Динамика пожаров на территории лесотундры Западной Сибири

Михаил Московченко

Динамика пожаров на территории лесотундры Западной Сибири

При помощи обработки данных дистанционного зондирования Земли были определены площади пожаров, возникавших на территории лесотундры Западной Сибири в период с 1985 по 2018 и выявлены взаимосвязи между возникновением пожаров и метеоусловиями. Кроме того, выполнено описание почвенно-растительного покрова на территории пожара 28-летней давности и на территории прилегающего фонового ландшафта.

География

Курсовые

Вуз: Тюменский государственный университет (ТюмГУ)

ID: 5d0dcb6b7966e10f58a1c2e7

UUID: 63c54630-76e5-0137-9bca-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: почти 5 лет назад

Просмотры: 29

11.08

Михаил Московченко

Тюменский государственный университет (ТюмГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 3,4 МБ

Поделиться работой

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ИНСТИТУТ НАУК О ЗЕМЛЕ КАФЕДРА ФИЗИЧЕСКОЙ ГЕОГРАФИИ И ЭКОЛОГИИ ДИНАМИКА ПОЖАРОВ НА ТЕРРИТОРИИ ЛЕСОТУНДРЫ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ (курсовая работа) Научный руководитель: к.г.н., доцент А.А. Юртаев ______________________ Выполнил: студент 25Г163 М.Д. Московченко ______________________ Тюмень, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение .............................................................................................................................3 Глава 1 Обзор литературы ................................................................................................4 Глава 2 Физико - географическая характеристика исследуемой территории .............8 2.1 Географическое положение ....................................................................................8 2.2 Геологическое строение ..........................................................................................9 2.3 Геоморфология.......................................................................................................10 2.4 Климат ....................................................................................................................11 2.5 Гидрография ...........................................................................................................12 2.6 Почвы ......................................................................................................................12 2.7 Растительный покров ............................................................................................14 2.8 Животный мир .......................................................................................................15 2.9 Физико-географическое районирование .............................................................16 Глава 3 Методика исследования ....................................................................................19 Глава 4 Результаты исследования ..................................................................................25 4.1 Результаты исследования зоны лесотундры методами дистанционного зондирования Земли ................................................................................................................25 4.2 Результаты полевых исследований ......................................................................33 Заключение .......................................................................................................................36 Список литературы ..........................................................................................................37 Приложение А ..................................................................................................................40 Приложение Б ..................................................................................................................42 2

ВВЕДЕНИЕ Исследование динамики пожаров зоны лесотундры Тюменской области может представлять большой научный интерес, поскольку зона лесотундры, как переходная между зоной тайги и зоной тундры, а также расположенная на границе сплошного и островного распространения многолетней мерзлоты, может быть подвержена изменениям как природного характера, так и антропогенному влиянию в результате как активного промышленного освоения ее территории, так и в результате глобального изменения климата, влияющего на растительность, почвы, многолетнюю мерзлоту. Пониженная устойчивость лесотундровых геосистем к внешним воздействиям предопределена также тем, что тундровые и лесотундровые растительные сообщества имеют низкий потенциал самовосстановления, обусловленный низкой интенсивностью их функционирования. Пожары являются одним из наиболее важных факторов изменения ландшафтов в зоне лесотундры, так как они могут распространяться на большие площади и значительно трансформировать почвенно-растительный покров. Достаточно хорошо изучено влияние пожаров на отдельные компоненты ландшафтов лесотундры (почвы, растительность, многолетнюю мерзлоту), однако закономерности их возникновения и распространения на исследуемой территории (в зоне лесотундры Тюменской области) исследованы недостаточно. Пожары также могут возникать вследствие антропогенной деятельности, такой как освоение и эксплуатация месторождений углеводородного сырья, и глобального изменения климата, приводящего к повышению температуры и, следовательно, к повышению пожарной опасности. Целью работы было выбрано исследование пространственно-временных закономерностей в динамике пожаров зоны лесотундры Тюменской области. Исследование проводилось с помощью методов дистанционного зондирования Земли, методов статистической обработки полученных географических данных, применялись также методы полевого описания почвенно-растительного покрова и метод химического анализа проб почвы. На первом этапе работы была выполнена обработка космических снимков всей территории зоны лесотундры Тюменской области за период с 1985 по 2018 год с целью определения площадей, подвергнувшихся воздействию пожаров в каждом году и последующий анализ полученных данных статистическими методами и поиск взаимосвязей с динамикой метеоусловий. На втором этапе было выполнено полевое описание почвеннорастительного покрова на территории пожара 28-летней давности и на территории прилегающего фонового ландшафта, а также лабораторный геохимический анализ почвы. 3

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Тема динамики пожаров на территории зоны лесотундры достаточно хорошо освещена в научной литературе в связи с хозяйственным освоением данной территории, в ходе которого необходимо учитывать последствия антропогенного преобразования природных лесотундровых ландшафтов, обладающих низким потенциалом самовосстановления, а также в связи с возможным влиянием процессов глобального изменения климата. Первые исследования динамики пожаров в Арктике были проведены в Северной Америке в 1970-х. В их ходе были изучены отдельные участки пожаров в Северо-Западных Территориях Канады [26] и в Квебеке [29], были установлены общие закономерности появления и распространения пожаров. В частности, было установлено, что большинство пожаров в зонах тундры и лесотундры распространяются на территории не более 1 км 2, но встречаются пожары, охватывающие большие территории, а также что большинство пожаров приходится на конец июля и начало августа [31]. К началу 1990-х были накоплены данные об изменениях природной среды после пожаров, что позволило установить закономерности во влиянии пожаров на глубину сезонноталого слоя (увеличение глубины протаивания) [27] и на густоту древесной растительности (по прошествии сорока лет после пожара в Квебеке средняя сомкнутость древостоя значительно уменьшилась) [29]. В России исследования динамики пожаров лесотундры начали проводиться позже, уже в 2000-х в связи с возникшей в результате промышленного освоения необходимостью оценить антропогенное влияние на ландшафты лесотундры и их устойчивость. Существенную роль сыграло участие российских ученых в международных программах мониторинга (в частности, программы Циркумполярного мониторинга сезонноталого слоя (CALM)) [18] и распространение эффективных и не требующих финансирования методов дистанционного зондирования [13]. Часто при оценке влияния пожаров на динамику ландшафтов лесотундры оцениваются потери и восстановление запасов почвенного и растительного углерода. Так, в исследовании, проведенном Честных О.В с соавторами [22] было определено, что пожары в южной тундре (близкой по условиям к лесотундре) приводят к потерям 2 кг углерода на м2, наземный растительный углерод восстанавливается на 50% за 8 лет и на 110% за 15 лет, тогда как почвенный углерод восстанавливается за 11 лет лишь на 20%. Также было отмечено, что эмиссия углерода в результате пожаров приводит к неопределенности в оценке параметров углеродного цикла экосистем лесов Сибири (включая лесотундру) [7], а так как среднее содержание углерода в почвах лесотундры Западной Сибири составляет 4

14,7 т/га [24], вклад торфяных пожаров в эмиссию углерода может быть существенным [9][28]. Важное значение при оценке влияния пожаров на динамику ландшафтов имеет исследование восстановления растительного покрова. Этот аспект пирогенной динамики ландшафтов наиболее подробно описан в научной литературе. Исследования показывают, что полное восстановление лишайникового покрова происходит за 150 лет [10]. В первые 4-5 лет начинается восстановление лиственница сибирская (Larix sibirica), береза извилистая (Betula tortuosa), береза карликовая (Betula nana) и ива шерстистопобеговая (Salix dasyclados), начинает восстанавливаться травяно-кустарничковый покров, преобладает багульник болотный (Ledum palustre), наиболее выгоревшие места занимают пионерные виды: иван-чай (Chamaenerion angustifolium), вейник (Calamagrostis purpurea), мох Polytrichum juniperinum [1]. На первой стадии восстановления (4-50 лет) восстанавливаются Betula tortuosa, Larix sibirica, в кустарниковом ярусе преобладает Betula nana, Salix glauca, Salix lanata, высота яруса 0,6-0,7 м. В травяно-кустарничковом ярусе преобладает Ledum palustre, повсеместно распространены пирофитные лишайники [11]. Для этой стадии характерно наибольшее видовое разнообразие лишайников [1]. На второй стадии (40-100 лет) происходит окончательное возвращение лиственницы в первый ярус, полное восстановление кустарников, мхов, аборигенных видов растительности, кустистых лишайников на стадии Cladonia arbuscula [11]. Происходит незначительное уменьшение видового разнообразия лишайников [1]. На последней стадии (100-150 лет) происходит полное восстановление коренных растительных сообществ с разреженным кустарниковым ярусом, преобладанием в ярусе лишайников Cladonia rangiferina [11] и значительным снижением видового разнообразия лишайников [1]. Также отмечается положительное влияние пожаров на возобновление лиственницы самосевом при неполном выгорании подстилки [17]. Большое внимание при исследовании влияния пожаров на ландшафты лесотундры уделяется изменениям почвенного покрова и многолетней мерзлоты. В силу расположения в криолитозоне, влияние пожаров на почву специфично. В частности, вследствие уменьшения альбедо возрастает летняя температура почвы [23], что приводит к увеличению мощности сезонноталого слоя, появлению новообразований, в том числе новых почвенных горизонтов, изменению химизма почвенных процессов [21]. Основные морфологические изменения почв заключаются в выгорании верхних органогенных горизонтов, в связи с чем уменьшается их вклад в общий запас почвенного углерода [20]. Почвы зоны лесотундры характеризуются низкой скоростью образования метана, азотфиксации и денитрификации. Основным потоком углерода в почве является аэробное окисление с образованием 5

