Грант РНФ № 22-27-00579 "Функционирование низкогорных субсредиземноморских лесных ландшафтов (на примере юго-восточного Крыма)"

Основная задача

На основе полевых экспедиционных, полустационарных и стационарных методов исследования описать радиационный, тепловой и водный балансы различных типов лесных ландшафтов в условиях субсредиземноморского низкогорья. Показать внутригодовую изменчивость процессов функционирования ландшафтов. Выявить ландшафтные стратегии, формирующиеся в низкогорных субсредиземноморских лесных ландшафтах на основе представления о факторной энтропии.

Участники

Руководитель проекта

Горбунов Роман Вячеславович, доктор географических наук, директор 

Исполнители проекта

Горбунова Татьяна Юрьевна, кандидат географических наук, научный сотрудник научно-исследовательского центра геоматики 

Табунщик Владимир Александрович, научный сотрудник научно-исследовательского центра геоматики 

Сафонова Мария Сергеевна, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра геоматики

Полученные результаты

В результате обзора отечественных и зарубежных исследований в области формирования и функционирования лесных горных ландшафтов на топологическом уровне установлено, что исследуемым вопросам как в мировой, так и в отечественной литературе уделяется крайне мало внимания. Наблюдается разрозненность методик исследования, разорванность и несвязность ареалов исследований, различные подходы к трактовкам изучаемых явлений. Исследования часто приводятся для региональных операционно-территориальных единиц, по пути укрупнения и усреднения, при этом теряется связь с локальным уровнем исследования, и попытками установить основные закономерности формирования и функционирования горных ландшафтов на топологическом уровне.

Для характеристики формирования и функционирования субсредиземноморских горных лесных ландшафтов на топологическом уровне заложены две экспериментальные площадки – пушистодубовый лес на восточном склоне хребта Беш-Таш и можжевеловый лес на южном склоне хребта Карагач в пределах Карадагского природного заповедника. 

Благодаря разработанному научному подходу использования БПЛА для изучения функционирования низкогорных ландшафтов установлено, что поступление солнечной радиации на поверхность крон в ясную безветренную погоду определяется крутизной кронового рельефа и ориентацией склона по отношению к солнцу в конкретный период времени. Максимальные значения характерны для пологих склонов в 12:00. Пространственно-временная дифференциация значений суммарной солнечной радиации, проникающей в подпологовое пространство в пределах светового дня, определяется сомкнутостью и положением крон относительно направленных на поверхность солнечных лучей. Так же на неоднородность в пропускании суммарной солнечной радиации пологом большое влияние оказывают плотность листового перекрытия и «окна», образующиеся между ветвями деревьев. Отмечается большая амплитуда значений степени пропускания от 8 до 100 % в пределах пушистодубовых и можжевеловых лесов.

При рассмотрении составляющих радиационного баланса отмечается, что средние значения элементов коротковолновой части показывают характер изменения с максимальными значениями радиации в полдень. Разница между минимальными и максимальными значениями доказывает сложность кронового рельефа изучаемых типов лесов и распределения в них потоков поступающей радиации. Длинноволновое излучение, с ростом значений, указывает на постепенный прогрев почвенного покрова на протяжении всего дня и отдачу тепла в приземный слой воздуха, что при сравнении с коротковолновой частью формирует отрицательный радиационный баланс в затененных участках подпологового пространства и положительный баланс на открытых. Данное распределение значений демонстрирует сложную организацию и протекание процессов распределения потоков вещества и энергии в пушистодубовом и можжевеловом лесах.

Полученные данные об элементах теплового баланса демонстрируют, что наибольшая часть радиационного баланса расходуется на турбулентный поток тепла, и меньшая часть расходуется на испарение и поток тепла в почве. Также большую роль в распределении поступающей солнечной радиации играют кроны деревьев. Наиболее ярко это наблюдается у лиственных пород деревьев, для которых характерно полное отсутствие листвы в зимний период и максимальное развитие кроны в летний, таким образом под влиянием характера растительности формируется временная (сезонная) дифференциация значений суммарной солнечной радиации, проникающей в подпологовое пространство. Наиболее сильно данное явление фиксируется в пушистодубовом лесу, а в можжевеловом проявляется за счет единичных лиственных деревьев.

При анализе показателей характерных для открытой местности и подпологового пространства выявлено, что среднесуточная температура воздуха в лесу за рассматриваемый период всегда выше температуры на открытом участке благодаря наличию кроны, влияние которой увеличивается по мере ее развития. Для значений температуры почвы характерно сохранение тепла пологом леса в зимний период, в марте значения выравниваются и с началом вегетационного периода отмечается снижение температуры в лесном участке. Характер изменения значений турбулентного потока тепла и затрат тепла на испарение соответствует радиационному балансу, происходит постепенное увеличение значений с зимнего по летний период. Поток тепла в почву в свою очередь характеризуется попеременным возрастанием и уменьшением в рамках определенного диапазона, с уменьшением амплитуды в летний период.

