Фрагментация горных лесов при строительстве олимпийских объектов
Представлены возможности ArcGIS для изучения процессов фрагментации лесов.
Фрагментация горных лесов при строительстве олимпийских объектов
В.М. Ивонин, д.с-х.н.; А. В. Егошин, (ecoid@yandex.ru), ФГБУ “НИИгорлесэкол”Фрагментация лесов – это расчленение различными рубежами лесных массивов на участки, что приводит к изоляции популяций, возникновению краевого (опушечного) эффекта, создаёт помехи при опылении растений и распространении семян, а также при миграции животных, вызывает инвазии и другие негативные последствия.
Результаты исследований фрагментации лиственных лесов Северной Америки (изоляция популяций, негативное воздействие рубежей фрагментации, краевой эффект и др.) изложены в монографии Richard H. Yahner [10]. Ухудшение качества среды обитания изолированных популяций на юго-востоке США представлено в работе Dickson James G [7]. В Амазонии эти негативные последствия ощущаются даже на крупных лесных фрагментах, площадью от 100 до 1000 га [8]. В Канаде фрагментация лесов происходит в основном при сельскохозяйственном производстве [6].
Основная причина фрагментации горных лесов в районе Красной Поляны (Сочи) – строительство туристских олимпийских объектов горного кластера. При фрагментации проявляется краевой (опушечный) эффект буковых и буково-пихтовых лесов, который выражен в снижении приростов деревьев, а также в повышении объемов сухостоя и захламленности. При этом в опушечной зоне происходит накопление подроста (особенно мелкого и среднего), снижение воздушно-сухой массы лесной подстилки, увеличение воздушно-сухой массы живого напочвенного покрова за счёт светолюбивых видов с уменьшением видового разнообразия [2]. Негативные последствия фрагментации усиливаются благодаря тому, что в зонах опушек леса и на изолирующих рубежах (лыжные и иные трассы) активизируется эрозия почв[3, 4].
Фрагментацию буковых, буково-пихтовых лесов, субальпийских криволесий и редколесий при олимпийском строительстве мы исследовали в 2010-2012 гг. на территории Краснополянского участкового лесничества ФГБУ «Сочинский национальный парк», в местах размещения горно-туристского центра ОАО «Газпром» (хребет «Псехако»), спортивно-туристского комплекса «Горная Карусель», горноклиматического курорта «Альпика-Сервис» и горнолыжного курорта «Роза-Хутор» (хребет «Аибга»). Такие исследования обычно проводят с использованием ландшафтных индексов [5] или с помощью геоинформационных систем (ГИС), позволяющих определить негативное влияние рубежей фрагментации на леса [10].
Последняя методика была адаптирована нами к условиям исследований в районе Красной Поляны. При этом использовали карты Google (от 08.09.2010 г.) и программное обеспечение ArcGIS 10. На привязанные карты Google наносили рубежи фрагментации, которые конвертировали в растр. Затем с помощью набора инструментов ArcToolBox ArcGIS для каждого рубежа фрагментации рассчитывали зону его негативного влияния, которую также конвертировали в растр. В результате получили растровую сетку (GRID), где каждому квадрату площадью 100м2 присваивались следующие значения: 1 – рубеж фрагментации; 2 – площадь опушечной (краевой) зоны, испытывающей негативное влияние рубежа; 3 – внутренняя площадь фрагмента, не испытывающая негативного влияния. Далее «склеивали» растровые сетки с получением результирующей растровой сетки (рис. 1).
На следующем этапе осуществляли генерализацию результирующей растровой сетки и получали слой лесных фрагментов. Затем с помощью инструментов пространственного анализа ArcGIS для каждого фрагмента рассчитывали показатели: площадь (м2); периметр (м); максимальная ширина фрагмента – двойной максимальный радиус окружности, вписанной в фрагмент (м); площадь опушечной (краевой) зоны, испытывающей негативное влияние рубежей фрагментации (м2); внутренняя площадь фрагмента, не испытывающая такого негативного влияния (м2).