углекислого газа (СО2), при этом в первые годы после пожара наблюдается снижение его эмиссии. Потери почвенного углерода в результате пожаров составляют более 25 %, потери почвенного азота – более 25–30 % от первоначальных запасов, а на их восстановление может уходить более 60 лет [15]. Кроме того, в результате образования гидроксидов, оксидов и карбонатов калия и кальция при пиролизе органического вещества почв [16] происходит снижение кислотности (с кислой и слабокислой до нейтральной) и насыщенности основаниями, наблюдающееся на протяжении от 6 до 25 лет [5][20]. В первые годы после пожаров происходит интенсификация ферментативной и целлюлозоразлагающей активности криогенных почв, что особенно проявляется в верхних пирогенно-трансформированных слоях [4]. Изменения почвенного субстрата во время пожара приводят к всплеску активности микроорганизмов, минерализующих органическое вещество подстилки. Уровень активности падает уже через 7 дней после пожара, так как доступное для микробиоты органическое вещество быстро исчерпывается [16]. В настоящее время для исследования пожаров широко применяются методы дистанционного зондирования, позволяющие оперативно обнаруживать пожары и точно устанавливать их площадь, проводить мониторинг и прогнозирование их возникновения. Примером применения методов дистанционного зондирования для исследования пожаров может являться выполненная А.В. Рубцовым работа по разработке модуля прогнозирования пожаров в глобальной модели динамики растительности ORCHIDEE. В качестве входных данных модуль использует космические снимки AVHRR и MODIS, позволяющие выявлять пожары по высоким значениям термального спектрального канала, и данные метеорологических станций, прогнозирование появления и распространения пожаров осуществляется путем расчета индексов горимости, основанных на климатических показателях [19]. Пожары могут рассматриваться и как антропогенный фактор, влияющий на ландшафт. Так, С.Г. Корниенко для определения степени антропогенной трансформации ландшафтов анализирует показатель общей площади преобразованных ландшафтов, включая территории нефтегазоконденсатного гарей и горельников: месторождения площадь на территории преобразованных Уренгойского ландшафтов составляет 31,6% от площади месторождения, из которых порядка 24% приходится на пожары [13]. Часто методы дистанционного зондирования используются в комплексе с традиционными методами полевых и стационарных исследований, что позволяет экстраполировать полученные при полевых исследованиях данные на большую территорию [24]. На основании анализа вышеупомянутых научных работ можно сделать вывод об интересе со стороны научного сообщества к данной теме, проявляемом в связи с 6

продолжающимся промышленным освоением территорий лесотундры, сопровождающимся нарушением коренных ландшафтов, а также в связи с влиянием на исследуемые ландшафты глобального изменения климата, вызывающего изменение функционирования геосистем и приводящего к трансформации их структуры. Для выполнения исследований применяется широкий спектр методов, предназначенных для изучения отдельных компонентов ландшафта и их динамики. Наиболее значимыми при исследовании динамики ландшафтов лесотундры Западной Сибири являются исследование пирогенной динамики растительности, почв, многолетней мерзлоты, измерение эмиссии парниковых газов, так как изучаемые этими методами ландшафтные компоненты имеют тенденцию к изменению под влиянием пожаров, а также методы дистанционного зондирования, позволяющие охватывать большие территории и выявлять пространственновременные закономерности возникновения пожаров. Однако необходимо также сказать, что несмотря на достаточно хорошую разработанность темы, на территории Западной Сибири исследования пожаров охватывают лишь отдельные районы и касаются в основном пирогенного изменения растительного покрова, тогда как изменение почвенного покрова и многолетнемерзлых пород остается слабоизученным. 7

ГЛАВА 2 ФИЗИКО - ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ 2.1 Географическое положение Рисунок 1. Географическое положение исследуемой территории (1 - Урало-Обская, 2 – Нижнеобская, 3 - Салехардская, 4 - Надым-Пуровская северная,5 - Нижнетазовская провинция) Лесотундра протягивается вдоль Северного полярного круга полосой в 50-150 км в поперечнике. В ней ландшафты южной тундры и северной тайги переплетаются в сложном сочетании. Переходные черты от тундры к тайге характеризует неопределенность границ лесотундры. Б.Н. Городков и Л.С. Берг присоединяли лесотундру к тундре. В наши дни ее выделяют и как самостоятельную зону или объединяют с частью северной тайги в зону „тундролесья” [3]. Северный полярный круг пересекает 150-180-километровую зону лесотундры приблизительно в средней части. Лишь восточнее нижнего течения Таза лесотундра целиком находится в Заполярье. Лесотундровые ландшафты занимают узкую по широте полосу, отличающуюся наибольшим сгущением летних изотерм, которое свидетельствует о том, что здесь температуры очень быстро меняются по широте. Поэтому 8

малейшие изменения в мезоформах рельефа, вызывающие увеличение или уменьшение оттока поверхностных вод, или изменение в поступлении солнечного тепла, приводят к частой смене признаков лесного типа на тундровый, и наоборот. Лесотундровые ландшафты развиваются в условиях многолетней мерзлоты, но в формировании рельефа кроме мерзлотных принимают участие и эрозионные процессы. Придолинные склоны и надпойменные террасы рек или слегка наклоненные на юг междуречные равнины, т. е. наиболее дренированные и прогреваемые участки поверхности заняты лиственничными лишайниковыми или сфагновыми редколесьями. Плохо дренируемые вогнутые склоны и депрессии на междуречьях покрыты густыми зарослями мохового ерника на торфянистогаревых почвах. Слегка вогнутые междуречья с плохим оттоком поверхностных вод заняты бугристыми сфагновыми болотами или кустарничково-моховой тундрой на элювиальноглеевых почвах. Урало-Енисейская лесотундровая ландшафтная область полностью находится в пределах Западно-Сибирской физико-географической страны, то есть не включает в себя Урал. В пределах Урало-Енисейской лесотундровой ландшафтной области выделяются пять ландшафтных провинций: Урало-Обская, Нижнеобская, Салехардская, Надым-Пуровская северная, Нижнетазовская [3]. 2.2 Геологическое строение Территория лесотундры Тюменской области лежит в северной части ЗападноСибирской плиты. Ее геологическое строение в значительной степени изменяется с запада на восток. Краевые части зоны сложены породами мелового (Урало-Обская и Нижнеобская провинции) и палеоценового (восточная часть Нижнетазовской провинции) возраста, а центральная часть – породами эоцена и олигоцена. На изучаемой территории распространены морские четвертичные отложения 3 и 4 морской террасы (на водораздельных поверхностях) и аллювиальные четвертичные отложения (в поймах рек). К моменту полной регрессии древнего моря исследуемая территория представляла собой сплошную первичную аккумулятивную низменность. В результате поднятий последующего времени произошли ее расчленение речной сетью и выработка долин с серией террас, сопрягающихся с морскими террасами. Неотектонические движения выражены слабо, имеют сравнительно малый градиент скоростей новейших тектонических движений (50-200 м) и имеют характер поднятий на возвышенностях, и опусканий на низменносях, приуроченных к долинам рек. Складчатый фундамент платформы 9

неоднороден, в западной части это пермский бассейн, в центральной части – герциниды, в восточной – байкалиды, между герцинидами и байкалидами расположены интрузии пермско-триасовых базальтов. Максимальная глубина залегания фундамента – 8-9 км [2]. Вся исследуемая территория входит в провинцию пресных подземных вод криолитозоны. Формируются очень, особо и умеренно пресные подземные воды криогенной метаморфизации и выщелачивания с минерализацией до 0,3 — 0,5 г/л, среди которых широко распространены гидрокарбонатные натриевые воды I типа. Исследуемая территория лежит в пяти нефтегазоносных областях: Зауральской, Южно-Ямальской, Нурминско-Александровском поясе, Уренгойской и Пур-Тазовской зонах. Наибольшими запасами обладают Уренгойская и Пур-Тазовская области, Нурминско-Александровский пояс, объем запасов Зауральской и Южно-Ямальской провинций характеризуются как средний [3]. В центральной части зоны имеются многочисленные месторождения минерального строительного сырья (песков, глин, кремнистого сырья). 2.3 Геоморфология Большую часть площади лесотундры занимает морская терраса среднеплейстоценового возраста, имеющая высоту 70-120 м. К моменту полной регрессии моря это была сплошная первичная аккумулятивная низменность. В результате эпейрогенических поднятий последующего времени произошли ее расчленение речной сетью и выработка очень крупными водными артериями долин с серией террас, сопрягающихся с морскими террасами Обской и Тазовской губ тундровой зоны [8]. В рельефе зоны лесотундры происходит чередование низменностей, приуроченных к долинам крупных рек, с возвышенностями. Нижнеобская и Усть-Обская низменности приурочены к долине Оби, Надымская- к долине Надыма, Пуровская – к долине Пура, Тазовская – к долине Таза. Нижнеобскую и Надымскую низменности разделяет Полуйская возвышенность, Надымскую и Пуровскую низменности – возвышенность Сатты, а Пуровскую и Тазовскую низменности – Пур-Тазовская возвышенность [3]. Средняя высота на территории лесотундры составляет около 50 метров выше уровня мирового океана, и даже ее части, приуроченные к возвышенным элементам рельефа, таким как Пур-Тазовская возвышенность, редко превышают 100 метров. Углы наклона не превышают 6° то есть рельеф является пологим, перепады высот небольшие, что 10