Установлено, что лесная растительность всегда оказывает влияние на тепловой баланс экосистемы, но степень ее влияния определяется сезонной сменой листвы деревьями, чем более развитая крона, тем сильнее ее влияние на распределение потоков тепла и энергии.

Среднегодовое количество осадков на территории Карадага за анализируемый период составило 448 мм; в последние годы зафиксировано уменьшение количества осадков. В среднем кроны сообществ дуба пушистого задерживают до 24 % осадков. С точки зрения сезонной динамики максимальное задержание осадков (до 41 %) приходится на период с поздней весны до начала лета; это связано с достижением максимальных объемов фитомассы в этот период. Согласно литературным данным, стволовой сток перекрывает 3–5 % годового стока; только на более крутых склонах это может привести к негативным последствиям в виде плоскостного смыва почвы. Сток, образующийся из крон деревьев, достигает поверхности почвы постепенно, образуя запас влаги в лесной подстилке. За исследуемый период влажность почвы значительно снизилась в 1,6 раза. Максимальные значения относительной влажности почвы наблюдаются в зимние месяцы и в марте, когда среднее значение не опускается ниже 25 %. Особенности рельефа Юго-Восточного Крыма создали условия для перераспределения твердых осадков (снега) с наветренных склонов с образованием снегосборных бассейнов. Благодаря этому эффекту склоны южных экспозиций характеризуются лучшим увлажнением, чем противоположные склоны северных экспозиций. Значения эвапотранспирации в пушистых дубравах приблизительно совпадают со значениями этого показателя в Средиземноморском регионе и составляют в среднем 450 мм в год. Межгодовая динамика демонстрирует тенденцию к увеличению показателей эвапотранспирации. Значительное увеличение суммарного испарения наблюдается в конце лета и начале осени. Наблюдения за склоновым стоком, проведенные на участках стока, показывают, что этот фактор существенно не влияет на конечное значение водного баланса. Среднее значение склонового стока составило 0,04 л/км2; что касается межгодовой динамики, то за рассматриваемый период зафиксировано снижение этого значения. Полученные данные показывают, что водный баланс пушистодубовых лесов характеризуется отрицательными значениями, что связано в первую очередь с дефицитом влаги. Водный баланс имеет положительные значения только в зимние месяцы. Все проанализированные особенности элементов водного баланса формируют условия, способствующие вытеснению степных сообществ лесными видами, что подтверждается результатами полевых и дистанционных исследований.

Показатель энтропии демонстрирует сезонные изменения сложности распределения солнечной радиации, индекса NDVI, экспозиции и крутизны кронового рельефа, изменения которых влечет за собой изменение некоторых климатических параметров, таких как температура воздуха, почвы, количества испарения. Это, в свою очередь, приводит к трансформации всей системы взаимодействий внутри ландшафта. На основании анализа видно, что в формировании факторной энтропии ландшафта большую роль играет сезонная динамика его собственных и окружающих компонентов, что отражается в формировании стратегий развития или стабилизации основных типов ландшафтов. Таким образом полученные значения указывают на то, что при смене сезонов за счет высоты солнца над горизонтом в летний период происходят процессы стабилизации.

Растительный покров служит одним из основных показателей состояния окружающей среды и может предоставлять ценную информацию об общем состоянии экосистемы. Традиционно данные о растительном покрове могут использоваться при проведении оценки различных показателей состояния окружающей природной среды, скорости изменения антропогенной деятельности, при проведении оценки экосистемных услуг и функций лесных ландшафтов. Понимание динамики изменения растительного покрова жизненно важно для эффективного природоохранного планирования и сохранения видов, находящихся под угрозой исчезновения, принятия мер для устойчивого управления лесами и их защиты.

На основе расчета индекса NDVI и анализа его пространственно-временной изменчивости с 2001 по 2022 гг. установлено, что в пределах Юго-Восточного Крыма наиболее стабильными по значениям зеленой фитомассы являются экосистемы лесов, по сравнению с экосистемами степей и антропогенно созданных сельскохозяйственных угодий и населенных пунктов. В пределах Юго-Восточного Крыма с 2001 по 2022 гг. наблюдается тенденция к росту значений вегетационного индекса и имеется положительный тренд на увеличение значений вегетационного индекса NDVI. Среднее значение индекса NDVI за период с 2001 по 2022 годы составило 0,443. Максимальные годовые значения были зафиксированы в 2006 году и достигали 0,469, в то время как минимальные значения составляли 0,397. Пространственное распределение NDVI в исследуемом районе в течение этого временного промежутка характеризовалось колебаниями от 0,1 до 0,62. Наибольшие значения положительных трендов изменчивости выявлены в ландшафтах, где преобладают мозаичные комплексы можжевеловых и дубовых лесов. Эти результаты указывают на формирование стратегий развития в общем контексте данных ландшафтов.

