня, жилая застройка, орошаемые земли);
5 - территории с полностью измененным почвенно-растительным покровом и преобладанием различных антропогенных объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающие земли (автомобильные дороги, полигоны твердых бытовых отходов и т.д.). По формуле (5) рассчитывается значение коэффициента антропогенной преобразованности для каждого ключевого участка. Для оценки агролесоландшафта в целом в зависимости от величины коэффициента предлагается выделять слабую (КАП от 1,0 до 2,0), среднюю (от 2,1 до 3,0), высокую (от 3,1 до 4,0) и очень высокую (от 4,1 до 5,0) степень антропогенной преобразованности. Расчет коэффициента показал, что все ключевые участки имеют среднюю степень антропогенной преобразованности: значения коэффициента варьируют от 2,1 до 2,6.
На основании данных о сохранности насаждений и антропогенной преоб разованности территории агролесоландшафтов были составлены карты эколо гической ситуации на ключевых участках. В качестве фоновой окраски карты послужило разделение категорий земель по степени антропогенной преобразо ванности, на которое штриховкой накладывалось распределение насаждений по степени сохранности (высокой, средней, низкой и очень низкой) (рисунок 5).
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Балки Необлесенные земли Овраги Пос. Каменный Буерак Песчаный карьер Сохранность насаждений Высокая Средняя Низкая Очень низкая Граница ключевого участка Рисунок 5 - Карта-схема экологической ситуации на ключевом участке № (Городищенское лесничество) Проведенные исследования позволяют сделать ряд рекомендаций по улучшению экологической обстановки в пригородной зоне Волгограда. Главная задача предлагаемого комплекса мероприятий – не допустить сокращения за щитных лесных насаждений агролесоландшафтов и сохранить их хотя бы в том объеме, который существует на сегодняшний день. Для этого необходимо про ведение уходов за сохранившимся жизнеспособным древостоем, что предпола гает проведение работ по противопожарной профилактике, борьбе с вредителя ми и болезнями, удалению сорной травяной растительности.
Следует повысить существующую лесистость агролесоландшафтов путем проведения выборочных и сплошных санитарных рубок и посадки новых лес ных насаждений. Под облесение также возможно использование «резервных» территорий, которые представлены необлесенными землями и рединами. Такие территориальные резервы на ключевых участках составляют 285,9 га. Значения общей лесистости ключевых участков (без учета сохранности насаждений), от раженные в таблице 2, с учетом «резервных» территорий являются теми значе ниями лесистости, к которым необходимо стремиться при проведении лесоме лиоративных работ («необходимая» лесистость). Исходя из этого положения, были рассчитаны объемы создания ЗЛН, необходимые для повышения сущест вующей лесистости территории (таблица 4).
Таблица 4 – Объемы посадки защитных лесонасаждений на ключевых участках Требуется посадка ЗЛН, га Лесистость, % Номер Ландшафтные полосы ИТОГО по ключевого ключевым Гидро участка сущест- необхо- Пла- Приводо- Присе- участкам, графи вующая димая корная раздельная тевая га ческая 1 46,8 73,5 57,6 67,7 53,5 14,1 192, 2 17,6 60,9 27,0 274,8 11,7 83,5 397, 3 32,6 66,5 32,4 101,5 2,1 3,7 139, 4 23,3 55,2 27,7 25,0 39,3 5,0 97, 5 20,1 68,2 57,2 179,3 30,9 87,7 355, ИТОГО по ландшафт - - 201,9 648,3 137,5 194,0 1181, ным поло сам, га Кроме того, «резервными» территориями (около 276,8 га) для создания дополнительных ЗЛН могут выступать садовые массивы, которые, как показы вают полевые и дистанционные исследования, практически все распались и на ходятся в неудовлетворительном состоянии.
При создании ЗЛН очень важной составляющей является учёт различной степени лесопригодности почвенных разностей. Посадке насаждений должны предшествовать работы по составлению карт лесопригодности почв агролесо ландшафтов Волгограда и, исходя из данных почвенных обследований терри тории, должен подбираться породный состав насаждений.
