Картографирование пространственно-временной организации растительного покрова Хакасии на разных масштабных уровнях с использованием современных информационных технологий как основы экологического мониторинга и сохранения биоразнообразия

Сформирована база их 760 геоботанических описаний и 147 синтаксонов ранга ассоциаций и субассоциаций, выполненных в системе Браун-Бланке на территории Республики Хакасия на основе европейского пакета Turboveg. Проведено обобщение классификации растительности Хакасии. Cформирована геоинформационная система (ГИС) «Растительный покров Хакасии», которая связала в единое информационное пространство базу первичных геоботанических данных, картографических материалов по растительности региона, а также вспомогательные слои эколого-географической информации и серию космических снимков разного пространственного разрешения (Ресурс – П, World View - 2,3, Sentinel – 2В, Канопус-В, Landsat - 7, 8, MODIS). Получены новые данные об экологических закономерностях пространственной дифференциации растительности Хакасии на топологическом и региональном уровнях с использованием современных методов ординационного моделирования. Проведенный цикл ординационных исследований с метода Detrended correspondence analysis (DCA ординация), реализованном в прикладных пакетах Decorana, Canoco, позволил выявить базовые пространственные категории картографирования (фитохории) – экологические ряды и микро- мезокомбинации растительных сообществ, представляющие объединение фитоценозов на ведущих градиентах факторов среды, связанные с конкретными геоморфологическими (и топографическими) объектами. Результаты ординации были использованы при крупномасштабном картографировании растительности в масштабе 1:25000 на четырех ключевых полигонах, представляющих главным образом коренную растительность степного и горно-таежного поясов Минусинской межгорной котловины, восточной части Кузнецкого Алатау и Западного Саяна. Создана ординационная модель горно-степной растительности всей территории Хакасии. Выявлен эколого-географический ряд типов степной растительности, пространственно ориентированных от более гумидных лесостепных предгорий Западного Саяна и Кузнецкого Алатау к семиаридной центральной части Минусинской котловины, что корреспондирует с наблюдаемым глобальным субдолготным зонально-секторным и подзональным замещением категорий степной растительности в горах Южной Сибири в связи с проявлением климатических эффектов «дождевого барьера» и «дождевой тени». Дана биоклиматическая интерпретацию крупных эколого-географических категорий степной растительности Хакасии и обосновали возможность использования их на высших уровнях иерархии легенды карты растительности Хакасии. Обоснована дифференциация экологических типов степей по отношению к характеру субстрата подстилающих пород. Результаты ординации продемонстрировали наличие экологически корреспондирующих петрофитных рядов (серий) степных сообществ, одинаково ориентированных в пределах каждой из биоклиматических категорий. По результатам ординационного анализа построена иерархия единиц горно-степной растительности для среднемасштабной карты растительности Хакасии. Разработана иерархическая система легенды карты Растительности Хакасиив результате типизации высотно-поясных и биоклиматических подразделений растительности. Для высших подразделений Карты растительности Хакасии предложена четырехуровневая система пространственной структуры растительного покрова, отражающая закономерности вертикальной поясности и специфическое сочетание региональных и глобальных климатических факторов. В результате проведенных исследований постпирогенной динамки лесной растительности по спутниковым данным были сформированы временные ряды площадей, пройденных огнем, на территории Республики Хакасия. Выявлено, что ежегодные площади, пройденные огнем в регионе, характеризовались значительной изменчивостью, связанной с погодными условиями. Оценка степени пирогенной нарушенности растительности на гарях выполнялась с использованием разностного индекса гарей dNBR. Поскольку только небольшая часть пожаров происходит на лесных землях, доля сильнонарушенных участков (индекс dNBR>0.44) составила, в среднем около 0.4% от среднегодовой площади гарей. Датировка гарей в районе исследования показала выраженную сезонную динамику площади пожаров. Так, на апрель и май приходится 65% от всей площади, пройденной огнем, в течение сезона. Регрессионный анализ показал наличие статистически значимой линейной зависимости между степенью пирогенной нарушенности растительности, оцениваемой с помощью индекса dNBR, и долей площади, где наблюдалась послепожарная гибель древостоя. Для разных преобладающих лесообразующих пород квадрат коэффициента корреляции варьировал от 0.78 в случае сосновых лесов до 0.91 в лесах с преобладанием лиственных пород (p < 0.05). В результате проведенных исследований подтверждены и установлены местонахождения 12-ти ценных в природоохранном отношении видов растений Хакасии. Обобщены полученные сведения по фитоценотической приуроченности мест обитания 33 видов. Местообитанием большей части ценных в природоохранном отношении видов растений Хакасии являются петрофитные варианты настоящих мелкодерновинных и солонцеватых степей. Мониторинг ценопопуляций в течение 3–5-ти лет показал, что левосторонние онтогенетические спектры формируются в ценопопуляциях, расположенных на юго-западных, северо-восточных склонах и в ложбинах, а также в отдельные годы, когда выпадает достаточное количество осадков. Оценка ценопопуляций по онтогенетической структуре и демографическим показателям выявила, что в устойчивом состоянии находятся ценопопуляции Oxytropis stenofoliola, O. nuda, O. includens, Phlox sibirica, Erodium tataricum, Papaver chakassicum, Nitraria sibirica, Hedysarum minussinense, Lilium pumilum. Напротив, в ценопопуляциях O. Includens, Astragalus arkalycensis, A. ionae, Erodium tataricum, Phlox sibirica и Nitraria sibirica, Spiraea trilobata, Hedysarum minussinense складываются неблагоприятные условия для произрастания особей видов. Причиной тому является антропогенная нагрузка, эродированная почва, изменения видового разнообразия в растительных сообществах. Завершена разработка и выполнено тестирование программно-алгоритмического инструментария для анализа мультиспектральных спутниковых изображений среднего и высокого пространственного разрешения (2 м и лучше) на основе разработанного авторами проекта оригинального иерархического ансамблевого метода сегментации мультиспектральных изображений и технологии сверточных нейронных сетей. Разработанная структура данных программно-реализована для иерархических ансамблевых алгоритмов кластеризации HCA, ECCA и HECA. Алгоритмы HCA, ECCA и HECA включены в разработанный программно-алгоритмический инструментарий «ECCA-Pack 12», предназначенный для автоматической сегментации и дешифрирования мультиспектральных спутниковых изображений среднего и высокого пространственного разрешения.