Landscape Features affecting the dynamics of forest growth on agricultural lands of the Perm Territory

全文:

Современное развитие и функционирование природно-антропогенных экосистем Пермского края характеризуются резкими структурными изменениями. Значительные площади возделываемых в течение многих десятилетий земель стали переходить в лесные экосистемы. За три десятка последних лет, в которые наблюдалось активное выпадение пашни из сельскохозяйственного оборота (Prishchepov et al., 2016), произошло формирование новых лесных урочищ (Белорусцева, 2012).

Территории, относящиеся к землям сельскохозяйственного назначения Пермского края, занимают площадь 4302.2 тыс. га, (более 26% от общей площади края 16024 тыс. га). Тем временем общая площадь зарастания сельскохозяйственных угодий составляет 1386 тыс. га (58.8% от общей площади земель сельскохозяйственного назначения Пермского края) (Белоусова, Брыжко, 2021).

Изучение особенностей развития восстановительной сукцессии на землях сельскохозяйственного назначения, кроме решения проблем, связанных с планированием и землеустройством территорий, имеет важное значение в разработке общей теории динамики и развития экосистем. Возвращение антропогенных комплексов в состав природных при всей неопределенности их нового статуса в структуре ландшафтов является демонстрацией включения механизма фитогенной устойчивости экосистем, направленной на возвращение в исходное состояние — к инвариантным свойствам (Пузаченко, 1983; Ляпунов, 1984; Тишков, 1989; Попова, 2007; Коломыц, 2018).

Целью данной работы является проведение разновременного анализа лесозарастания почвенных групп на территории сельскохозяйственных угодий. Использование данных дистанционного зондирования Земли совместно с данными полевых обследований для территории равнинных ландшафтов Пермского края проведено впервые.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА

Выявление особенностей современного развития лесных экосистем в структуре ландшафтов Пермского края потребовало проведения специальных исследований, основанных на сравнении контуров залесенных территорий на разновременных космических снимках. Для установления динамики и направленности данного процесса принят временной разрыв в десять лет.

Рис. 1. Ландшафтная карта Пермского края (Назаров, 2011).

На территории Пермского края выделяются две физико-географические страны: Русская равнина и Урал (рис. 1). В зональном отношении регион дифференцируется на тайгу и подтайгу (подтаежную зону). В границах равнины выделяют ландшафтные области: Высокое Заволжье, Камско-Мещерскую и Северные Увалы. На Урале выделяют две области: Центрально-Уральскую и Западно-Уральскую (Назаров, 2011). Выделение в Пермском крае шести ландшафтных провинций предопределило сочетание зональных и азональных выделов: провинции таежных Северных Увалов, Камско-Мещерской таежной провинции, провинции таежного Высокого Заволжья, Западно-Уральской таежной провинции, Центрально-Уральской таежной провинции и провинции подтаежного Высокого Заволжья.

Ландшафтная дифференциация проведена в соответствии с принципами зонально-азональной однородности, учитывающими единство геологического фундамента, типа рельефа, климата, истории развития, морфологического строения (с характерным набором фаций и урочищ) (Исаченко, 1991).

Точкой отсчета наблюдений выбрано начало 1990-х гг., когда начались массовые сокращения возделывания сельскохозяйственных угодий в Пермском Предуралье и РФ в целом. Сравнение контура лесных территорий за последующие десятилетия предоставляет возможность установить направленность в формировании лесных экосистем как за счет появления новых, так и за счет расширения площадей уже ранее существовавших лесных выделов.

Исторические границы контура леса фиксировали путем обработки данных спутниковой программы Landsat, доступных за период с 1984 г. по настоящее время. Успешный опыт использования снимков Landsat для проведения таких исследований на региональном и макрорегиональном уровне описан в работах A. V. Prishchepov с соавторами (2012), М. А. Иванова с соавторами (2017), Е. А. Стыценко (2017), Е. А. Сайб с соавторами (2020).

Методика работы включает в себя следующие основные этапы:

– создание коллекции спутниковых снимков и их предобработка;

– создание маски сельскохозяйственных угодий;

– создание масок лесопокрытых территорий шагом в 10 лет;

– анализ изменения лесистости территории ландшафтов.

Рис. 2. Типичные участки бывшей пашни, зарастающие молодым лесом на опорных участках Пермского края.