Рисунок 1 – Результирующая растровая сетка (GRID)
Для каждого фрагмента находили следующие индексы: показатель контакта фрагмента с изолирующими рубежами (м/м2) – отношение периметра фрагмента к его общей площади; коэффициент негативного воздействия изолирующих рубежей на лесную обстановку фрагмента – отношение площади опушечной (краевой) зоны к общей площади фрагмента, а также коэффициент деградированности лесной обстановки в результате фрагментации – отношение площади опушечной (краевой) зоны к внутренней площади лесного фрагмента, не испытывающей негативного влияния.
Было выделено 5 типов рубежей фрагментации: притоки реки Мзымта (естественные рубежи); лесные дороги; лыжные трассы; технологические трассы и подъёмники; поселения, комплекс трамплинов, стадионы и объекты инфраструктуры. При экспериментальном изучении негативных процессов фрагментации лесов [2], нами определена ширина распространения краевого (опушечного) эффекта по типам рубежей: 0 (естественные рубежи); 10 метров (лесные дороги); 25 (лыжные и технологические трассы); 30 (подъёмники); 50 метров (поселения, комплекс трамплинов, стадионы и прочее).
Фрагментацию горных лесов исследовали с помощью карт Google (от 08.09.2010 г.) и программного обеспечения ArcGIS 10. Примеры фрагментации приведены на рисунках 2-4. На этих рисунках приведены лесные фрагменты, окрашенные в различные цвета и наложенные на космические снимки.
Анализируя данные рисунка 2 заключаем, что на территории горно-туристского центра ОАО «Газпром» размеры лесных фрагментов изменяются в широком диапазоне от 100 м2 до сотен гектаров. Эти фрагменты в основном вытянуты вдоль склонов.
Рисунок 2 – Фрагментация горных лесов на хребте Псехако (ГТЦ ОАО «Газпром»)
Рисунок 3 – Фрагментация горных лесов на хребте Аибга (СТК «Горная карусель»)
По данным рисунка 3 на территории спортивно-туристского комплекса «Горная карусель» лесные и луговые фрагменты по площади и конфигурации также весьма разнообразны.
Рисунок 4 – Фрагментация горных лесов и лугов на хребте Аибга (ГЛК «Роза Хутор» и ГКК «Альпика-Сервис»)
На рисунке 4 видно, что на территории горнолыжного курорта «Роза Хутор» и горноклиматического курорта «Альпика-Сервис» конфигурация и площади фрагментов также самые разнообразные.
В результате расчетов оказалось, что при строительстве туристских олимпийских объектов горного кластера (конец 2010 года) всего было образовано 259 лесных фрагментов, характеристики которых представлены в таблице 1.
По данным таблицы 1, площадь лесных фрагментов изменяется от 100 до 6030900 м2, в среднем равняясь 16 га.
Таблица 1 – Характеристики лесных фрагментов, образованных в ходе строительства туристских олимпийских объектов
Статистические показатели
Общая площадь фрагмен-та, м2
Периметр, м
Максимальная ширина, м
Площадь краевой зоны, м2
Внутренняя площадь, за пределами краевой зоны, м2
Показатель контакта фрагмента с рубежами, м/м2
Коэфф. негативного воздействия на лесную обстановку
Коэфф. деградированности лесной обстановки
min
100,0
40,0
10,0
0
0
0,0037
0
0
max
6030900,0
26960
1878,3
477532,0
5747800,0
2,3333
1
63
Среднее
160090,74
579734,56
142,1
22424,80
135759,31
0,0839
0,5583
2,9971
Периметры изменяются от 40 до 26960 м, в среднем составляя 579,7 км; максимальная ширина фрагмента – от 10 до 1878 м, при среднем значении 142 м; площадь краевой зоны, испытывающей негативное влияние рубежей – от 0 (реки и другие естественные рубежи) до 477532 м2, в среднем равняясь 2,2 га; внутренняя площадь фрагмента, не испытывающая негативного влияния – от 0 до 5747800 м2, при среднем значении 13,6 га.
По этим значениям были рассчитаны: показатель контакта фрагментов с изолирующими рубежами; коэффициент негативного воздействия изолирующих рубежей на лесную обстановку фрагмента и коэффициент деградированности лесной обстановки в результате фрагментации.
