Changes in NDVI, black carbon and soil moisture in the “Burtinskaya Steppe” of the Orenburg nature reserve according to satellite and ground data in 2000–2022

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Степная зона России простирается от Черного моря до Алтая на юге страны. Особенности степной зоны складываются, прежде всего, под влиянием климатических факторов. Климат русской степи меняется в направлении с юга на восток с умеренно-континентального до резко-континентального. Степная зона отличается наиболее теплым и сухим климатом. Баланс влаги резко отрицательный. Эти факторы способствуют возникновению степных пожаров. Воздействие пожаров на степь неоднозначное. В результате степных пожаров, возникающих преимущественно весной и осенью, в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и дисперсных продуктов пиролиза и горения степных горючих материалов. Положительное воздействие огня на растительный покров состоит в части изменения возрастного состава сообществ, выпадения сорных видов растений, обогащения зольными элементами почвенных горизонтов. Отрицательные факторы воздействия пирогенной нагрузки на растительность степи состоят в том, что выпадают из травостоя некоторые виды однолетних растений, повышается температура верхних слоев почвы, тем самым усиливая процесс опустынивания степи, вымерзают подземные побеги и семена в зимний период. При благоприятных метеорологических условиях заповедная степь восстанавливается в течение 9–17 месяцев, и пожар не наносит растительному покрову катастрофических изменений. Одно из влияний пожаров на почвы заключается в том, что на оголенном участке в ближайшие месяцы после пожара на поверхности почвы резко увеличивается испарение, повышается горизонт вскипания, происходит обеднение почв органическим веществом и другие негативные последствия (Буйволов и др., 2014).

В данной работе на примере участка “Буртинская степь” заповедника “Оренбургский” прослеживается динамика изменений за период 2000–2022 гг. климатических условий по гидротермическому коэффициенту Селянинова (ГТК), содержания в атмосфере черного углерода в условиях степных палов, изменения биомассы растительного покрова по значениям вегетационного индекса NDVI и значений поверхностной влажности почвы.

ВАРИАЦИИ ГТК ДЛЯ БУРТИНСКОЙ СТЕПИ ЗА ПЕРИОД 2005–2022 ГГ.

Буртинская степь – участок Природного заповедника “Оренбургский”, находится в Беляевском районе Оренбургской области. Площадь участка составляет 4500 га. Никогда не распахивалась, за исключением залежей 1976 и 1982 гг. общей площадью около 300 га. Частично использовалась под сенокос. На рис. 1 показана карта Беляевского района Оренбургской области (http://orensteppe.org/node/4966), в юго-восточной части которой находится территория Буртинской степи.

Рис. 1. Карта Беляевского района Оренбургской области.

Климат Буртинской степи имеет явные черты континентальности с холодной суровой зимой (январь –15,8°C), сухим жарким летом (+22°C). Среднегодовое количество осадков 327 мм. Буртинская степь расположена в подзоне южных черноземов. (http://artlib.osu.ru/web/books/chibilev/book0114.pdf?ysclid=lh0g3obbty257593177).

Наиболее часто используемым количественным показателем климата является гидротермический коэффициент Селянинова (Селянинов, 1928; 1958). Определяется ГТК так: ГТК = 10 × ΣRR / ΣТa, где ΣRR – сумма осадков за вегетационный период (период со среднесуточными температурами воздуха больше 10°C), ΣТa – сумма среднесуточных температур за этот же период. На рис. 2 приведены графики значений ГТК, а также суммы температур и осадков*10 за май÷сентябрь 2005–2022 гг. для станции Оренбург (ID35121). График ГТК повторяет график количества осадков при практически не меняющихся среднегодовых вариациях за май-сентябрь температуры воздуха. Абсолютный минимум ГТК и осадков принадлежит 2014 году (ГТК = 0.2165). Следующие минимумы ГТК в порядке возрастания значений принадлежат 2010 году (0.26) и 2021 году (0.261). Отрицательный тренд значений суммы осадков и слабый положительный тренд значений суммы температур воздуха за вегетационный период стали основанием для отрицательного тренда значений ГТК за 2005–2022 гг., что свидетельствует о тенденции усиления аридности территории.

Рис. 2. Графики значений суммы температур и осадков*10 и значений ГТК за май÷сентябрь 2005–2022 гг.

