ПРИМЕНЕНИЕ СПЕКТРОЗОНАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЛИШАЙНИКОВ КАК КОМПОНЕНТОВ   ТУНДРОВЫХ ЭКОСИСТЕМ

Одним из методов контроля за состоянием природных экосистем, включая целый ряд параметров биологического разнообразия растительного покрова, в настоящее время является широкое применение спектрозональных аэрофото- и космических снимков. Ранее многочисленными исследованиями показано, что отражательные способности растительного покрова позволяют использовать контуры растительности на снимках для идентификации природных экосистем и организации аэрокосмического мониторинга за их состоянием (Виноградов, 1976, 1982, 1984, 1988, De Long, 1994 и др.). Это обусловлено тем, что спектральные характеристики разных видов растений существенно различаются по отражению света в разных спектральных диапазонах. Кроме того, значительное влияние на отраженный спектр оказывает состояние растительного покрова.

Космический снимок, полученный со спутника Landsat ТМ5, имеющий пространственное разрешение 30х30 м, содержит огромное количество информации, которую можно извлечь путем его обработки с применением специального программного обеспечения (Erdas Imagine, Arc View, Arc Info и целый ряд других).
Одним из наиболее распространенных индексов, применяемых для изучения состояния растительного покрова, является NDVI (Normalized Differentiation Vegetation Index), который хорошо отражает продуктивность растительных сообществ. Для идентификации же природных экосистем, как было установлено нашими исследованиями 1996-1997 гг., гораздо более приемлемым является индекс UCPC. Его вычисление проводится более сложным путем s через перерасчет величин отражения в 6-ти спектральных диапазонах методом главных компонент (метод Unsupervised Classification from Principal Component sUCPC). В результате обработки космического снимка этим методом группы пикселов со сходными спектральными характеристиками были объединены в 9 классов UCPC. Эту работу выполнили специалисты из Дельфта (Нидерланды) и И.А.Лавриненко.

При проведении полевых работ основной задачей была детальная характеристика экосистем, приуроченных к контурам снимка с разными классами UCPC, причем наиболее значимой частью являлась полная характеристика растительного покрова. Последняя включала проведение геоботанических описаний и полное выявление флористического состава споровых и сосудистых растений.

В ходе экспедиции 1997 г. было обследовано три района, приуроченных к разным элементам ландшафта в пределах снимка дельты р.Печора: 1 - расположен в пойме печорской протоки Кудрин Шар; растительные сообщества здесь представлены комплексами, состоящими, в основном, из мелкозлаковых и заболоченных лугов, зарослей ив и ольховника: в пределах изученных контуров выявлено 73 вида сосудистых растений и 33 вида лишайников; 2 - расположен на западе Большеземельской тундры, в срединной части полуострова Болванский Нос; зональным типом растительности являются мелкоерниковые тундры; выявлено 114 видов сосудистых растений и 83 вида лишайников; 3 - Малоземельская тундра, побережье Баренцева моря, растительность представлена приморскими тундрами, лугами и некомплексными болотами; в пределах изученных контуров выявлено 55 видов сосудистых растений и 47 видов лишайников.

В результате обработки материала нами установлено высокое соответствие между варьированием значений индекса UCPC и числом видов сосудистых растений в сообществах района 1 (Рис. 1). Это подтверждается высоким коэффициентом корреляции между данными показателями (+0.96) и наличием линейной регрессии (Рис.2а), показывающей, что можно достаточно точно оценивать насыщенность видами растительных сообществ по их спектральным характеристикам. Число видов лишайников в районе 1 было в меньшей степени связано с индексами UCPC, что объясняется преобладанием эпифитов, не влияющих на отражательные характеристики сообществ. Тем не менее, наличие положительной коррелятивной связи средней силы (+0.46) свидетельствует о наличии косвенной зависимости между классами UCPC и разнообразием лишайников, обусловленной их субстратной специфичностью (Рис. 26). В пределах района 2 в условиях типичных тундр видовое разнообразие лишайников было более значимо связано с изменением спектральных характеристик земной поверхности, чем число видов сосудистых растений. Об этом свидетельствует как более высокий коэффициент корреляции между числом видов лишайников и классами UCPC (+0.685 против +0.41 для сосудистых растений), так и меньший разброс точек в уравнении регрессии. Сходная картина наблюдалась и для района 3 (+6.67 для лишайников и +0.54 для сосудистых растений).
Кластерный анализ растительных сообществ в каждом из изученных районов, проведенный на основе видового состава сосудистых растений и лишайников, позволяет учитывать уже не только количественные характеристики - общее число видов, но и качественные - какие виды выявлены в том или ином растительном сообществе. Полученные кластеры в целом хорошо соответствуют выделенным типам растительных сообществ, относящихся к определенным классам UCPC.