обуславливает слабый дренаж и сильную заболоченность, характерную в целом для Западно-Сибирской равнины. Как верхний, так и более низкие уровни морских и аллювиальных террас сложены преимущественно суглинистым и супесчаным материалом, что при наличии многолетней мерзлоты (с 60 - 130 см глубины) определяет развитие при благоприятных условиях процессов пучения, солифлюкции, термокарста. В лесотундре широко развиты бугры пучения — гидролакколиты, образование которых может происходить лишь при наличии многолетней мерзлоты и мощного слоя торфа. Течение грунтов в лесотундре не имеет такого распространения, как в типичной тундре, вследствие меньшей расчлененности междуречных пространств или перекрытия их мощными толщами торфа. 2.4 Климат Климат лесотундры субарктический. Средняя годовая температура с запада на восток изменяется от -5,4 до -8,5°. Повсеместно развита сплошная многолетняя мерзлота. Талики находятся только под крупными реками и озерами значительной площади; мелкие же водотоки в теплый период года текут по многолетнемерзлым породам, а зимой промерзают. В особенностях климата проявляются признаки морского влияния, но оно выражено значительно слабее, чем в тундре, и отчетливо заметно главным образом в западной части лесотундровой зоны. На формирование температурного режима, вместе с радиационными факторами, большое влияние оказывает перенос морских воздушных масс с севера и запада и континентальных с юга. Летом преобладают северные ветры, снижающие температуру воздуха, хотя влияние инсоляции значительно, особенно в тихую погоду; сумма температур деятельной поверхности (растительность, почва) за теплый период в тундре почти вдвое больше суммы температур воздуха на высоте двух метров, зимой преобладает вынос относительно теплых воздушных масс с запада [2]. По данным, полученным при анализе космических снимков MODIS, полярная ночь на исследуемой территории длится с середины ноября по начало января, в этот период усиливается циклоническая деятельность, что приводит к резким колебаниям температуры, нередки метели. Переход температуры через 0̊ С весной происходит в середине мая, в это же время начинается активный рост растений, обратный переход температуры через 0̊ С осенью происходит в конце сентября. В Салехарде самым холодным месяцем является февраль (-24°), что характерно для морского климата, а самым теплым — июль (12,5°), как в типично континентальных 11

областях; абсолютный минимум температуры — около -60°. Годовое количество осадков в лесотундре несколько больше (300—350 мм), чем в тундре. В результате большего количества тепла увеличивается испарение (200—250 мм) при сохранении в общем крайне выраженного избыточного увлажнения территории. 2.5 Гидрография Гидрографическая сеть образована многочисленными небольшими речками, зимой в подавляющем большинстве случаев промерзающими, и термокарстовыми озерами, иногда бессточными, а также пойменными озерами. Исключение составляют крупные транзитные реки, такие как Обь, Надым, Таз и Пур, имеющие в течение всего года подледное течение. Характерной чертой гидрографической сети является преобладание малых рек (длина менее 50 км) и малых озер (площадь зеркала менее 1 км2), а также сильная заболоченность их водосборов. Так, в бассейне Пура расположены 85 000 озер, в бассейне Таза – 35 000 [14]. Заозеренность составляет 7-12% в пределах низменностей и 0,5-2% на возвышенностях. Удельная водообеспеченность на единицу площади здесь 755-765 мм, что в три раза больше, чем в среднем по Российской Федерации и свидетельствует об избыточном увлажнении. По происхождению на территории лесотундры выделяют ледниковые, морские, речные (старичные), термокарстовые и внутриболотные озера [3]. Реки обладают небольшими уклонами, типичными для равнинных рек. Преобладающий тип питания рек – снеговой (60 - 80%). Реки исследуемой территории находятся подо льдом в течение 200 дней в году, ледоход происходит в начале июня, ледостав – во второй декаде октября. Максимальная температура воды наблюдается, как правило, в июле и варьирует по территории от 10 до 24°С. Реки восточной части зоны (такие как Таз и Пур) несут больше взвешенных наносов, что объясняется увеличением расчлененности рельефа в верховьях и разреженностью лесов [2]. 2.6 Почвы Для почв лесотундры характерен переходный характер от почв тундровых глеевых к подзолистым таежным, вследствие чего в них отмечаются как характерные для тундры процессы оглеения, так и характерные для тайги процессы оподзоливания. На исследуемой территории встречаются несколько типов почв, характерных для разных геосистем. 12

Наибольшее развитие на территории лесотундры Западной Сибири получили тундровые элювиально-глеевые почвы (часто в комплексе с почвами пятен), болотномерзлотные и болотные остаточно-торфяные почвы. Также в предгорьях Урала распространены тундровые глеевые, на приречных наиболее дренированных участках подзолы иллювиально-железисто-гумусовые и иллювиально-гумусовые, на левобережье Оби и вдоль р. Таз - таежные глее-мерзлотные и мерзлотные почвы, а в долинах рек – аллювиальные почвы [3]. Тундровые элювиально-глеевые (тундровые дифференцированные) почвы развиваются на суглинистых и глинистых почвообразующих породах. Профиль почв имеет признаки осветления в своей верхней части и состоит из следующих горизонтов: А0А1 сложный горизонт одернованной подстилки мощностью 0,5-5,0 см (в зависимости от степени задернованности); Aeg - элювиально-глеевый, суглинистый, палевой окраски с крупными сизыми пятнами оглеения, тиксотропный мощностью 15-20 см; BG - сизоватоохристый оглеенный, тиксотропный мощностью 15-20 см; ВС - более сухой, оструктуренный суглинистый, на глубине 60-70 см переходящий в материнскую породу. Многолетняя мерзлота встречается на глубине около одного метра. Гумус фульвокислотный и содержание его в A0A1 около 4%, ниже уменьшается и в горизонте С составляет всего немногие десятые доли процента. Реакция почв кислая и сильнокислая. Почвы пятен формируются в комплексе с элювиально-глеевыми почвами. Для оголенных почв пятен характерно отсутствие растительности и органо-аккумулятивного горизонта в профиле. Остальные свойства, в той или иной степени, определяются свойствами почв, контактирующих с пятнами. В образовании пятнистой тундры главную роль играют мерзлотные процессы. Пятна могут быть выпуклыми, вогнутыми, слегка приподнятыми над поверхностью почвы, округлыми или овальными, они оконтурены узкими ложбинками с растительностью. Величина пятен обычно 2-3 м в поперечнике. Повторение процессов излияния грунтов приводит к периодическому перемешиванию всей массы почвы, находящейся над горизонтом многолетней мерзлоты, и препятствует образованию сколько-нибудь выраженного почвенного профиля. В случаях, когда пятно сформировано в результате постепенного уничтожения растительного покрова, сохраняются генетические горизонты, лежащие под уничтоженными горизонтами. Болотные мерзлотные (торфяные и остаточно-торфяные) почвы. Морфологические различия между верховыми, переходными и низинными торфянисто- и торфяно-болотными мерзлотными почвами весьма незначительные. Мощность торфа часто превышает 1 м. Для этих почв характерно чередование торфяных бугров с обширными мочажинами. Торфяные бугры имеют высоту до 1-2 м (реже более) и в поперечнике 15-30 м, пологие склоны 13

(«плоские бугры») и мелкобугорковатую поверхность. Они развиваются в автоморфных условиях при близком залегании многолетней мерзлоты (40-50 см); считаются древними образованиями. Их современная растительность (не сплошной покров), генетически не связана с торфяным субстратом. Эти бугры в настоящее время вышли из болотного режима, современного торфообразования не происходит, и торфяная масса в них деградирует. Для бугров характерны растрескивание поверхностных торфянистых горизонтов, их иссушение и дефляция. Почвообразующими породами на исследуемой территории являются глины и суглинки. Морские отложения, слагающие почвообразующие породы водоразделов, сформировались в значительной степени за счет материала уральского и среднесибирского происхождения. В результате имеет место обогащение наносов разного генезиса обломками основных пород. 2.7 Растительный покров Растительность зоны лесотундры сочетает в себе черты растительности тундры и тайги. Северная часть зоны лесотундры относится к подзоне южной тундры растительной зоны субарктических тундр, а южная – к подзоне редколесий таежной растительной зоны [12]. Южные субарктические тундры представлены зональными сообществами ерниковых и ивняковых кустарничково-зеленомошных бугорковатых и пятнистобугорковатых тундр, ерниковых и ивняковых кустарничково-лишайниково-зеленомошных бугорковатых тундр. На плоских слабодренируемых участках развиты ерниковые и ивняковые, местами с ольховником травяно-кустарничково-зеленомошные заболоченные тундры. На дренированных повышенных участках распространены кустарничково-моховолишайниковые тундры. Болота представлены кустарничково-осоково-моховыми и кустарничково-мохово-лишайниковыми полигональными комплексными болотами. Пойменная растительность субарктических тундр представлена динамическими рядами разнотравно-злаковых лугов, кустарниковых ивняков, кустарничково-травяно-моховых с ивой и ерником, ивняково-ерниково-ольховниковых тундр и участков осоково-гипновых болот. Основой сообществ зоны редколесий являются лиственница сибирская (Larix sibirica) и ель сибирская (Picea obovata). Северная территория редколесий характеризуется распространением еловых, лиственничноеловых, лиственничных и лиственничноберезовых сообществ (с березой пушистой - Betula pubescens), которые сочетаются с 14