При исследованиях фрагментации наиболее значимым показателем явился коэффициент негативного воздействия изолирующих рубежей на лесную обстановку фрагмента – КНВФ, тесно связанный с площадями фрагментов (коэффициент детерминации равен 0,689). Эти связи представлены рисунком 5.
Рисунок 5 – Связи коэффициентов негативного воздействия фрагментации с площадями лесных фрагментов
Теоретическая кривая связей рисунка 5 приведена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Теоретическая кривая связей коэффициентов негативного воздействия фрагментации с площадями лесных фрагментов
Общие площади лесных фрагментов, с различными уровнями деградации, наложенные на космические снимки, представлены для территории строительства горно-туристского центра ОАО «Газпром» на хребте «Псехако» (рисунок 7).
Рисунок 7 – Общие площади лесных фрагментов с различными уровнями деградации на территории ГТЦ ОАО «Газпром» (зелёный цвет – слабый уровень; светло зелёный – средний; жёлтый – сильный; оранжевый – кризисный уровень; красный – катастрофический)
Аналогичные данные для территории строительства олимпийских объектов на хребте «Аибга» приведены на рисунке 8.
Рисунок 8 – Общие площади лесных фрагментов с различными уровнями деградации на территории: 1 – СТК «Горная карусель»; 2 – ГКК «Альпика-Сервис»; 3 – ГЛК «Роза Хутор» (зелёный цвет – слабый уровень; светло зелёный – средний; жёлтый – сильный; оранжевый – кризисный уровень; красный – катастрофический)
По данным рисунков 7-8, на территории строительства туристских олимпийских объектов горного кластера лесные фрагменты большей частью представлены слабым и средним уровнями деградации лесной обстановки.
Характеристика площадей лесных фрагментов по данным рисунков 4 и 5 приведена в таблице 2.
По данным таблицы 2, всего при строительстве туристских олимпийских объектов горного кластера образовано 259 лесных фрагментов на общей площади 3865,94 га.
Таблица 2 – Характеристика площадей лесных фрагментов
Уровень деградации лесного фрагмента
КНВФ
Площадь фрагмента, га
Количество фрагментов, щт
Сумма площадей фрагментов, га
1
2
3
4
5
ГТЦ ОАО “Газпром”
Катастрофический 0,065 и более < 1,0
60
24,71
Очень сильный 0,055 – 0,065 1,0 – 1,5
10
12,10
Сильный 0,04 – 0,055 1,5 – 4,5
21
59,94
Средний 0,02 – 0,04 4,5 – 49,0
27
368,01
Слабый менее 0,02 49,0 – 603,1
5
1034,95
СТК “Горная карусель”
Катастрофический 0,065 и более < 1,0
3
2,40
Очень сильный 0,055 – 0,065 1,0 – 1,5
3
3,56
Сильный 0,04 – 0,055 1,5 – 4,5
8
23,94
Средний 0,02 – 0,04 4,5 – 49,0
12
160,94
Слабый менее 0,02 49,0 – 603,1
1
506,60
ГКК «Альпика-Сервис» и ГЛК «Роза Хутор»
Катастрофический 0,065 и более < 1,0
64
24,22
Очень сильный 0,055 – 0,065 1,0 – 1,5
10
12,07
Сильный 0,04 – 0,055 1,5 – 4,5
34
84,42
Средний 0,02 – 0,04 4,5 – 49,0
29
322,12
Слабый менее 0,02 49,0 – 603,1
8
1225,96
Всего по туристским объектам горного кластера
Катастрофический 0,065 и более < 1,0
127
51,33
Очень сильный 0,055 – 0,065 1,0 – 1,5
23
27,73
Сильный 0,04 – 0,055 1,5 – 4,5
63
168,30
Средний 0,02 – 0,04 4,5 – 49,0
68
851,07
Слабый менее 0,02 49,0 – 603,1
14
2767,51
Максимальное количество фрагментов было образовано в результате реконструкции ГКК «Альпика-Сервис» и строительства ГЛК «Роза-Хутор» (145 шт.), минимальное – при строительстве СТК «Горная карусель» (27 шт.). Суммарная площадь лесных фрагментов соответственно составила 1668,79 и 697,44 га. Территория ГТЦ ОАО «Газпром» по этим показателям занимала промежуточное положение.