ВАРИАЦИИ ВС В АТМОСФЕРЕ БУРТИНСКОЙ СТЕПИ В УСЛОВИЯХ СТЕПНЫХ ПАЛОВ

В степных почвах хранится огромный запас углерода, включающий в себя органический и неорганический углерод. Одной из двух фракций неорганического углерода является черный углерод, т. е. мелкие и мельчайшие частицы угля, образовавшиеся в результате природных пожаров. Источником выбросов черного углерода (ВС – black carbon) в степи являются степные пожары. BC является основным компонентом сажи. Время его жизни в атмосфере от нескольких дней до недель. Частицы ВС легко вымываются осадками. Баланс влаги в зоне степей резко отрицательный, периодически повторяются засухи. Основная часть степных пожаров в заповеднике происходит в конце летнего сезона – августе-октябре, когда идут полевые работы на прилегающих сельскохозяйственных угодьях, а надземная масса травянистых растений высыхает; реже они происходят в апреле-мае, когда сгорает прошлогодняя сухая трава. В 2009 году на участке “Буртинская степь” выгорело 1900 га. В 2010 году в результате пожаров на участках “Айтуарская степь” и “Буртинская степь” выгорело 8100 га травянистой растительности. В 2014 году на участке “Буртинская степь” пожар, возникший на сопредельной территории, в 8 км от границы участка, привел к выгоранию травянистой растительности на общей площади 2000 га. Пожар тушили до 20.09.2014 года почти 2 месяца (Буйволов и др., 2014).

На рис. 3 показаны карты пожаров на территории Буртинской степи за 2002, 2009, 2010 и 2014 гг., взятые в архиве https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/map/#t: adv; d:2014-07-31.2014-08-30;@56.8,51.1,11z.

Рис. 3. Карты пожаров на территории Буртинской степи за 2002, 2009, 2010 и 2014 гг.

Графики границ пожаров, зафиксированных в период 1991–2014 гг. на участке “Буртинская степь”, и динамика площадей гарей с 1984 по 2014 гг. приведены в работах (Бакиев и др., 2017; Павлейчик, 2016).

Основным источником измерения содержания ВС в атмосфере является спутниковый мониторинг на основе данных реанализа спутниковой информации MERRA-2 (http://giovanni.gsfc.nasa.gov) (Modern-Era Retrospective analysis for Research and Application Version 2) (Gelaroet et al., 2017). Для оценки поверхностной концентрации массы ВС (surface mass concentration-SMC, кг/м³) использованы среднемесячные данные реанализа MERRA-2 за 2000–2022 годы (продукт MERRA-2 model M2TMNXAER v5.12.4, пространственное разрешение (ПР) 0.5°×0.625° (широта × долгота)). Данные усреднены по площадке с центром 51°N, 56.875°Е (Буртинская степь).

На рис. 4 приведены графики сезонных и меж- годовых вариаций ВС для территории Буртинской степи за период 2000–2022 гг. В сезонных вариациях (рис. 4а) (показаны графики только для четных лет) есть два пика значений ВС: в апреле и июле-августе-сентябре. Абсолютный максимум значений ВС принадлежит августу 2010 г. со значением 13×10^–10 кг/м³, следующий по величине максимум – сентябрь 2002 г. (9.9×10^–10 кг/м³), и апрель 2009 г. (7.6×10^–10 кг/м³). Для 2014 года максимум принадлежит сентябрю со значением ВС 4.8×10^–10 кг/м³.

Рис. 4. Сезонные (а) и межгодовые (б) вариации значений черного углерода за 2000–2022 гг.

Для межгодовых вариаций ВС (рис. 4б) тренд положительный как для всего исследуемого периода 2000–2022 гг., так и для отдельных его циклов: 2000–2010 гг., 2011–2022 гг. (для последнего цикла угол линии тренда уменьшился). С интенсивными пожарами в 2010 году связан всплеск межгодовых значений ВС этого года с абсолютным максимумом, равным 3.8 × 10^–10 кг/м³; второй по значению максимум принадлежит 2002 году (2.9 × 10^–10 кг/м³), третий – 2009 году (2.7 × 10^–10 кг/м³). Близкими к последнему являются значения ВС в 2005, 2011, 2012, 2014, 2017 гг.

ВАРИАЦИИ NDVI НА ТЕРРИТОРИИ БУРТИНСКОЙ СТЕПИ В 2000–2022 ГГ.

Динамику изменений NDVI за 2000–2022 гг. на территории Буртинской степи определим с помощью системы анализа и визуализации данных Giovanni (http://giovanni.gsfc.nasa.gov). Используются усредненные по площадке (51.125° ÷ 51.175° с. ш., 56.675° ÷ 56.725° в. д.) ежемесячные измерения прибора MODIS (Terra) с ПР = 0.05° (продукт mean_MOD13C2_006_CMG_0_05_Deg_Monthly_NDVI).