Необходимо повысить биоразнообразие дендрофлоры агролесоландшаф тов Волгограда, которая на сегодняшний день характеризуется бедным видо вым составом древесно-кустарниковой растительности. При подборе ассорти мента пород для ЗЛН следует, в первую очередь, обратить внимание на абори генные виды растений (вязы, дуб черешчатый, клен татарский, ивы, шиповни ки, тамарикс), которые вполне приспособлены к данным условиям произраста ния, а также на интродуцированные породы, уже хорошо зарекомендовавшие себя (сосна обыкновенная, ясень зеленый, робиния псевдоакация, тополя, смо родина золотистая). Так как в сухой степи и полупустыне древесные породы неустойчивы и недолговечны, значительная роль должна отводиться кустарни кам, которые имеют большую природоохранную и экологическую значимость.
Назрела необходимость организации системы мониторинга за состоянием агролесоландшафтов на основе данных дистанционных съемок, которая позво лит своевременно получать информацию о несанкционированных рубках, воз никновении пожаров, появлении стихийных свалок и т.д.
Предложенные мероприятия позволят улучшить состояние защитных лес ных насаждений, а также увеличить лесистость агролесоландшафтов пригород ной зоны, тем самым, сохранив устойчивой экологическую обстановку на ур банизированной территории.
Глава 6. Экономическая эффективность использования дистанционных методов в оценке состояния агролесоландшафтов Экономический эффект применения дистанционных методов в изучении агролесоландшафтов обеспечивается за счет исключения полевых рекогносци ровочных объездов территории, сокращения объемов полевых работ и числа обследуемых объектов, а также за счет ускорения картографических работ.
Стоимость объемов работ, выполняемых наземными методами, составля ет 617139,2 руб. на 1000 га, а издержки на получение аналогичных материалов на основе дистанционных методов - 386434,9 руб., или в 1,6 раза меньше. В пе ресчете на всю площадь ЗЛН ключевых участков (3094,2 га) эти показатели со ставили 1909552,1 руб. и 1195706,9 руб. соответственно. Таким образом, при условии информативной достаточности и экономической доступности приори тет должен отдаваться дистанционным методам.
ВЫВОДЫ 1. На территории города Волгограда выделено 5 крупных морфоструктур ных единиц - ландшафтных полос: водораздельная (плакорная), приводораз дельная, присетевая, гидрографическая суходольная и абразионно аккумулятивная терраса, из которых в пределах агролесоландшафтов приго родной зоны встречаются только первые четыре.
2. При определении эффективности автоматизированного дешифрирова ния космоснимков высокого разрешения установлено, что наилучший резуль тат достигается при выделении насаждений как однородного класса способом максимального правдоподобия. При разделении насаждений на лиственные и хвойные, а также на отдельные породы достоверность результатов дешифриро вания сильно снижается и не достигает необходимого порога в 0,95.
3. Исследования на ключевых участках позволили установить, что ЗЛН агролесоландшафтов Волгограда в основном представлены массивными насаж дениями лесных культур, создаваемых рядовым способом, и характеризуются достаточно бедным породным составом древесно-кустарниковой растительно сти. Среди древесных пород в ЗЛН преобладают сосна обыкновенная, робиния псевдоакация и вяз мелколистный, среди кустарников – смородина золотистая.
4. Поконтурный подсчет площадей сохранившихся ЗЛН свидетельствует о том, что практически половина насаждений агролесоландшафтов Волгограда распалась в силу разнообразных причин (пожаров, повреждения болезнями и вредителями, несанкционированных рубок и др.). Доля сохранившихся насаж дений в среднем по ключевым участкам составляет 48,2% от площади всех на саждений.
5. Процедура ранжирования земель по степени антропогенной преобразо ванности и расчет соответствующего коэффициента позволили установить, что агролесоландшафты Волгограда имеют среднюю степень антропогенной пре образованности. Последняя характеризуется появлением в пределах агролесо ландшафтов объектов антропогенного происхождения (жилой застройки, дач ных массивов, ЛЭП, полигонов твердых бытовых отходов и т.д.), вытесняющих защитные насаждения.
6. Карты экологического состояния агролесоландшафтов, составленные на ключевые участки, позволяют определять первоочередность проведения лесо хозяйственных мероприятий, выявлять территории, потенциально пригодные для облесения, а также выявлять объекты, оказывающие негативное воздейст вие на ЗЛН.