Минимальное количество мелких фрагментов (меньше 1,5 га) отмечено на территории СТК «Горная карусель». Поэтому на этом объекте катастрофический и очень сильный уровни деградации лесной среды проявились на площади фрагментов 5,96 га. Примерно одинаковое количество мелких фрагментов отмечено на территориях ГТЦ ОАО «Газпром» (70 шт.), а также ГКК «Альпика-Сервис» и ГЛК «Роза Хутор» (74 шт.). Площади фрагментов с катастрофическим и очень сильным уровнем деградации лесной среды на этих объектах были также одинаковы (соответственно 36,81 и 36,29 га).
Лесные фрагменты площадью менее 1-1,5 га представляют собой группы деревьев, в которых лесная среда полностью деградирована или находится в кризисном состоянии (насаждения сильно ослаблены, лесная подстилка нарушена или уничтожена, в живом напочвенном покрове доминируют луговые и сорные травы). При контакте таких фрагментов с технологическими дорогами в вегетационный период происходит запыление живого напочвенного покрова, подлеска и подроста.
Наибольшее количество крупных лесных фрагментов (8 шт.) на площади 1225,96 га отмечено на территории ГКК «Альпика-Сервис» и ГЛК «Роза Хутор». Здесь негативное влияние рубежей фрагментации проявляется лишь в краевой (опушечной) зоне, ширина которой достигает 25-35 метров. В глубине таких фрагментов нами не отмечено негативного влияния изолирующих рубежей на состояние лесной среды.
На территории СТК «Горная карусель» единственный крупный фрагмент занимает площадь 506,6 га, а на территории ГТЦ ОАО «Газпром» 5 крупных фрагментов занимают площадь 1034,95 га.
Под полог таких лесных фрагментов (на рисунках 4 и 5 обозначены зелёным цветом) рекомендуем переселять редкие и находящиеся под угрозой исчезновения растения с территорий застройки (на рисунках 4 и 5 обозначены штриховкой) и фрагментов, лесная среда которых характеризуется катастрофическим и очень сильным уровнями деградации (на рисунках 4 и 5 обозначены оранжевым и красным цветом).
Таким образом, в ходе экспериментальных исследований было выделено 5 типов рубежей фрагментации горных лесов при строительстве туристских олимпийских объектов в районе Красной Поляны: притоки реки Мзымта (естественные рубежи); лесные дороги; лыжные трассы; технологические трассы и подъёмники; поселения, комплекс трамплинов, стадионы и объекты инфраструктуры. Определена ширина распространения негативного краевого (опушечного) эффекта по типам рубежей: 0 (естественные рубежи); 10 метров (лесные дороги); 25 (лыжные и технологические трассы); 30 (подъёмники); 50 метров (поселения, комплекс трамплинов, стадионы и прочее).
Используя ГИС-технологии, установили общее количество лесных фрагментов (259 шт.) в регионе исследований. Эти фрагменты предложено характеризовать следующими показателями: общая площадь (изменяющейся от 100 до 6030900 м2), периметр (от 40 до 26960 м), максимальная ширина фрагмента (от 10 до 1878 м), площадь краевой зоны, находящаяся под негативным воздействием рубежей фрагментации (от 0 до 477532 м2), внутренняя площадь фрагмента за пределами краевой зоны (от 0 до 5747800 м2).
По предложенным показателям рассчитали следующие коэффициенты: контакта фрагмента с изолирующими рубежами (изменяется от 0,0037 до 2,3333 м/м2), негативного воздействия изолирующих рубежей на лесную обстановку фрагмента (от 0 до 1), деградированности лесной обстановки под влиянием фрагментации (от 0 до 63). Наиболее значимым показателем явился коэффициент негативного воздействия изолирующих рубежей на лесную обстановку фрагмента – КНВФ, тесно связанный с площадями лесных фрагментов (коэффициент детерминации равен 0,689).Разработана ГИС «Фрагментация горных лесов при олимпийском строительстве», позволяющая выделить и охарактеризовать лесные фрагменты с различными уровнями деградации лесной обстановки на территории олимпийских объектов ГТЦ ОАО “Газпром” (хребет “Псехако”), СТК «Горная карусель», ГКК «Альпика-Сервис» и ГЛК «Роза Хутор» (хребет “Аибга”).