На рис. 5а приведены графики (только для четных лет) сезонных вариаций вегетационного индекса NDVI за период 2000–2022 гг. Максимумы значений NDVI принадлежат маю-июню. Абсолютный максимум равен 0.63 (июнь 2003 г.). Абсолютный минимум межгодовых значений NDVI (рис. 5б) принадлежит 2010 г. (0.2745), что очевидно связано с пожарами 2010 г. Далее по возрастающей межгодовые значения NDVI в 2019 г. (0.326), в 2014 г. (0.336), в 2009 г. (0.34), в 2011 г. (0.342) и т. д. Отрицательная линия тренда значений NDVI для цикла 2000–2010 гг. указывает на тенденцию к уменьшению биомассы на территории Буртинской степи за этот период, особенно в результате пожаров 2010 г. За период 2011–2022 гг. отмечается слабо положительный тренд, связанный с восстановлением растительности степи. Так, для 2016 г. межгодовое значение NDVI (0.45) почти достигло уровня 2000 г.

Рис. 5. Сезонные (а) и межгодовые (б) вариации NDVI для Буртинской степи за период 2000–2022 гг.

ВАРИАЦИИ ВЛАЖНОСТИ ВЕРХНЕГО СЛОЯ ПОЧВЫ ПО МОДЕЛИ FLDAS

FLDAS (Famine Land Data Assimilation System) (https://ldas.gsfc.nasa.gov/fldas) обычно используется для получения информации о многих переменных, связанных с климатом, включая содержание влаги в почве, влажность воздуха, испарение, среднюю температуру почвы, общую норму осадков и т. д., в полузасушливых районах (McNally et al., 2017). Модель поверхности суши Noah 3.6 от FLDAS (Ek et al., 2003) основана на наземных и спутниковых данных об осадках CHIRPS (Climate Hazards Center InfraRed Precipitation with Station data) (Funk et al., 2015) и современном ретроспективном анализе метеорологического воздействия MERRA-2. Ежемесячные результаты моделирования FLDAS за более чем 40 лет с 1982 г. по настоящее время находятся в открытом доступе. Дополнительной особенностью FLDAS является то, что эти данные могут быть визуализированы с помощью онлайн-инструмента Giovanni.

Для начала определим, еcть ли корреляция вычисленных по модели FLDAS значений влажности почвы (ВП) с наземными измерениями для станции RUSWET-AGRO Orenburgskaya_#1 в Оренбургской области, данные которой по ВП доступны на сайте ISMN (International Soil Moisture Network) (https://ismn.geo.tuwien.ac.at/) с 1958 по 1998 гг. (апрель-сентябрь).

Станция RUSWET-AGRO Orenburgskaya_#1 имеет координаты 52.17° с. ш., 55.08° в. д. Расположение станции показано на рис. 6 (указано красной стрелкой). Состав почвы на глубине 0–30 см: насыщение 0.51 (м³ × м^–3), глина – 23 %, песок – 23 %, ил – 54 %, organic carbon – 0.89 %, пахотные земли, орошаемые дождем. В наземные измерения входит влажность почвы (sm – soil moisture) на глубине 0–20 см и 0–100 см.

Рис. 6. Расположение станции RUSWET-AGRO Orenburgskaya_#1 на карте Оренбургской области.

На рис. 7а приведены графики сезонных вариаций (три значения в месяц) наземных измерений влажности почвы на глубине 0–20 см на станции Orenburgskaya_#1 и на рис. 7б – графики среднемесячных значений ВП на глубине 0–10 см по модели FLDAS (продукт Model FLDAS_NOAH01_C_GL_M v001, ПР = 0.1°, усреднение по площадке с центром 52.15° с. ш., 55.05° в. д.) за 1994–1998 гг.

Рис. 7. а – сезонные вариации наземных измерений влажности почвы на глубине 0–20 см и б – среднемесячные значения ВП на глубине 0–10 см по модели FLDAS за 1994–1998 гг. на станции Orenburgskaya_#1.

График среднемесячных вариаций наземных и FLDAS измерений ВП для станции Orenburgskaya_#1 приведен на рис. 8.

Рис. 8. Среднемесячные вариации значений ВП по наземным и FLDAS данным для станции Orenburgskaya_#1.

Коэффициент корреляция Спирмена (ККС) между среднемесячными значениями наземных измерений ВП и полученными на основе модели FLDAS равен ρ_s = 0.74 (р = 5 × 10^–6, N = 26).