Маска сельскохозяйственных угодий представляет собой границы возделываемых сельскохозяйственных угодий, полученных с использованием спутниковых снимков Landsat за 1986–1988 гг., и дополнительных картографических данных о границах несельскохозяйственных земель.

Выделение лесопокрытых территорий наиболее эффективно производится по снимкам, полученным в период с устойчивым снежным покровом. Дальнейшая классификация выполняется при помощи проведения управляемой классификации снимка по методу максимального правдоподобия (Белоусова, Брыжко, 2021).

Классификация проводилась в целях определения динамики формирования лесных экосистем, в которых выделяют классы лесопокрытых и нелесопокрытых территорий для каждого десятилетия (1990-е, 2000-е, 2010-е, 2020-е гг.). При формировании обучающей выборки учитывали результаты выездов на местность, в ходе которых обследовано 156 участков на территории южной части Пермского края.

При проведении выездных работ было выявлено, что данная методика позволяет дешифрировать территории лесных экосистем с преобладанием сомкнутой древесной растительности над кустарниками и травяным ярусом (рис. 2). При подобном анализе нет возможности фиксировать все стадии перехода в лесные экосистемы, в особенности с преобладанием травяного яруса, редких кустарников, небольшого подроста с низкой сомкнутостью.

Дополнительный этап изучения динамики лесозарастания территорий, ранее не занятых лесом, проводился в пределах отдельных почвенных выделов путем совмещения результатов классификации границ лесопокрытых территорий с 1990 по 2020 гг. и границ почвенных контуров, полученных путем оцифровки почвенной карты Пермской области 1:300000, составленной по материалам почвенного обследования, начавшегося в 1968 г. и проведенного Пермским филиалом института Уралгипрозем и кафедрой почвоведения Пермского сельскохозяйственного института им. академика Д. Н. Прянишникова в 1978 г. Составление карты осуществлялось путем сводки и обобщения крупномасштабных почвенно-картографических материалов. Карта содержит в себе 36 наименований почв в соответствии с указаниями по классификации и диагностике почв, выпущенными в 1967 г., с данными о гранулометрическом составе почв, почвообразующей породе, степени эродированности и каменистости (Кондратьева, Бажукова, 2019). В данной работе наименования почв сгруппированы по типам и приведены в соответствии с наименованиями по классификации и диагностике почв России 2004 г.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Как показал анализ динамики лесозарастания в пределах Пермского края, наблюдается увеличение площади лесных экосистем. Наиболее массово данный процесс проходил на территории наиболее освоенных ландшафтов, где сельскохозяйственные земли составляли значительную долю. В первую очередь лесозарастанию подвергались мелкоконтурные пашни, сенокосы и луга, расположенные в виде вкраплений в лесные массивы. Лесозарастание территории происходило поступательно, начиная от границы существующих лесных массивов в глубь полей. Как правило, первыми из оборота исключались участки, наименее удобные в сельскохозяйственном использовании. К таким территориям относились поля, расположенные на значительном удалении от населенных пунктов и имеющие неразвитую дорожную сеть. Переставали использоваться участки с высокими значениями уклона и сильно расчлененным рельефом. В дальнейшем процессы зарастания полей массово фиксировались и вблизи населенных пунктов, по мере потери интереса крупных аграрных предприятий к сельскохозяйственному использованию таких земель.

Рис. 3. Лесистость равнинных ландшафтов Пермского края в 1990 и 2020 гг.

На рис. 3 видно, что наибольшим приростом лесных площадей отличаются ландшафты южнотаежной подзоны и подтаежной зоны, в которых лесистость с 50–60% за три десятилетия увеличивалась до 75–80%. Рекордное увеличение лесных площадей с 44.2 до 70.7% произошло в лесостепном ландшафте. Минимальным же приростом характеризовались среднетаежные ландшафты, их увеличение составило всего 5–10%.

В ландшафтах южной тайги значительный прирост новых лесных экосистем произошел в первое десятилетие (7.3%). В большинстве случаев леса возрождались на территориях небольших полей, лугов и сенокосов, часто встречавшихся в виде вкраплений в лесные массивы. В период с 2000 по 2010 гг. наблюдался небольшой спад в интенсивности данного процесса. Почти двукратное увеличение скорости лесозарастания (11.1%) происходит в последнее десятилетие, что становится главной особенностью развития процесса для всех ландшафтов, лежащих к югу от средней тайги.