Максимальное количество фрагментов находится на территории ГКК «Альпика-Сервис» и ГЛК «Роза-Хутор» (145 шт.), минимальное – СТК «Горная карусель» (27 шт.). Суммарная площадь этих лесных фрагментов соответственно составила 1668,79 и 697,44 га. Территория ГТЦ ОАО «Газпром» по этим показателям занимает промежуточное положение.
Мелкие лесные фрагменты (площадью меньше 1,5 га) характеризуются катастрофическим и очень сильным уровнем деградации лесной обстановки. Общая площадь таких фрагментов равна 79,06 га. Эти фрагменты представляют собой группы деревьев, в которых лесная среда полностью деградирована или находится в кризисном состоянии (сильно ослабленные насаждения, лесная подстилка которых нарушена или уничтожена, а в живом напочвенном покрове доминируют луговые и сорные травы). При контакте таких фрагментов с технологическими дорогами живой напочвенный покров, подлесок и подрост в вегетационный период запылен.
Крупные фрагменты (площадью от 49 до 603 га и более) характеризуются слабым уровнем деградации лесной среды. Общая площадь таких фрагментов равна 2767,51 га. Здесь негативное влияние рубежей фрагментации проявляется лишь в краевой (опушечной) зоне, ширина которой достигает 25-35 метров. В глубине таких фрагментов нами не отмечено негативного влияния изолирующих рубежей на состояние лесной среды.
Под полог крупных лесных фрагментов рекомендуется высаживать редкие и находящиеся под угрозой исчезновения растения, переселяемые с территорий застройки, а также лесных фрагментов, среда которых деградирована или находится в критическом состоянии. Технологии переселения редких и находящихся под угрозой исчезновения растений приведены в монографии [10].
Список литературы
1. Ивонин В.М., Пиньковский М.Д., Егошин А.В. и др. Реабилитация лесных экосистем, нарушенных в ходе строительства объектов Олимпиады-2014 / Под ред. В.М. Ивонина.- Сочи, 2012.- 250 с.
2. Ивонин В.М. Пиньковский М.Д. Егошин А.В. Фрагментация горных лесов при размещении объектов Олимпиады – 2014 // Лесное хозяйство, 2012.- №1.-С 31 – 34.
3. Ивонин В.М., Пиньковский М.Д., Егошин А.В. Эрозия почв нарушенных при строительстве объектов Олимпиады-2014 / Экология урбанизированных территорий, 2011.- №2.- С. 55-61.
4. Ивонин В.М., Пеньковский Н.Д., Степаницкий В.Б. Почвозащитная роль горных лесов в районах строительства олимпийских объектов // Лесное хозяйство. 2009. №6.- С. 22-25.
5. Усова И.П. Оценка фрагментации лесов с использованием ландшафтных индексов (на примере восточно-белорусской ландшафтной провинции) //Актуальные проблемы геоботаники.- III Всероссийская школа-конференция. – II часть. – Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. – C. 250-253.
6. Belanger L., Grenier M. Agriculture intensification and forests fragmentation in the St. Lawrence valley, Quebec, Canada // Landscape Ecology. 2002. – Vol. 17. – P. 495-507.
7. Dickson James G. Wildlife of southern forests: habitat and management.- WA USA: Hancock House Publishers, 2001.- 473 p.
8. Julian Evans The Forests Handbook: An overview of forest science.- Bodmin, Cornwall, 2001.- 401p.
9. Kornak R., Dutton J. Tropical Forest Fragmentation // Environmental Applications of GIS.- Электронный ресурс.- www.e-education.psu.edu.
10. Yahner, Richard H. Eastern Deciduous Forest: Ecology and Wildlife Conservation.- Minneapolis: University of Minnesota Press, 200.- 279 p.
Цитирование:
Ивонин В.М., Егошин А.В. Фрагментация горных лесов при строительстве олимпийских объектов / Priroda.SU – 2011-12, http://www.priroda.su/item/2736