кустарниковыми тундрами. В понижениях редколесья сочетаются с плоскобугристыми болотами, а на повышениях, приречных дренированных участках - с лиственничными редкостойными лесами. Междуречья лесотундровой зоны обычно заняты массивами торфяных болот, среди которых древесная растительность отсутствует или встречается в виде единичных угнетенных экземпляров лиственницы. Значительно меньшую площадь занимают леса, приуроченные к расчлененным краям междуречий, с их более сухой поверхностью, повышенной средней температурой почв за вегетационный период и более глубоким залеганием многолетней мерзлоты. Леса в таких местообитаниях имеют сомкнутый полог и, хотя бонитет их невысок, они мало отличаются от лесов подзоны северной тайги. Вглубь междуречий придолинные леса постепенно переходят в редины чахлых лиственниц и, наконец, деревья исчезают. Общая лесистость лесотундровой зоны Тюменской области в разных ее частях неодинакова. По данным Г. А. Михайловой, в целом лесотундра почти безлесна, ее общая лесистость составляет всего 1—5% и только по краям междуречных равнин она возрастает до 10—35% [8]. Редколесья и редины лесотундры образованы лиственницей (Larix sibirica). По южному краю зоны к ней присоединяется береза извилистая (Betula tortuosa) и ель сибирская (Picea obovata). В подлеске преобладают кустарники, особенно на юге: ольховник (Alnus fruticosa), полярные ивы (Salix polaris), карликовая березка (Betula nana). Лиственничные редколесья по составу нижних ярусов сходны с осоково-моховыми и мохово-ягельными ассоциациями южной подзоны тундры. На пониженных участках междуречий и в долинах встречаются верховые и низинные пушицевые с моховым или мохово-лишайниковым покровом болота. Травостой образован осокой (Сагех aquatilis) и болотным разнотравьем. Типичная тундровая растительность в лесотундре встречается только в особых условиях — на бровках террас и междуречных положительных формах и в других резко выступающих участках поверхности, где сухо и ветры сдувают снег. Как правило, в таких местах образуются пятнистые тундры — осоковые, мохово-лишайниковые с большим участием алекторий (Alectoria ochroleuca, Alectoria nigricans), а также детрарий (Celraria cucullata, Сelraria nivalis) и кладоний (Cladonia sylvatica, Сladonia alpestris). По руслам рек — злаково-разнотравные ивняки. Нивальные луга образованы, пушицами (Eriophorum angustifolium), осоками (Carex stans, Carex aquatilis). 2.8 Животный мир 15

С зоогеографической точки зрения территория лесотундры Западной Сибири принадлежит Голарктической области, Западно-Сибирской равнинной стране, Бореальной подобласти. В пределах зоны выделяют две зоогеографические провинции: Обскую и Пуровско-Тазовскую [3]. На исследуемой территории распространен лесотундровый фаунистический комплекс, наиболее распространены такие виды животных, как землеройки – бурозубки, песец (Vulpes lagopus), росомаха (Gulo Gulo), заяц-беляк (Lepus timidus), полевки (полевкаэкономка(Microtus oeconomus) и полевка Миддендорфа (Microtus middendorfii), узкочерепная (Microtus gregalis) и красная (Myodes rutilus)), лемминги (сибирский (Lemmus sibiricus) и копытный (Dicrostonyx torquatus)), летом на исследуемой территории гнездятся 63 вида птиц, из которых наиболее распространены щеголь (Tringa erythropus), малый веретенник (Limosa lapponica), поморники, морянка (Clangula hyemalis), лапландский подорожник (Calcarius lapponicus), краснозобый конек (Anthus cervinus) [2]. В пресных водах Ямало-Ненецкого автономного округа обитает 36 видов рыб и 1 вид круглоротых, из которых 26 являются промысловыми. По биологии виды разделяют на три формы: полупроходные, разноводные и туводные. Ареал полупроходных рыб включает реки с притоками и предустьевую опресненную зону. Представителями этой формы являются сиговые рыбы, сибирский осетр, арктический голец, налим, минога. Разноводная форма рыб, обитающая как в пресных, так и в солоноватых водах, представлена колюшкой, азиатской корюшкой. Туводные рыбы - обитатели пресных вод, не совершающие длительных миграций. К ним относятся обыкновенная щука, ерш, гольян обыкновенный, таймень, хариус сибирский. Биомасса беспозвоночных, обитающих на растительном покрове, поверхности почвы и в ее толще, в несколько раз, или даже на порядки величин превышает биомассу позвоночных, обитающих на той же площади. Численность членистоногих мезофауны в наземных сообществах представляет собой величину, изменяющуюся в зависимости от сезона, условий растительности и гидротермического режима от нескольких экземпляров до 2-3 тыс. на м2. Биомасса - тоже величина, довольно сильно изменяющаяся от тех же условий, и может составлять от 100 до 2-4 г/м2 и более в живом весе [3]. 2.9 Физико-географическое районирование В Урало-Енисейской лесотундровой области выделяются пять ландшафтных провинций: Урало-Обская, Нижнеобская, Салехардская, Надым-Пурская северная и Нижнетазовская (см. рис. 1). 16

Урало-Обская ландшафтная провинция расположена между предгорьями Урала и поймой р. Обь. Генетически является частью Обского долинно-речного комплекса, испытывает трансформацию за счет выноса большого количества тепла с юга. В целом характерен остаточный флювиальный рельеф, слабая расчлененность. Местности пологоволнистого лесотундрового типа в восточной части провинции приурочены к ступенчатым поверхностям древних морских и речных террас, сложенных мерзлыми супесями, суглинками и песками. Среди лесных урочищ характерны лиственничные, еловые и елово-лиственничные редколесья. Ерниково-еловые заросли распространены по долинам малых рек. Лишайниковые тундры приурочены к малозаносимым снегом участкам, моховые - к менее дренированным понижениям на междуречьях или в подножьях склонов. Полосы террасовых местностей приурочены к низовьям рек Муртыяха, Сёяха (Мутная), Юрибей, Ядаяхадыяха, Хадытаяха. Здесь наиболее широко распространены урочища кустарничково-мохово-травяных с ивой и карликовой березой тундр в сочетании с осоково-гипновыми болотами на тундровых перегнойно-глеевых почвах. В полосе приобской озерно-аллювиальной равнины (3-я надпойменная терраса) типичны ивняковые заросли и ольховники на болотно-тундровых торфянисто-глеевых и остаточно-торфяноглеевых почвах. Нижнеобская пойменная ландшафтная провинция занимает пойму и дельту р. Обь и прилегающие с севера и юга надпойменные террасы. Повышенные значения средней температуры июля (12,5 °C), увеличенная продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха выше 0 °C (130 дней) и сверхзональная сумма температур вегетационного периода определяются большим выносом тепла из южных частей Обского бассейна. Представлена плоской островной проточно-соровой, длительно затапливаемой поймой Оби, сложенной преимущественно глинистым аллювием. Обь в пределах района имеет многорукавное русло с множеством проток, между которыми расположены обвалованные соровые поверхности. В местах впадения притоков сформированы обширные приустьевые расширения. В ландшафтах преобладают дельтово-островные местности, структуру которых помимо русел и проток образуют низкие плоские острова с урочищами прирусловых валов, поросших густыми кустарниковыми ивняками, открытые соры, длительно затапливаемые низины с лугами из арктофилы рыжеватой и осок на пойменных дерновых почвах. Салехардская ландшафтная провинция расположена на правобережье нижнего течения р. Обь. Поверхность формируют морские и речные террасы. Отличается значительным эрозионным расчленением. Это самая теплая провинция лесотундровой зоны. Средняя температура июля около 14 °C, продолжительность периода со средней 17