В ландшафтах подтаежной зоны снижение скорости прироста лесного покрова фиксировалось во второе десятилетие, но затем так же, как и в ландшафтах южной подзоны, происходил ее скачок — прирост на 12.5% в период с 2010 по 2020 г. Территория подтаежной зоны в Пермском крае была и сегодня остается наиболее развитой и востребованной в сельскохозяйственном использовании. Возможно, именно поэтому относительно умеренные темпы сокращения обрабатываемых площадей сохранялись в первые два десятилетия с начала 1990-х гг.

В первое десятилетие территория подтаежного лесостепного ландшафта не подвергается лесозарастанию в связи с сохранением интенсивного землепользования на наиболее плодородных почвах. Основной прирост приходится на два последних десятилетия, когда лесистость ландшафта увеличивается с 44.19 до 70.72% (рис. 4).

Для ландшафта, попадающего в пределы городской агломерации г. Перми (рис. 4) наблюдается такая же тенденция, как и для южнотаежных ландшафтов, — основной прирост лесных экосистем произошел в последнее десятилетие. Отличие состоит лишь в том, что из-за близости к городу темпы лесозарастания в нем в первые два десятилетия поддерживались на уровне 1.7–2.0%. С 2010 г. скорость лесозарастания составила уже почти 6.5%. Причиной трехкратного ускорения, по-видимому, следует считать увеличение темпов поляризации аграрного пространства, происходящего в Пермской городской агломерации в последнее десятилетие (Блусь и др., 2016).

Рис. 4. Средний прирост лесистости ландшафтов в разрезе зон (подзон) и в специальных ландшафтах Пермского края (лесостепной тип и городская агломерация).

Таблица 1. Лесозарастание (%) почвенных выделов на территории равнинных ландшафтов Пермского края за период с 1990 по 2020 гг.

Таблица 2. Класс бонитета типов почв в опорных и специальных ландшафтах Пермского края

Примечание.¹ — класс бонитета по методу А. С. Фатьянова (1959).

Более детально прирост лесных территорий на землях бывших сельскохозяйственных угодий и интенсивность данного процесса можно проследить на примере анализа изменения площадей отдельных типов почв, подвергающихся лесозарастанию.

Порядок групп почв (сверху вниз) отображен от наиболее плодородных к наименее плодородным, в соответствии с расчетным баллом бонитета по наиболее подходящему для территорий Нечерноземья методу А.С. Фатьянова (1959). В данной методике учитываются такие показатели, как содержание в пахотном слое гумуса и физической глины (%), емкость катионного поглощения (мг-экв), обменная кислотность. Затем проводится последовательное умножение на поправочные коэффициенты, связанные с эродированностью, заболоченностью и каменистостью территорий, после чего происходит группировка по классам бонитета в зависимости от балла бонитета (табл. 2).

Как видно из табл. 1, “стартовая” (на 1990 г.) степень лесистости в пределах рассматриваемых групп почв имеет тесную связь с их плодородием — чем оно выше, тем ниже степень лесистости почвенных выделов. Смена данной закономерности отчетливо проявляется для почв овражно-балочного комплекса, торфянисто-подзолисто-глеевых и торфяных болотных. Прирост лесных экосистем в пределах данных почв в последние три десятилетия невелик, поскольку “не лесные” территории в пределах их выделов занимали в основном не сельскохозяйственные угодья, а неудобицы — сырые луга и болота.

Роль почвенных условий в дифференциации земель на используемые в сельском хозяйстве и переводимые в залежи (впоследствии многие из них постепенно переходили в молодые леса) также имеет определенное значение в изменении пространственно-временной структуры земель в Пермском крае. Прежде всего забрасывались наименее плодородные и/или наиболее трудные для обработки почвы — дерново-глеевые, торфяно-болотные и дерновые тяжелосуглинистые.

Переходя к рассмотрению вопроса о развитии вторичных сукцессий на разных типах почв в разных природных зонах и/или относящихся к разным типам ландшафтов, можно отметить некоторые особенности развития данного процесса в пространстве и времени.

