ИЗУЧЕНИЕ БАЛАНСА УГЛЕРОДА В ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

STUDY OF CARBON BALANCE FOREST ECOSYSTEMS USING GIS-TECHNOLOGIES

Alexandr Fedin

graduate 3 years the Department of Soil Science and Agricultural Chemistry

The Federal State Budget Educational Institution of Higher Education “Omsk State Agricultural University named after P.A. Stolypin”,

Russia, Omsk

Marat Shayakhmetov

assistant the Department of Soil Science and Agricultural Chemistry

The Federal State Budget Educational Institution of Higher Education “Omsk State Agricultural University named after P.A. Stolypin”,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В работе представлены материалы исследования динамики выделения углекислоты почвами лесных биогеоценозов парка ФГБОУ ВО «Омский ГАУ», показывающие отсутствие влияния древесных пород на вклад в общую эмиссию СО₂ из почв. При измерении выделения углекислоты учитывались влажность и температура почвы, по которым можно сделать вывод об отсутствии влияния данных факторов на «дыхание» почвы в оба срока, однако в сезонной динамике при падении температуры и влажности, также уменьшается и выделение углекислого газа. В данной работе представлены первые данные, посвященные изучению возможности применения космических снимков высокого пространственного разрешения КА WorldView-2, для целей дешифрирования хвойных и лиственных пород лесостепной зоны Западной Сибири. Изучался характер поглощения коротковолновой и длинноволновой части спектра солнечной радиации, который показал, что различные породы в зависимости от общей биомассы поглощают различное количество солнечной энергии, наибольшее различие наблюдалось при синтезе космического снимка с учетом инфракрасного диапазона съемки.

ABSTRACT

The work presents research materials of the dynamics of carbon dioxide exhalation by soils of forest biogeocenoses of the park of the Omsk Agricultural University, showing absence of the influence of tree species on the contribution to the total emission of CO₂ from the soil. When measuring the carbon dioxide exhalation the humidity and temperature of the soil were taken into account, according to this we can conclude about the absence of the influence of these factors on the soil "breathing», however in seasonal dynamics when the temperature and humidity falls, also carbon dioxide emission reduces. This work presents first data devoted to studying of the possibility of high spatial resolution satellite images using КА WorldView-2, for decrypting the coniferous and deciduous species of Western Siberia forest-steppe zone. We studied the nature of the absorption of short-wave and long-wave part of solar radiation spectrum, that showed different species absorb different amounts of solar energy, the greatest difference was observed in the satellite image synthesis based on infrared shooting range.

Ключевые слова: эмиссия углекислоты лесные парцеллы дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ).

Keywords: emission of carbon dioxide forest parcels Earth remote sensing (ERS).

Актуальной проблемой современности является обоснование гипотезы глобального потепления климата Планеты и связь ее с выделением СО₂ в атмосферу [2, с. 137–142; 3, с. 187–190]. С другой стороны, в настоящее время для познания закономерностей природных явлений широко используются результаты дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ), однако, крайне малоработ связанных с изучением породного состава лесных насаждений. Среди них можно считать наиболее информативными исследования в работах A. Marx и R. Griesbach изучавших спектральные характеристики различных лесных пород [4, с. 34–38].

Цель исследований: Изучить факторы, определяющие динамику выделения эмиссии углекислоты почвами лесных насаждений для оценки поглощения ими солнечной радиации.

 Определение выделившегося СО₂ из почв проводилось по методу изучения «дыхания почвы» В.И. Штатнова (1952 г.), который заключается в поглощении щелочью углекислого газа, последующим связывании его ВаСl₂ и титровании избытка щелочи HCl на изолированных микроплощадках. Учетная, изолируемая от окружающей среды емкость поглощения СО₂ помещалась в устройство [1, с. 1–4].

Спектральные характеристики лесных парцелл измерялись на основе дешифрирования мультиспектрального снимка сверхвысокого разрешения WorldView-2, США. Привязка изучаемых объектов на местности при установке вешки проводилась с помощью навигатора GarminE-Trex.

Результаты исследований.Исследования проводилисьв лесопарке ФГБОУ ВО «Омский ГАУ», поскольку здесь в идентичных условиях с 1926 г. произрастают различныепо биологическим лесохозяйственным качествам древесные породы: липа (Tilia cordataMill.), береза (Betula pendula Roth.), сосна (Pinus sylvestris L.), лиственница (Larix sibirica Ledeb.).

Определение СО₂ проводилось в 2 срока (1 срок – 23, 24 мая; 2 срок – 25, 26 сентября) с измерением факторов температуры (рис. 1) и влажности (рис. 2).