суточной температурой воздуха выше 0 °C достигает 130 дней. К одному из факторов отепления климата относится воздействие морских масс. С этим связано смещение минимума температуры на февраль. В остальных провинциях лесотундры самый холодный месяц - январь. В Приобской и Приполуйской частях провинции распространены местности увалисто-холмистого таежно-тундрового типа. В их пределах среди лесных урочищ характерны елово-лиственничные редколесья на иллювиально-гумусовых почвах. Тундровые урочища представлены ерниковолишайниковыми тундрами на глеевослабоподзолистых почвах. Надым-Пурская северная ландшафтная провинция занимает междуречье низовий рек Надым и Пур, включает в себя север Надымской низменности и центральную часть Ненецкой возвышенности. По мере повышения высот Надым-Пурского междуречья друг друга сменяют: террасовый, грядово-холмистый и увалисто-холмистый лесотундровые типы местности. Сниженные поверхности подчеркивают широко распространенный хасырейный тип местности. В его структуре доминируют болотные и луговые урочища. Сохраняются акватории незаросших озер. В более древних хасыреях обычны кочковатые пятнистые тундры, крупные (до 6-7 м) торфяно-минеральные бугры пучения. Для междуречий на юго-западе провинции характерны урочища мелкобугристых мерзлых торфяников. На основных поверхностях междуречий господствуют плоские моховолишайниковые тундры. Придолинные дренированные местности представлены лесными урочищами преимущественно лиственничных лесов со вторым ярусом из березы тощей. Такие леса нередки в долинах рек Табъяхи, Нгарка-Табъяхи, Еваяхи. В бассейнах рек Нгарка-Табъяха и Хадуттэ характерны грядовые лесотундровые местности. Нижнетазовская ландшафтная провинция включает бассейны и долины нижнего течения рек Пур и Таз в лесотундровой зоне. Более дренирована и менее заозерена, чем расположенная западнее Надым-Пурская северная провинция. Абсолютные высоты изменяются от 120 м на водоразделах южной части до 10 м в долинах рек Пур и Таз. Одновременно она является самой холодной из лесотундровых провинций округа. Средняя годовая температура составляет - 8,5 °C. Средняя температура января -26,2 —27,5 °C. Именно в пределах этой провинции зарегистрирован самый низкий показатель абсолютного минимума температур- 57 °C (Тазовский). Доминируют тундровые урочища. Лесные ПТК с низкорослыми разреженными лиственничниками (высота 4,5 м, диаметр не более 8 см) встречаются в составе придолинно-дренированного и пойменного таежноболотно-тундрового типов местности. В южной части вдоль долин рек в сомкнутых древостоях примешиваются ель и кедр [3]. 18

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ Как уже было сказано раннее, для изучения динамики ландшафтов лесотундры целесообразно использование методов дистанционного зондирования Земли в комплексе с полевыми исследованиями. Исследование методами дистанционного зондирования охватывало всю территорию зоны лесотундры во временной промежуток с 1985 по 2018 год, полевые исследования проводились в июле 2018 года на территории Тазовского района. Исследование выполнялось дистанционными методами путём анализа мультиспектральных снимков Landsat, находящихся в открытом доступе на сайте геологической службы США (USGS). Использовались снимки трёх поколений спутников Landsat (Landsat 5, 7, 8), отличающиеся пространственным разрешением и количеством каналов. Были обработаны снимки, сделанные в теплое время года (с июня по сентябрь) в 1985 - 2018 годах, с минимальной облачностью (не более 20 %) и без технических помех. Всего было обработано 463 снимка. При обработке снимков использовался свободно распространяемый Classification программный Plugin, продукт позволяющий QGIS выполнять с надстройкой большой спектр Semi-Automatic манипуляций с космическими снимками, в том числе их предобработку и расчет спектральных индексов. Для каждого из снимков выполнялась атмосферная коррекция, позволяющая минимизировать влияние атмосферных аэрозолей [30]. Для выявления пожаров использовался нормализованный индекс гарей (NBR – Normalized Burned Ratio). Этот индекс, как и все подобные индексы использует различия в отражении излучения разными видами геосистем в различных спектральных диапазонах, а именно в ближнем инфракрасном и коротковолновом инфракрасном диапазонах. Рассчитывается NBR по формуле: 𝑁𝐵𝑅 = (𝑁𝐼𝑅 − 𝑆𝑊𝐼𝑅) (𝑁𝐼𝑅 + 𝑆𝑊𝐼𝑅) где NIR – отражение в ближнем инфракрасном диапазоне, а SWIR – отражение в коротковолновом инфракрасном диапазоне [25]. В связи с различными параметрами мультиспектральных сенсоров у спутников Landsat 5, 7 и 8, использовались различные комбинации каналов (таблицы 1 и 2). Изначально индекс NBR был разработан для использования с каналами 4 и 7 спутника Landsat 7, однако спутник Landsat 8 имеет каналы, использующие ту же длину волны (каналы 5 и 7), что позволяет использовать данный метод и в этом случае. Для исключения ложноположительных результатов необходимо также 19

исключить из расчета водные объекты, что достигается установкой ограничения на значения коротковолнового инфракрасного канала. Канал Длина волны, мкм Канал 1 – Синий 0.45 - 0.52 Канал 2 – Зеленый 0.52 - 0.60 Канал 3 – Красный 0.63 - 0.69 Канал 4 – Ближний инфракрасный (NIR) 0.77 - 0.90 Канал 5 – Коротковолновой инфракрасный (SWIR) 1 1.55 - 1.75 Канал 6 – Термальный инфракрасный 10.40 - 12.50 Канал 7 - Коротковолновой инфракрасный (SWIR) 2 2.09 - 2.35 Канал 8 – Панхроматический (только Landsat 7) 0.52 - 0.90 Таблица 1. Спектральные каналы спутников Landsat 5 и Landsat 7 Канал Длина волны, мкм Канал 1 – Побережья и аэрозоли 0.435 - 0.451 Канал 2 – Синий 0.452 - 0.512 Канал 3 – Зеленый 0.533 - 0.590 Канал 4 – Красный 0.636 - 0.673 Канал 5 – Ближний инфракрасный (NIR) 0.851 - 0.879 Канал 6 – Коротковолновой инфракрасный (SWIR) 1 1.566 - 1.651 Канал 7 - Коротковолновой инфракрасный (SWIR) 2 2.107 - 2.294 Канал 8 – Панхроматический 0.503 - 0.676 Канал 9 – Перистые облака 1.363 - 1.384 Канал 10 – Дальний инфракрасный (TIRS) 1 10.60 – 11.19 Канал 11 – Дальний инфракрасный (TIRS) 2 11.50 - 12.51 Таблица 2. Спектральные каналы спутника Landsat 8 На гарях и горельниках индекс NBR принимает самые низкие значения, что позволяет достаточно точно определить их (рисунок 2). 20

Рисунок 2. Визуализация индекса NBR На следующем этапе работы было выполнено составление мозаики из снимков одного года (рисунок 3). Снимки накладывались друг на друга в порядке, убывания степени покрытия облаками, которые могут закрыть пожар и тем самым повлиять на дальнейшие расчеты. Таким образом были получены мозаики для каждого года. Рисунок 3. Мозаика из снимков 1991 года 21

Ощутимым минусом метода исследования динамики пожаров по снимкам Landsat является возможность установить дату пожара лишь с точностью до периода в два года, так как сравнивая два снимка, полученных в соседние годы и фиксируя появление пожара на более позднем снимке, мы не можем быть с точностью уверены, появился ли он в год снятия более позднего снимка, или в год снятия более раннего, но в более позднюю дату. В связи с этим вводится индекс dNBR, рассчитываемый по формуле: 𝑑𝑁𝐵𝑅 = 𝑝𝑟𝑒𝑓𝑖𝑟𝑒𝑁𝐵𝑅 − 𝑝𝑜𝑠𝑡𝑓𝑖𝑟𝑒𝑁𝐵𝑅 т.е. разница NBR предыдущего и последующего годов. Этот индекс показывает изменение NBR (таблица 3) и позволяет исследовать пожары в динамике (рисунок 4). Динамика пожаров dNBR Интенсивное восстановление < -0.1 Неизмененные территории от -0.1 до +0.1 Низкая степень поврежденности пожарами от +0.1 до +0.27 Средняя степень поврежденности пожарами от +0.27 до +0.66 Высокая степень поврежденности пожарами > 0.66 Таблица 3. Сопоставление значений dNBR и степени влияния пожаров Рисунок 4. Индекс dNBR периода 1989-1990 года 22

Для подсчета площади пожаров (рисунок 5) брались значения dNBR более 0.27, так как более слабые воздействия пожаров в силу неоднородности источников данных невозможно отделить от изменений, связанных с качеством снимков и сезонными изменениями гидрологических условий, однако такой метод позволяет выявить все достаточно крупные пожары. Для удаления шума и агрегации отдельных частей пожаров в единое целое использовался инструмент «Отсеивание». Рисунок 5. Карта пожаров 1989-1990 года На следующем этапе работ был выполнен анализ полученных данных, поиск взаимосвязей динамики пожаров и климатической динамики. Для этого использовались данные девяти метеостанций (Салехард, Ра-Из, Новый Порт, Ныда, Надым, Тазовск, Сидоровск, Тарко-Сале, Березово) (рисунок 6), полученные из открытых источников [6]. Статистическая обработка данных, поиск закономерностей, построение графиков осуществлялся в программном комплексе Anaconda. Были использованы библиотеки языка программирования Python: Pandas для работы с наборами данных, Matplotlib и Seaborn для построения графиков, SciPy для расчета статистических показателей. 23