Наименьшие значения индекса Херста, рассчитанного на основании вегетационного индекса NDVI, преимущественно наблюдаются в северных и северо-западных частях Юго-Восточного Крыма, в то время как наивысшие значения преобладают в прибрежных, южных и юго-восточных частях Юго-Восточного Крыма. Высокие значения индекса Херста особенно выделяются вблизи населенных пунктов, таких как Щебетовка, Курортное, Судак, Солнечная Долина и другие. Для большей части территории Юго-Восточного Крыма характерны значения индекса Херста более 0,5, что свидетельствует о том, что тренд изменения зеленой фитомассы сохранит свою направленность на увеличение, и в целом система будет оставаться стабильной, и будут сформированы предпосылки для ландшафтной стратегии развития в пределах рассматриваемых можжевеловых и дубовых лесных ландшафтов.

  

Список публикаций

1. Горбунов Р. В., Сафонова М. С, Табунщик В. А., Горбунова Т. Ю. Функционирование низкогорных субсредиземноморских лесных ландшафтов (на примере Юго-Восточного Крыма). Монография. – Симферополь: ИТ АРИАЛ, 2023. – 148 с.
   

2. Safonova M., Tabunshchik V., Gorbunov R., Gorbunova T. Heat Budget of Sub-Mediterranean Downy Oak Landscapes of Southeastern Crimea // Forests. 2023. Vol. 14, iss. 10. Art. no. 1927 (21 p.). https://doi.org/10.3390/f14101927/, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54706877

3. Tabunshchik V., Gorbunov R., Gorbunova T., Safonova M. Vegetation Dynamics of Sub-Mediterranean Low-Mountain Landscapes under Climate Change (on the Example of Southeastern Crimea) // Forests. 2023. Vol. 14, iss. 10. Art. no. 1969 (23 p.).https://doi.org/10.3390/f14101969,https://www.elibrary.ru/item.asp?id=54708334

4. Gorbunov R., Tabunshchik V., Gorbunova T., Safonova M. Water Balance Components of Sub-Mediterranean Downy Oak Landscapes of Southeastern Crimea // Forests. 2022. Vol. 13, iss. 9. Art. no. 1370 (14 p.). https://doi.org/10.3390/f13091370, https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49720468

5. Сафонова М.С., Табунщик В.А., Горбунов Р.В., Горбунова Т.Ю. Радиационный баланс пушистодубовых и можжевеловых лесов юго-восточного Крыма. Природно-ресурсный потенциал и экологическая реабилитация деградированных ландшафтов // Природно-ресурсный потенциал и экологическая реабилитация деградированных ландшафтов: материалы Международной научно-практической конференции, 17-18 марта 2023 г., Грозный: ЧГУ им. Ахмата Абдулхамидовича Кадырова, 2023. С. 295-299. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53865440

6. Сафонова М. С., Горбунов Р. В., Горбунова Т. Ю., Табунщик В. А. Стационарные и полустационарные исследования функционирования низкогорных субсредиземноморских лесных ландшафтов на топологическом уровне в юго-восточном Крыму // Экспериментальное ландшафтоведение: теория, методология, практика: тез. докл. Всерос. науч. конф., посвящ. 30-летию Карадагского ландшафт.-экол. стационара, 25–29 сентября 2023 г., г. Феодосия, пгт Курортное, Российская Федерация. Севастополь: ФИЦ ИнБЮМ, 2023. С. 8-10. https://elibrary.ru/item.asp?id=54753757

7. Горбунов Р. В., Горбунова Т. Ю., Табунщик В. А., Сафонова М. С. Стационарные исследования элементов водного баланса пушистодубовых лесов на территории Карадагского ландшафтно-экологического стационара // Природа и общество: интеграционные процессы: материалы Междунар. науч.-практ. конф. «Пятые ландшафтно- экологические чтения, посвященные Г. Е. Гришанкову», 12–16 сентября 2022 г., Севастополь, РФ. Симферополь : ИТ «АРИАЛ», 2022. С. 35-38. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49755071

8. Горбунов Р. В., Табунщик В. А., Горбунова Т. Ю., Сафонова М. С. Первичные сведения о водном балансе субтропических пушистодубовых ландшафтов Юго-Восточного Крыма // Изучение водных и наземных экосистем: история и современность : тез. докл. II Междунар. науч.-практ. конф., 5–9 сентября 2022 г., Севастополь, Российская Федерация. Севастополь: ФИЦ ИнБЮМ, 2022. С. 85-86. https://www.elibrary.ru/item.asp?id=49561110