7. Основную роль в восстановлении ЗЛН играет лесомелиорация. На зем лях агролесоландшафтов Волгограда необходимо создать 1181,7 га лесных на саждений, из которых 987,7 га приходится на облесение плакоров и склоновых земель и 194,0 га – на облесение гидрографической сети. Кроме того, предлага ется использовать «резервные» территории, занимаемые в настоящее время са довыми массивами (около 276,8 га) для создания дополнительных насаждений.
Предложенные объемы лесомелиоративных работ позволят улучшить состоя ние ЗЛН, а также увеличить лесистость агролесоландшафта пригородной зоны, тем самым, сохранив устойчивой экологическую обстановку на урбанизиро ванной территории.
8. Использование космоснимков высокого разрешения в изучении агроле соландшафтов урбанизированных территорий позволяет снизить затраты де нежных средств в 1,6 раза по сравнению с аналогичными работами, проводи мыми исключительно наземными методами.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Березовикова, О. Ю. Оценка экологического состояния лесных наса ждений урбанизированной территории на основе космической информации (на примере Волгограда) / В. Г. Юферев, О. Ю. Березовикова // Лесное хозяй ство. - 2007. - № 4. – С. 29-32.
2. Березовикова, О. Ю. Аэрокосмические методы исследования приго родных агроландшафтов / В. Г. Юферев, О. Ю. Березовикова // Земледелие. 2007. - № 6. – С. 4-5.
3. Методические указания по ландшафтно-экологическому профилирова нию при агролесомелиоративном картографировании / Авт. кол. – М., 2007. – 42 с.
4. Березовикова, О. Ю. Картографирование состояния защитных лесных насаждений по аэрокосмоснимкам / В. Г. Юферев, А. С. Рулев, О. Ю. Березови кова и др. // Роль и место агролесомелиорации в современном обществе: мате риалы международной научно-практической конференции, посвященной 75 летию Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелио рации, г. Волгоград, 10-13 окт. 2006. / ВНИАЛМИ. – Волгоград, 2007. – С. 250 261.
5. Березовикова, О. Ю. Геоинформационное картографирование лесных насаждений урболандшафтов / О. Ю. Березовикова // Наука и молодежь: новые идеи и решения: материалы международной научно-практической конференции молодых исследователей, г. Волгоград, 14-16 мая 2007 г. – Волгоград: ИПК «Нива», 2007. – С. 361-364.
6. Березовикова, О. Ю. Оценка состояния объектов озеленения общего пользования города Волгограда / О. Ю. Березовикова // Агролесомелиоратив ное обустройство агроландшафтов: материалы научно-практической конферен ции аспирантов и молодых ученых, г. Волгоград, 18-20 сент. 2007 г. / ВНИАЛ МИ. – Волгоград, 2007. – С. 99-102.
7. Березовикова, О. Ю. Экологические проблемы Зеленого кольца Волго града / К. Н. Кулик, О. Ю. Березовикова // Вестник Волгоградской региональ ной экологической академии. – вып. 1. – Волгоград, 2008. – С. 166-171.
8. Березовикова, О. Ю. Изучение состояния насаждений урбанизирован ных территорий с использованием крупномасштабных космоснимков / О. Ю.
Березовикова // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского ин ститута лесного хозяйства. – вып. 3 (20). – 2009. – С. 171-186.
9. Березовикова, О. Ю. Памятники природы Волгоградского Задонья / А.
С. Рулев, А. В. Кошелев, О. Ю. Березовикова и др. // Степи Северной Евразии:
материалы V международного симпозиума;
под науч. ред. чл.-корр. РАН А. А.
Чибилева. – Оренбург: ИПК «Газпромпечать» ООО «Оренбурггазпромсервис», 2009. – С. 577-580.
10. Березовикова, О. Ю. Аэрокосмический мониторинг и прогнозно динамическое картографирование агролесоландшафтов юга России / К. Н. Ку лик, А. С. Рулев, О. Ю. Березовикова и др. // Инновационная модель монито ринга земель сельскохозяйственного назначения Российской Федерации: мате риалы Всероссийского семинара-совещания. – Воронеж: Изд-во «Истоки», 2009. – С. 76-82.