Рисунок 1. Влияние температуры почвы и вида лесной породы на выделение углекислого газа

В первом сроке (23–24 мая) наблюдений существенных различий эмиссии СО₂ почвами не наблюдается. Во втором сроке (25–26 сентября) при понижении температуры окружающей среды выделение СО₂ из почвы существенно снизилось, но и в этом сроке не проявилось заметных различий в динамике углекислого газа в различных лесных парцеллах.В данном случае температурный фактор оказывает существенное влияния на «дыхание почвы», поскольку при падении температуры во втором сроке произошло резкое падение интенсивности выделения углекислоты почвами лесных парцелл на 36–40 %.

Рисунок 2. Влияние влажности почвы и вида лесной породы на выделение углекислого газа

Фактор влажности не оказал существенного влияния, как в 1, так и во 2 сроках, однако в сезонной динамике при падении влажности, также уменьшается выделение углекислого газа из почв в лесных парцеллах.

Для проверки данных, полученных в процессе измерения древесных пород, были построены диаграммы взаимосвязи высоты и диаметра деревьев различных пород (Лиственница – R=0,93; Береза – R=0,97; Сосна – R=0,97; Липа – R=0,95), которые свидетельствуют о высокой достоверности полученных данных.

При камеральной обработке проводился синтез изображения (рис. 3). Были выбраны следующие варианты: Red-Green-Blue (синтез естественных цветов); NiR-edge-Red-Blue (синтез длинноволновой и коротковолновой спектра солнечной радиации). Спектральные характеристики объектов проводились в пятикратной повторности для выявления среднего значения светоотражения по каждому варианту синтеза.

Рисунок 3. Синтезированный мультиспектральный снимок ИСЗ WorldView-2, США (пространственное разрешение 0,5 м в пикселе), территории ФГБОУ ВО «Омский ГАУ» с географическими координатами измерения светоотражения изученных лесных парцелл (1 – лиственница; 2 – липа; 3 – сосна; 4 – береза)

Таблица 1.

Разница светоотражения древесных пород с учетом биомассы

Из полученных результатов, приведенных в (табл. 1) видно, что при анализе спектральных характеристик древесных пород в видимом диапазоне съемки особых различий не наблюдалось, за исключением сосны. В данном случае выявить различия пород при синтезе естественных цветов не удается. При анализе с учетом инфракрасных диапазонов спектра, было установлено, что лиственница и береза имея приблизительно равную биомассу, практически не отличаются на снимке, возможно в результате того, что одинаково поглощают энергию солнечной радиации для произрастания. Сосна, имея наибольшую биомассу, поглощает меньше солнечной радиации. На мультиспектральном снимке с учетом инфракрасного диапазона спектра возможно выделение данной породы в целях мониторинга. Наименьшее поглощение солнечной радиации возможно связанно с возрастом породы, так как нет необходимости накапливать фитомассу. При анализе данных спектральных характеристик липы, нужно сказать следующее: 1) имея наименьшую биомассу, липа поглощает наибольшее количество солнечной энергии в инфракрасном диапазоне, так как требуется больше энергии для роста; 2) при мониторинге с использованием данных ДЗЗ, возможно выделение данной породы, так как она хорошо различается на мультиспектральных снимках с использованием длинноволновой части спектра.

Выводы. Согласно общим принципам дешифрирования лесных насаждений известно, что на тон и цвет изображения изучаемых лесных насаждений оказывают свое влияние много факторов, в том числе и выделение СО₂ из растительных объектов. Нами не установлено, влияние древесных пород на эмиссию углекислоты из почв, однако при этом, учитывая объем фитомассы различных пород, используя данные ДЗЗ, возможно установить различия в светопоглощение солнечной радиации и тем самым давая возможность мониторинга экосистем в лесном хозяйстве лесостепной зоны Западной Сибири.

Список литературы:

1. Патент РФ № 2015123933, 27.11.2015. Федин А.Н., Березин Л.В., Миклашевич В.Л. Устройство для измерения эмиссии углекислого газа из почвы // Патент России № 157289. 2015. Бюл. № 33.
2. Федин А.Н. Изучение «Дыхания почв» в лесных парцеллах южной лесостепи Западной Сибири // Материалы 7 Международной научной интернет – конференции. – Томск, 2015. – С. 137–142.
3. Федин А.Н. Определение выделения СО₂ в лесных парцеллах южной лесостепи Западной Сибири // Омский научный вестник. – 2015. – № 1(138). – С. 187–190.
4. Шаяхметов М.Р. Изучение взаимосвязи урожайности яровой твердой пшеницы с вегетационным индексом NDVI степной зоны Омской области на основе данных дистанционного зондирования земли / М.Р. Шаяхметов, Л.В. Березин, А.М. Гиндемит, А.Ю. Сергеева // Вестник омского государственного аграрного университета. – 2015. – № 2 (18). – С. 34–38.