Рисунок 6. Метеостанции, данные которых использовались при работе Помимо исследования динамики пожаров дистанционными методами в период с 10 по 22 июля 2018 года было выполнено также полевое исследование территории одного пожара, датированного 1990-м годом (рисунок 7). Было выполнено описание 20 точек, из которых 10 расположены на территории горельника, а 10 – на ненарушенной территории. На каждой точке было выполнено описание растительного покрова и почвенного профиля, осуществлены отбор проб из органогенного и верхнего минерального горизонта, и замеры температуры воздуха и почвы. Кроме того, был осуществлен отбор проб на участках свежих гарей 2016 и 2018 года, отбор проб из торфяника и из озера. Рисунок 7. Схема района исследования 24

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 4.1 Результаты исследования зоны лесотундры методами дистанционного зондирования Земли Была рассчитана площадь пожаров за каждый год с 1985 по 2018 годы для всей зоны лесотундры и для каждой из провинций, результаты представлены в Приложении 1. Сумма площадей гарей и горельников всех лет составила 8939,5 км2, а суммарная площадь территорий, подвергшихся воздействию пожаров (т. е. с учетом возникновения пожаров на старых гарях) – 8855 км2, из чего следует, что пожары редко возникают на уже горевших ранее территориях. Площадь территории, подвергшейся воздействию пожаров, составляет 10,52% от общей площади зоны лесотундры. Рисунок 8. Площадь территории, подвергшейся воздействию пожаров в разные годы (1 – общая площадь, 2 – Урало-Обская провинция, 3 – Нижнеобская провинция, 4 – Салехардская провинция, 5 – Надым-Пуровская северная провинция, 6 – Нижнетазовская провинция) Как видно из рисунка 8, наблюдаются большие различия динамики пожаров как по годам, так и в разных провинциях. Наибольшие площади были охвачены пожарами в 19891990 и 2016-2017 годах (3055 и 2995 км2 соответственно), эти площади приблизительно в 10 раз больше, чем среднее значение площади, подвергшейся воздействию пожаров за год (271 км2), и в 300 раз больше медианного значения (9,16 км2). Также большая площадь 25

пожаров наблюдается в 1990-1991 (1622,6 км2), 1999-2000 (56,9 км2), 2005-2006 (156,1 км2), 2006-2007 (286,2 км2), 2013-2014 (120,5 км2) и 2017-2018 (399,4 км2) годах. Есть и периоды, в которые пожары на исследуемой территории не наблюдались: 1996-1998, 2000-2001, 2002-2003, 2011-2012, 2014-2015 годы. Из этих данных можно сделать вывод, что активность пожаров увеличивается со временем, так как более частыми становятся годы, когда пожары охватывают большие площади, и менее частыми – годы, когда пожары на наблюдаются совсем, однако из-за большой разницы площадей пожаров в разные годы нельзя с достаточной степенью уверенности сказать о наличии положительного тренда. Рисунок 9. Карта распределения пожаров по ландшафтным провинциям Существуют различия и в распределении пожаров по ландшафтным провинциям. Наименьшую площадь гари занимают в Урало-Обской (13 км2, 0,25% от общей территории) и Нижнеобской (137,3 км2, 1,26% от общей территории) провинциях. Это может быть связано с их положением в Обском долинно-речном комплексе, что обуславливает высокую увлажненность территории. Наибольшие площади гарей зафиксированы в Салехардской (1527 км2, 17.11% от общей площади) и Надым-Пуровской (5550 км2, 16.68% от общей территории) провинциях. Площади гарей Надым-Пуровской провинции составляют 62.6% от общей площади гарей зоны лесотундры. На территории Нижнетазовской провинции гари занимают сравнительно большую площадь (8938 км2), однако лишь 6,32%, что меньше, чем 26

в среднем по территории зоны лесотундры, и обусловлено тем, что пожары в этой провинции распространяются на меньшие расстояния, чем в Салехардской и НадымПуровской провинциях. Для определения взаимосвязей между возникновением пожаров и динамикой климата использовались ежедневные метеоданные о средней, минимальной, максимальной температурах и количестве осадков девяти метеорологических станций. На основе этих данных были получены значения средней, минимальной, максимальной температуры, количества осадков, средней летней температуры, количества осадков, выпавших летом и суммы положительных температур за каждый из рассматриваемых двухлетних периодов времени и для каждого года в отдельности, что позволило сопоставлять данные о площадях пожаров и климатические данные. Для поиска взаимосвязей были построены корреляционные матрицы для всех признаков. В приложении 2 приведены корреляционные матрицы для пяти метеостанций, расположенных на исследуемой территории или в непосредственной от нее близости. Данные метеостанций Ра-Из и Сидоровск не использовались, так как наблюдения на них были прекращены в 1997 году, что не позволяет исследовать эти данные как единый пространственно-временной ряд с данными о пожарах. Для всех метеостанциях регистрируется положительная корреляция площадей пожаров и максимальной температуры, средней летней температуры, суммы положительных температур и отрицательная корреляция с суммой осадков, выпавших летом. Корреляция с соответствующими показателями первого года двухлетнего периода значительно более сильная, чем с показателями второго года. Это значит, что климатические факторы обладают некой инерционностью. Ниже приведен график (рисунок 10), показывающий распределение площадей пожаров относительно суммы положительных температур, летних температур, максимальных температур и суммы летних осадков. Рисунок 10. Распределение площадей пожаров относительно выбранных климатических показателей (здесь и далее: Area – общая площадь пожаров, Sum_positive – сумма положительных температур, T_summer – средняя летняя температура, P_summer – сумма осадков, выпавших за лето) 27

Можно сделать вывод, что в годы, когда площади пожаров были максимальны, летние и максимальные температуры, а также суммы положительных температур были выше среднего значения, а сумма осадков, выпавших летом, наоборот, была наименьшей. Следовательно, можно сделать вывод, что наиболее часто пожары возникают в годы, когда летние температуры высоки, а сумма осадков, наоборот, мала. Рисунок 11. Графики значений метеовеличин в периоды с площадью пожаров более (Area = 1) и менее (Area = 0), чем средняя (правый столбец) и медианная (левый столбец) 28

Для того, чтобы подтвердить эту гипотезу, были построены графики распределения исследуемых метеовеличин для периодов, когда площади пожаров были меньше или больше среднего и медианного значений (рисунок 11). Из графиков видно, что в периоды с повышенной пожарной активностью (выше медианного значения) наблюдись значительно более высокие значения максимальной температуры, средней летней температуры, суммы положительных температур и более низкие значения осадков, выпавших в летний период, чем в периоды с пониженной пожарной активностью. Эти суждения справедливы и при сравнении периодов с максимальной пожарной активностью (выше среднего) и периодов, когда площадь пожаров была ниже средней. Таким образом, можно сделать вывод, что возникновение крупных пожаров в значительной степени определяется метеоусловиями, в особенности теплой части года: максимальной температурой, средней летней температурой, суммой положительных температур, количеством осадков, выпавших в летние месяцы. Рассмотрим взаимосвязь динамики пожаров и метеоусловий по провинциям. Для Урало-Обской провинции характерны наименее значимые коэффициенты корреляции со всеми метеовеличинами (см. Приложение 2) и отсутствие крупных пожаров (см. Приложение 1). Динамика же небольших пожаров не коррелирует с изменениями метеоусловий (Рисунок 12). Рисунок 12. Изменение площади пожаров и метеовеличин (данные метеостанции Салехард), влияющих на динамику крупных пожаров в Урало-Обской провинции 29

Для Нижнеобской провинции также характерно отсутствие крупных пожаров и малозначимые коэффициенты корреляции, однако количество осадков, выпавших летом все равно отрицательно коррелирует с площадью пожаров (рисунок 13). Возможными объяснениями этого могут служить предположения, что динамика небольших пожаров в большей степени случайна или зависит не от метеоусловий, а от каких-либо других факторов. Рисунок 13. Изменение площади пожаров и метеовеличин (данные метеостанции Салехард), влияющих на динамику крупных пожаров в Нижнеобской провинции В Салехардской провинции ситуация меняется, в ней наблюдались крупные пожары в 1989-1990 и 2017-2018 годах и существует корреляция площади, подвергшейся воздействию пожаров, с летней и максимальной температурой, суммой положительных температур и суммой осадков, выпавших летом. Это можно заметить и по графику (рисунок 14), отображающему изменение площади пожаров и метеовеличин в этой провинции: пики на графике площади пожаров, в большинстве случаев, совпадают с повышенными значениями максимальной и средней летней температуры, суммы положительных температур и с локальными минимумами графика сумм осадков, выпавших летом. 30

Рисунок 14. Изменение площади пожаров и метеовеличин (данные метеостанции Салехард), влияющих на динамику крупных пожаров в Салехардской провинции На Надым-Пуровскую провинцию приходится 62% всех гарей зоны лесотундры, поэтому закономерности, характерные для всей территории зоны, проявляются на ее территории: площадь пожаров положительно коррелирует с максимальной и средней летней температурой, суммой положительных температур и отрицательно - с количеством осадков, выпавших летом (рисунок 15). Рисунок 15. Изменение площади пожаров и метеовеличин (данные метеостанции Ныда), влияющих на динамику крупных пожаров в Надым-Пуровской провинции 31