В качестве примера можно рассмотреть кластерную схему, построенную для района 2 (Рис. 3). Из рисунка видно, что чем больше сходства между растительными сообществами по видовому составу сосудистых растений и лишайников, тем раньше они группируются в кластер. Каждому кластеру в данной схеме соответствуют определенные классы UCPC.

Например, пятнистые кустарничково-мохово-лишайниковые и ивняково-мелкоерниковые кустарничково-мохово-лишайниковые тундры, соответствующие 6-му и 7-му классам UCPC, объединились в один кластер на основании общности их видового состава. Сообщества этого типа приурочены в основном к плакорным, достаточно сухим экотопам и характеризуются высоким проективным покрытием почвы растительностью. В напочвенном покрове обычно преобладают мхи, хотя, в отдельных случаях, на бугорках могут доминировать и лишайники. Число видов сосудистых растений варьирует от 11 до 27. Эти сообщества характеризовались наиболее богатой лихенофлорой в пределах района (44-45 видов). Наибольшим постоянством (частота встречаемости 50% и более) в этих сообществах отличались такие напочвенные виды, как Cetraria islandica, Bryocaulon divergens, Cladonia amaurocraea, C.gracilis, C.stygia, C.uncialis, Flavocetraria cucullata, P.nivalis, Ochrolechia frigida, Peltigera aphthosa, P.polydactylon. На мхах и среди них обитают Lecanora epibryon, Dactilina arctica, Hypogymnia vittata, Nephroma expallidum, Ochrolechia tartarea и др. На ветвях, стволах и комлях ив s Caloplaca holocarpa, Tuckermannopsis sepincola, Nephroma bellum, Parmeliopsis ambigua и P.hyperopta, Peltigera praetextata, Vulpicida pinastri и др.

Аналогичным образом было проведено изучение взаимосвязей между спектральными характеристиками экосистем (UCPC индексы), видовым составом и типам растительных экосистем во всех районах исследований. Полученные результаты позволяют сформулировать некоторые общие закономерности:

1. Результаты кластерного анализа показали, что по видовому составу лишайников и сосудистых растений все изученные растительные сообщества в исследованных районах тундры отчетливо объединяются в кластеры, соответствующие тому или иному типу растительных сообществ.

2. Каждому типу растительного сообщества в изученных районах, с учетом их зональности, соответствует определенный класс UCPC классификации.

3. Выявлены важнейшие закономерности и тенденции сопряженной .изменчивости спектральных характеристик экосистем и их видовой насыщенности, которые с определенной долей вероятности позволяют прогнозировать состояние биологического разнообразия сосудистых растений и лишайников с применением дистанционных методов.

Исследования выполнены в рамках Международного проекта "Структура и динамика экосистем дельты р.Печора".
И.А.Лавриненко, О.В.Павриненко

Игорь Анатольевич Лавриненко,
к.б.н., и.о. заведующего лабораторией экологии и охраны тундры.
Родился в 1961 году.
Закончил Сыктывкарский государственный университет.
Сотрудник Института биологии с 1984 г.
Основные направления научной деятельности - структурно-функциональная организация тундровых экосистем, использование геоинформационных систем и технологий при оценке биологического разнообразия и мониторинга за его состоянием.

Ольга Васильевна Лавриненко,
к.б.н., ст. науч. сотр. лаборатории экологии и охраны тундры.
Родилась в 1962 году.
Закончила Сыктывкарский государственный университет.
Сотрудник Института биологии с 1987 г.
Специалист в области экологии растений.