Достаточно высокое значение ККС между наземными и FLDAS значениями ВП дает возможность использовать модель FLDAS для оценки ВП в районе Буртинской степи за период 2000–2022 гг. На рис. 9а показаны графики сезонных вариаций среднемесячных значений ВП на глубине 0–10 см для района Буртинской степи по модели FLDAS (усреднение по площадке с центром 51.15° с. ш., 56.7° в. д.). Отмечаем два максимума значений ВП: весной (март-апрель) и осенью (ноябрь). Минимум значений ВП принадлежит летним месяцам. Межгодовые вариации значений ВП по модели FLDAS (0–10 см) для Буртинской степи при усреднении значений ВП за май-октябрь показаны на рис. 9 б за период 2000–2022 гг. (показаны только четные годы). Абсолютный минимум межгодовых значений ВП принадлежит 2010 году (0.18). Минимум ВП в 2010 году коррелирует с минимумом ГТК (рис. 2) и NDVI (рис. 5), т. е. слабая влагообеспеченность территории способствует усилению степных пожаров (крупный степной пожар 2010 года (Буйволов и др., 2014)) с выгоранием травянистой растительности и уменьшением влажности верхнего слоя почвы. По мере возрастания значений следующие минимумы ВП принадлежат 2021, 2014 и 2015 гг. Линия тренда межгодовых значений влажности почвы отрицательная как для периода с 2000 по 2010 гг., так и для периода 2011–2022 гг., но для второго цикла наклон линии тренда незначительный.

Рис. 9. Графики сезонных (а) и межгодовых (б) вариаций среднемесячных значений ВП на глубине 0–10 см для района Буртинской степи по модели FLDAS.

В таблице 1 приведены значения ККС между ГТК, ВС, NDVI и ВП (FLDAS) для Буртинской степи (ρ_s – коэффициент корреляции Спирмена, р – уровень статистической значимости ККС, N – число лет). В условиях разнообразия используемых данных (метеоданные, спутниковые, наземные измерения, модели), в результате получено, что между этими данными есть корреляция со значениями ККС от средних до умеренных при высоком уровне статистической значимости.

Таблица 1. Значение ККС между ГТК, ВС, NDVI и ВП (FLDAS).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Суммируя полученные результаты по сезонным и межгодовым вариациям значений ГТК, ВС, NDVI и ВП для Буртинской степи за период 2000–2022 гг., можно выделить следующие моменты:

1. Отрицательный тренд значений ГТК за 2005–2022 гг. свидетельствует о тенденции к ослаблению влагообеспеченности территории, что способствует возникновению степных пожаров. Следствием климатических вариаций является положительный тренд содержания черного углерода в атмосфере исследуемой территории, а также тенденция к некоторому уменьшению влажности верхнего слоя почвы. Для межгодовых вариаций NDVI характерны два тренда: отрицательный за период 2000–2010 гг. и слабо положительный за период 2011–2022 гг., что свидетельствует о стремлении к восстановлению степной растительности после степных пожаров 2010 года.
2. Абсолютными межгодовыми данными выделился пирогенный 2010 год: абсолютный минимум значений NDVI (0.27), ВП (0.188 м³/м³) и абсолютный максимум значений ВС (3.8×10^–10 кг/м³), а также второй по значению минимум ГТК (0.26) (после 2014 года (0.21)) и осадков 87.7 мм (измерения за май-сентябрь).
3. Корреляция между значениями ГТК, ВС, NDVI и ВП в условиях разнообразия используемых для их получения данных (метеоданные, спутниковые, наземные измерения, модели) есть со значениями ККС от средних до умеренных при высоком уровне статистической значимости.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках государственного задания Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН.

作者简介

N. Rodionova

编辑信件的主要联系方式.
Email: rnv1948123@yandex.ru
俄罗斯联邦, Fryazino, Moscow Region

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Map of Belyaevsky district of Orenburg region.

下载 (267KB)

索引源数据

3. Fig. 2. Graphs of the values ​​of the sum of temperatures and precipitation*10 and the values ​​of the hydrothermal coefficient for May–September 2005–2022.

下载 (176KB)

索引源数据

4. Fig. 3. Maps of fires in the Burtinskaya steppe for 2002, 2009, 2010 and 2014.

下载 (352KB)

索引源数据

5. Fig. 4. Seasonal (a) and interannual (b) variations in black carbon values ​​for 2000–2022.

下载 (184KB)

索引源数据

6. Fig. 5. Seasonal (a) and interannual (b) variations of NDVI for the Burtynskaya steppe for the period 2000–2022.

下载 (174KB)

索引源数据

7. Fig. 6. Location of the RUSWET-AGRO Orenburgskaya_#1 station on the map of the Orenburg region.

下载 (169KB)

索引源数据

8. Fig. 7. a – seasonal variations in ground measurements of soil moisture at a depth of 0–20 cm and b – average monthly values ​​of WP at a depth of 0–10 cm according to the FLDAS model for 1994–1998 at the Orenburgskaya_#1 station.

下载 (157KB)

索引源数据

9. Fig. 8. Average monthly variations in the WP values ​​based on ground-based and FLDAS data for the Orenburgskaya_#1 station.

下载 (95KB)

索引源数据

10. Fig. 9. Graphs of seasonal (a) and interannual (b) variations in average monthly values ​​of WP at a depth of 0–10 cm for the Burtinskaya steppe region according to the FLDAS model.

下载 (208KB)

索引源数据