В Нижнетазовской провинции крупные пожары наблюдались в 1989-1990, 20052007, 2016-2017 годах. Для этой провинции характерны те же закономерности, что и для предыдущих двух: положительная корреляция площадей, охваченных пожарами, с максимальной и средней летней температурой, суммой положительных температур и отрицательная корреляция с суммами осадков в летний период (рисунок 16). Рисунок 16. Изменение площади пожаров и метеовеличин (данные метеостанции ТаркоСале), влияющих на динамику крупных пожаров в Нижнетазовской провинции На основе проведенной работы можно сделать вывод, что пожары играют значительную роль в динамике ландшафтов зоны лесотундры, т. к. только в последние 33 года воздействию пожаров подверглись 10,5% ее территории. Возникновение пожаров подчиняется определенным закономерностям. Крупные пожары возникают в основном на территории Надым-Пуровской (66% от всей территории, подвергавшейся воздействию пожаров), Нижнетазовской, Салехардской провинций, на территории Обского долинноречного комплекса возникают только небольшие пожары. Динамика крупных пожаров в значительной степени зависит от метеоусловий. Крупные пожары возникают при высоких средних летних температурах, высоких максимальных температурах, высоких значениях суммы положительных температур и малом количестве осадков, выпавших в летний период, т. е. когда лето жаркое и сухое. 32

4.2 Результаты полевых исследований На полевом этапе работ были проведены исследования почвенного и растительного покрова территории пожара 28-летней давности (1990 года). В результате исследований были выявлены различия почвенного и растительного покрова на гари и на контрольных участках. Главным различием в строении почв гарей и ненарушенных почв является разная мощность сезонно-деятельного слоя. В почвенных разрезах, располагавшихся на гари, глубина залегания многолетней мерзлоты в середине июля составляет в среднем 90 см, а в разрезах, располагавшихся рядом, а на ненарушенной территории – 50 см (рисунок 17). Это приводит к значительным изменениям в почвенном профиле, в частности в его нижней части оттаявшая многолетняя мерзлота может формировать новые почвенные горизонты, отличающиеся крупнооолитовой криогенной структурой. Рисунок 17. Почвенные разрезы на гари (слева) и на контрольном участке (справа) Еще одним важным последствием пожара является уничтожение лишайникового покрова. Лишайниковый покров является важным теплорегулирующим фактором. Так, в среднем температура органогенного горизонта в нарушенной почве на 5℃ ниже, чем температура окружающего воздуха, тогда как температура в лишайниковом покрове ниже на 10℃. Средняя температура верхнего минерального горизонта в ненарушенных почвах 33

составила 5.4℃, а в постпирогенных почвах 12.6℃, градиент температур составляет в среднем около 1℃ на 10 см глубины. Существуют различия и в растительном покрове. В основном они связаны с долгим восстановлением отдельных групп растительности, в частности лишайников, из-за чего сукцессия длится на протяжении 140-150 лет [10]. На гари 1990 года лишайники не образуют сплошного покрова, в отличие от фоновых лесотундровых сообществ, в которых развит сплошной лишайниковый покров, состоящий преимущественно из Cladonia ragniferina (рисунок 18). На гарях встречаются отдельные экземпляры пирофитных лишайников, таких как Cladonia arbuscula. В связи с отсутствием в растительных сообществах гарей сплошного лишайникового покрова, увеличивается плотность других видов растений, прежде всего различных видов мхов, а также трав и кустарничков: багульника (Ledum palustre), голубики (Vaccinium uliginosum), водяники (Empetrum nigrum), пушицы (Eriophorum vaginatum), а также кустарников: карликовой березы (Betula nana) и полярной ивы (Salix polaris). Лиственница за 28 лет успела восстановиться, однако встречаются отдельные экземпляры сухостойных деревьев, поврежденных пожаром. Рисунок 18. Различия в растительности на гари (слева) и на контрольном участке (справа) Для определения различия геохимической обстановки в каждой точке были отобраны пробы из органогенного (А) и верхнего минерального (Bg) горизонтов. Кроме того, были отобраны 12 проб из горизонта А на участке свежего пожара 2018 года, 12 проб на участке пожара 2016 года, 13 проб из разных горизонтов торфяника, одна проба донного грунта озера. Пробы почв были высушены, просеяны через сито с диаметром ячеек 0,5 мм для удаления корней растений и растерты в агатовой ступке. Химический анализ проб был проведен в Аналитическом сертификационном испытательном центре ИПТМ РАН (г. Черноголовка). Содержание микро- и макроэлементов определяли с использованием методов атомно-эмиссионной спектрометрии и массспектрометрии с индуктивно связанной плазмой Полученные результаты показывают, что обследованные почвы 34

характеризуются низкими концентрациями макро- и микроэлементов. Существенных различий элементного состава пирогенных почв и их ненарушенных аналогов не наблюдается. Наибольшие различия отмечены для Cd и Zn, т. е. халькофильных элементов с высокими коэффициентами биологического накопления, для которых величина коэффициента концентрации составляет 2,3 и 1,3 соответственно. Пожар приводит к высвобождению этих элементов, закрепленных в живой фитомассе. Как показали результаты анализов, с течением времени соотношения между элементами в пирогенных и ненарушенных почвах меняются. Если сразу после пожара в почве наблюдалось накопление биофильных цинка, кадмия и фосфора, то по истечении 28 лет в горелом горизонте концентрации P2O5, Cd, а также S, Hg, Ag значительно меньше, чем в ненарушенном аналоге. Можно предположить, что удаление их из горелых горизонтов почв связано прежде всего с процессами биогеохимического круговорота, а именно с активным поглощением растениями в ходе послепожарных сукцессий. Полученные в результате полевых исследований результаты не противоречат уже имеющимся данным и могут быть экстраполированы на смежные территории и, в общих чертах, на всю зону лесотундры. Пожары приводят к уничтожению лишайникового покрова, что вызывает более глубокое сезонное протаивание многолетней мерзлоты, а биофильные элементы, накопленные лишайниками, попадают в почву, обогащая ее, однако в процессе сукцессии поглощаются появившимися на месте лишайников ерниковыми мохово-травяно-кустарничковыми сообществами. 35

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате проведенного исследования динамики пожаров лесотундры Тюменской области можно сделать следующие выводы: • За 33 года воздействию пожаров подверглись 10,5% территории зоны лесотундры; • Наибольший вклад в воздействие пожаров на ландшафты вносят крупные пожары, возникавшие только в отдельные периоды (1989-1991 и 2017-2018 годы); • Крупные пожары возникают в основном на территории Надым-Пуровской (66% от всей территории, подвергавшейся воздействию пожаров), Нижнетазовской, Салехардской провинций, на территории Урало-Обской и Нижнеобской провинций возникают лишь небольшие пожары; • Крупные пожары возникают при высоких средних летних температурах, высоких максимальных температурах, высоких значениях суммы положительных температур и малом количестве осадков, выпавших в летний период, т. е. когда лето жаркое и сухое; • Уничтожение пожарами лишайникового покрова, являющегося естественным теплоизолятором, приводит к более глубокое сезонное протаивание многолетней мерзлоты; • На месте коренных ландшафтов с преобладанием лишайников в нижнем ярусе растительности на начальных стадиях сукцессии восстанавливаются ерниковые мохово-травяно-кустарничковые лесотундры, а полное восстановление лишайникового покрова занимает до 150 лет; • Биофильные элементы, накопленные растительностью, после пожара попадают в почву, обогащая ее, однако в процессе сукцессии поглощаются появившимися на месте лишайников ерниковыми мохово-травяно-кустарничковыми сообществами. 36

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абдульманова С. Ю. Зональные особенности динамики видового состава лишайников в ходе пирогенных сукцессий //Экология от южных гор до северных морей. – 2010. – С. 7. 2. Атлас Тюменской области /Огороднов Е. А. и др. - Москва-Тюмень: Главное управление геодезии и картографии при Совете Министров СССР. – 1971. – 174 с. 3. Атлас Ямало-Ненецкого автономного округа. Администрация ЯНАО. Салехард: Тюменский государственный университет. Эколого-географический факультет. Тюмень: пред. редколлегии И. Л. Левинзон. Гл. ред. С. И. Ларин. Омск: ФГУП «Омская картографическая фабрика», 2004. С. 250–251. 4. Безкоровайная И. Н. и др. Влияние пирогенного фактора на биологическую активность почв в условиях многолетней мерзлоты (Центральная Эвенкия) //Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2017. – №. 9. 5. Богданов В. В., Прокушкин А. С., Прокушкин С. Г. Влияние низовых пожаров на подвижность органического вещества почвы в лиственничниках криолитозоны средней Сибири //Вестник Красноярского государственного аграрного университета. – 2009. – №. 2. 6. Булыгина О.Н., Разуваев В.Н., Трофименко Л.Т., Швец Н.В. Описание массива данных месячных сумм осадков на станциях России // Российский гидрометеорологический портал: ВНИИГМИ-МЦД: Интернет-ресурс. URL: http://meteo.ru/data/158-total-precipitation#описание-массива-данных (дата обращения: 15.04.2019). 7. Ваганов Е. А. и др. Леса и болота Сибири в глобальном цикле углерода //Сибирский экологический журнал. – 2005. – Т. 4. – С. 631-649. 8. Гвоздецкий Н. А. Физико-географического районирование Тюменской области М.: МГУ. – 1973. – 247 с. 9. Елисеев А. В. Влияние низовых и торфяных пожаров на эмиссии СО2 в атмосферу / А. В. Елисеев, И. И. Мохов, А. В. Чернокульский // Доклады Академии наук, 2014. Том 459. № 4. С. 496-500. 10. Замараева Т. А. Возобновление шиловидных и бокальчатых лишайников после пожаров в лиственничных лесах лесотундры Западной Сибири //Вестник Тюменского государственного университета. Социально-экономические и правовые исследования. – 2012. – №. 6. 37