Анализ темпов лесозарастания самых плодородных типов почв (темно-серых, светло-серых и серых лесных), расположенных в пределах таежной и подтаежной зон, показал, что в подтаежной зоне данный процесс проходил активнее на 5–10%. Увеличение лесистости для относительно плодородных пойменных почв проходило от среднетаежной подзоны через южнотаежную подзону к подтаежной зоне (соответственно — 8.09, 27.40, 25.83%). Для почвенных выделов с более низкой степенью плодородия направленность изменения скорости лесозарастания сменяется на противоположную. Для пары южная тайга и подтайга значения прироста для дерново-подзолистых преимущественно неглубокоподзолистых почв составляют соответственно 29.37 и 14.72%, дерново-подзолистых преимущественно мелкоподзолистых — 27.69 и 17.95%.

Рассматривая вопрос о различиях в скорости и масштабах развития лесной растительности на землях, расположенных в разных типах ландшафта, нельзя обойти вниманием и проблему их устойчивости к антропогенным воздействиям. Как показали результаты изучения динамики лесных экосистем в пределах лесостепного ландшафта, фитогенные механизмы его устойчивости однозначно поддержали “лесной” вариант сукцессионных изменений. Это показывают высокие темпы и масштабы лесозарастания забрасываемых сельхозугодий. По-видимому, длительное освоение ландшафта под сельское хозяйство привело к значительной трансформации механизмов его устойчивости как системы. На высокую скорость и масштабы лесовосстановления лесостепного ландшафта, безусловно, повлиял и высокий процент плодородных почв в его пределах.

Сравнительный анализ темпов восстановления лесных экосистем в пределах таежных ландшафтов и лесостепного ландшафта путем замещения антропогенных комплексов на природно-антропогенные косвенно подтверждает мнение ряда ученых физико-географов, что степь и лесостепь — явления преимущественно антропогенного происхождения и лес, по сравнению с ними, имеет более высокие конкурентные особенности (Тишков, 1986, 1989; Терехин, Чендев, 2018).

ВЫВОДЫ

В ходе разновременного анализа установлено, что основными факторами вывода земель из сельскохозяйственного оборота и их последующего лесозарастания является снижение интереса к возделыванию, вызванному экономическим кризисом, а также изменение формы владения земельными участками. Прежде всего забрасыванию подверглись экономически неудобные территории, такие как мелкоконтурные сельскохозяйственные угодья, труднодоступные для механизированной обработки, и территории с низким плодородием почв.

Анализ лесозарастания почвенных групп в пределах равнинных ландшафтов выявил, что в первую очередь забрасывались наименее плодородные, а также наиболее трудные для обработки почвы (дерново-глеевые, пойменные, дерново-подзолистые преимущественно мелко- и неглубокоподзолистые). Их лесистость увеличилась с 46–58% до 70–81%.

Самые плодородные группы почв (черноземы оподзоленные, темно-серые, светло-серые и серые лесные) подвергались активному лесозарастанию, начиная с 2000-х годов, в связи с их более продолжительным аграрным использованием. Однако лесистость таких почв увеличилась на 25–35% и на текущий момент составляет 61–70%.

Почвы с низким плодородием (торфянисто-подзолисто-глееватые, торфяные болотные верховые и низинные) имеют изначально низкую лесистость 44–64%, а ее увеличение затронуло всего 1–14% территорий, где изначально не залесенные территории занимали не сельскохозяйственные угодья, а сырые луга и болота.

Степень лесозарастания в пределах рассматриваемых групп почв имеет тесную связь с их плодородием. Чем выше плодородие, тем ниже степень лесозарастания. Данная закономерность сохранилась и на сегодняшний день, несмотря на значительные площади лесовосстановления на плодородных землях.

***

Исследование выполнено при поддержке Пермского научно-образовательного центра “Рациональное недропользование”, 2023.

作者简介

A. Belousova

编辑信件的主要联系方式.
Email: uran399@mail.ru
俄罗斯联邦, Bukireva st., 15, Perm, 614990

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Landscape map of the Perm region (Nazarov, 2011).

下载 (1MB)

索引源数据

3. Fig. 2. Typical areas of former arable land overgrown with young forest in the support areas of the Perm Territory.

下载 (1MB)

索引源数据

4. Fig. 3. Forest cover of the lowland landscapes of the Perm Region in 1990 and 2020.

下载 (1MB)

索引源数据

5. Fig. 4. The average increase in forest cover of landscapes in the context of zones (subzones) and in special landscapes of the Perm Territory (forest-steppe type and urban agglomeration).

下载 (183KB)

索引源数据