11. Замараева Т. А. Восстановление растительного покрова багульниково- лишайниковых лиственничных лесов после пожаров в лесотундровой зоне Западной Сибири //Вестник экологии, лесоведения и ландшафтоведения. – 2011. – №. 11. 12. Ильина И.С., Лапшина Е.Н., Лавренко Н.Н. и др. Растительный покров Западно-Сибирской равнины. - Новосибирск : Наука, 1985. - 252 с. 13. Корниенко С. Г. Оценка влияния разработки Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на состояние территории лесотундры по данным ИСЗ Landsat //Исследование Земли из космоса. – 2009. – №. 4. – С. 78-87. 14. Лезин В. А. Водные ресурсы рек и озер Тюменской области //Вестник Тюменского государственного университета. Социально-экономические и правовые исследования. – 2011. – №. 12. 15. Маслов М. Н. и др. Экологические функции тундровых почв постпирогенного ряда //Материалы Международной научной конференции XX Докучаевские молодежные чтения «Почва и устойчивое развитие государства. – С. 60. 16. Масягина О. В., Токарева И. В., Прокушкин А. С. Моделирование термического воздействия пожаров на физико-химические свойства и микробную активность подстилки криогенных почв //Почвоведение. – 2014. – №. 8. – С. 971-971. 17. Матвеев А. М., Матвеева Т. А., Бакшеева Е. О. Влияние пожаров на возобновление лиственницы в разных орографических условиях //Современные проблемы науки и образования. – 2012. – №. 5. – С. 383-383. 18. Мельников Е. С., Васильев А.А., Лейбман М.О., Москаленко Н.Г. Динамика сезонноталого слоя в Западной Сибири // Криосфера Земли. – 2005. – Т. 9. – №. 2. – С. 2332. 19. Рубцов А. В. Анализ пожаров в Сибири по спутниковым данным и разработка модуля пожаров в модели динамики растительности : дис. – Сибирский федеральный университет, 2011. 20. Старцев В. В., Дымов А. А., Прокушкин А. С. Почвы постпирогенных лиственничников средней Сибири: морфология, физико-химические свойства и особенности почвенного органического вещества //Почвоведение. – 2017. – №. 8. – С. 912925. 21. Тарабукина В.Г., Савинов Д.Д. Влияние пожаров на мерзлотные почвы. Новосибирск: Наука, 1990, 120 с. 22. Честных О.В., Лопес де Греню В.О. 2003. Послепожарные изменения углеродного цикла в субарктической тундре северо-востока Европейской части России // 38

Вторая Международная конференция «Эмиссия и сток парниковых газов на территории северной Евразии», 16-20 июня 2003: Тезисы докладов. Пущино. С. 124-125. 23. Chambers S. D. et al. Fire effects on net radiation and energy partitioning: Contrasting responses of tundra and boreal forest ecosystems //Journal of Geophysical Research: Atmospheres. – 2005. – Т. 110. – №. D9. 24. Fuchs H. et al. Estimating aboveground carbon in a catchment of the Siberian forest tundra: Combining satellite imagery and field inventory //Remote Sensing of Environment. – 2009. – Т. 113. – №. 3. – С. 518-531. 25. García M. J. L., Caselles V. Mapping burns and natural reforestation using Thematic Mapper data //Geocarto International. – 1991. – Т. 6. – №. 1. – С. 31-37. 26. Heginbottom, J. A., 1971: Some effects of a forest fire on the permafrost active layer at Inuvik, N.W.T. In: Proceedings of a Seminar on the Permafrost Active Layer, 4 and 5 May 1971. National Research Council of Canada, Associate Committee on Geotechnical Research, Ottawa, Technical Memorandum No. 103, 31–36. 27. Mackay J. R. Active layer changes (1968 to 1993) following the forest-tundra fire near Inuvik, NWT, Canada //Arctic and Alpine Research. – 1995. – Т. 27. – №. 4. – С. 323-336. 28. Rossi S. FAOSTAT Estimates of Greenhouse Gas Emissions from Biomass and Peat Fires / S. Rossi, F. N. Tubiello, P. Prosperi et al. // Climatic Change. 2016. Vol. 135. No 34. Pp. 699-711. DOI 10.1007/s10584-015-1584-y 29. Sirois L., Payette S. Reduced postfire tree regeneration along a boreal forest‐forest‐ tundra transect in northern Quebec //Ecology. – 1991. – Т. 72. – №. 2. – С. 619-627. 30. Song C. et al. Classification and change detection using Landsat TM data: when and how to correct atmospheric effects? //Remote sensing of Environment. – 2001. – Т. 75. – №. 2. – С. 230-244. 31. Wein R. W. Frequency and characteristics of arctic tundra fires //Arctic. – 1976. – С. 213-222. 39

ПРИЛОЖЕНИЕ А Площадь пожаров в каждый из периодов для территории зоны лесотундры в целом и для каждой провинции 1985-1986 1986-1987 1987-1988 1988-1989 1989-1990 1990-1991 1991-1992 1992-1993 1993-1994 1994-1995 1995-1996 1996-1997 1997-1998 1998-1999 1999-2000 2000-2001 2001-2002 2002-2003 2003-2004 2004-2005 2005-2006 2006-2007 Общая Общая Урало-Обская Нижнеобская Салехардская Надым-Пурская Нижнетазовская площадь в площадь в провинция (км2) провинция (км2) провинция (км2) северная провинция провинция км2 га 1.893451 189.3451 0.357695 0 0 1.535756 0 5.268741 526.8741 0 0 0 4.624733 0.644007 3.490341 349.0341 0.388122 0 0 2.495952 0.606268 30.79114 3079.114 0 0 0 28.00531 2.785826 3055.01 305501 1.098172 2.674837 83.1432 2446.938 521.1551 1622.666 162266.6 0.338903 9.2126716 1075.443 465.2724 72.31428 3.798764 379.8764 0 0 0 3.156233 0.64253 6.187088 618.7088 0.278152 0.4871217 0.262461 2.939847 2.219506 15.87945 1587.945 0 0.2094446 0 15.32425 0.345761 15.73372 1573.372 0 0 0 6.582715 9.151006 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 56.94273 5694.273 1.546635 8.9605304 43.02176 2.018937 1.394868 0 0 0 0 0 0 0 6.623309 662.3309 0 0 0 6.348073 0.275236 0 0 0 0 0 0 0 4.255132 425.5132 0 0.3824767 0 3.32572 0.546935 32.9054 3290.54 0 0.3305461 2.156583 23.53821 6.880064 156.1076 15610.76 0.695707 0 0.040228 17.28146 138.0902 286.2487 28624.87 0 0 10.43554 8.429316 267.3839 40

2007-2008 2008-2009 2009-2010 2010-2011 2011-2012 2012-2013 2013-2014 2014-2015 2015-2016 2016-2017 2017-2018 Общая площадь Площадь без наложений Процент от всей площади зоны или провинции 29.55655 25.06183 42.18571 4.005215 0 10.94181 120.5452 0 9.158428 2994.83 399.4602 8939.546 2955.655 2506.183 4218.571 400.5215 0 1094.181 12054.52 0 915.8428 299483 39946.02 893954.6 3.330105 0 0 0.777257 0 0 1.305238 0 0 2.837335 0.113297 13.06662 0 0 0 0.0242365 0 2.2504217 24.289822 0 0.1576279 2.6724661 85.636903 137.28911 0 0 0.310638 0.537147 0 2.473355 4.753184 0 0.197035 18.60675 285.7098 1527.091 4.670286 1.229967 0 0.994258 0 1.092072 21.31932 0 7.917724 2516.486 5.998942 5597.526 21.55616 23.83187 41.87508 1.672315 0 5.125961 68.87762 0 0.886041 452.8976 21.90629 1663.064 8855.005 885500.5 13.04161 136.69522 1506.867 5550.178 1646.292 10.5209714 10.5209714 0.24972424 1.2619967 17.1145688 16.68345334 6.322393531 41

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Корреляционная матрица площадей пожаров и метеовеличин для пяти метеостанций Строки: Area: общая площадь пожаров на исследуемой территории, UO: площадь пожаров в Урало-Обской провинции, NO: площадь пожаров в Нижнеобской провинции, SH: 42

площадь пожаров в Салехардской провинции, NP: площадь пожаров в Надым-Пуровской провинции, NT: площадь пожаров в Нижнетазовской провинции, столбцы: T_mean: среднегодовая температура, T_max: максимальная температура, T_min: минимальная температура, Precipitation: сумма осадков за период, T_summer – средняя летняя температура, P_summer: сумма осадков, выпавших в летний период, Sum_positive: сумма положительных температур, то же с префиксами «_1» и «_2»: те же величины за первый и второй годы периода , T_mean_change: разница среднегодовых температур первого и второго года периода, P_change: разница сумм осадков первого и второго года периода. 43

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв