Сибирский шелкопряд: взгляд из космоса

Небольшая невзрачная бабочка способна превратить величественные сибирские леса в миллионы гектар мёртвого сухостоя. Как не пропустить вспышку «зелёного пожара», рассказали Евгений Пономарёв, старший научный сотрудник лаборатории мониторинга леса Института леса КНЦ СО РАН, и Светлана Сультсон, руководитель лаборатории «Защита леса» Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

— Как давно вы начали следить за насекомыми из космоса? 

— В Красноярске в Институте леса имени Владимира Николаевича Сукачёва уже в 1996 г. была установлена одна из первых в стране станция приёма и обработки спутниковой информации. Сегодня спутниковые данные – вполне рядовое явление и для научных специалистов, и для широкой общественности. А в то время это была уникальная информация, тем более для Сибири, где сосредоточена большая часть лесов, имеющих планетарное значение.

Тогда у специалистов появилась возможность выполнять дистанционный мониторинг, изучать труднодоступные объекты, анализировать данные сразу на обширных территориях, при этом обновляя информацию по несколько раз за сутки. Были разработаны подходы для тематического анализа спутниковой информации с целью мониторинга метеорологических условий, пожаров растительности, профилей атмосферы, состояния растительных покровов и так далее. Задача контроля насекомых-вредителей и их воздействия на темнохвойные древостои также стала одной из важнейших. Темнохвойный лес – это лес, в котором преобладают теневыносливые хвойные древостои: ель, пихта, сосна сибирская или кедр. Такие задачи невозможно решать без обзорных и детализированных спутниковых данных.

— Как по спутниковым снимкам понять, что на лес напал вредитель?

— Здоровый лес имеет свои спектральные признаки, зашифрованные в пикселях изображения спутниковой съёмки. В случае каких-либо изменений в состоянии леса сигнал меняется, и изображение будет содержать новую информацию, отражающую степень таких изменений.

Наша задача была в том, чтобы научиться различать темнохвойные древостои в их естественном состоянии от участков леса, где только начались процессы потери хвои, а также такие участки, где процесс усыхания древостоев уже приобретает значительные масштабы.

— Что же вы увидели? Это какие-то распространённые изменения или есть ваша, местная специфика?

— Конечно, существуют общеупотребимые подходы и методы математического анализа данных со спутников, классификации изображений, выявления уникальных спектральных свойств различных объектов, геоинформационного обобщения и представления результатов анализа.

Однако в каждом случае существуют нюансы, не позволяющие пользоваться готовыми решениями. Требуется адаптировать технологии, использовать новые признаки для анализа и обязательно проверять результат, полученный на основе спутниковых данных, по материалам натурных обследований изучаемой территории.

В нашей работе мы анализировали многоспектральные (в разных диапазонах спектра) кадры, смотрели, насколько менялся сигнал от древостоев в процессе воздействия насекомых, вычисляли и оценивали изменения вегетационных индексов – показателей, которые характеризуют состояние растительных покровов, классифицировали на изображениях зоны поражения и степень дефолиации (это потеря хвои на деревьях после воздействия насекомых и в результате усыхания), которая зашифрована в значениях спектральных индексов.

Гусеница сибирского шелкопряда. Фото: пресс-служба КНЦ СО РАН.

В 2023 г. наш коллектив получил патент на новый способ классификации нарушенности растительности и напочвенного покрова. Проще говоря, мы предложили к традиционно использующимся данным добавить материалы съёмки в тепловом ИК-диапазоне, которые, как оказалось, хранят историю о степени нарушенности растительности и даже позволяют контролировать успешность процесса восстановления на сроках намного более длительных (40–60 лет), чем это возможно делать по изменениям сигналов в других спектральных диапазонах, в которых вычисляются стандартные вегетационные индексы.

— В чём фундаментальная и прикладная ценность таких исследований? 

— В прикладном плане результат тематического анализа дистанционных данных – это комплексная, обобщённая картина, описывающая состояние и динамику изучаемых природных процессов. Конечно, дистанционные средства пока не могут в полной мере заменить трудную работу экспертов на земле, натурные материалы приходится получать в экспедициях. Но предварительный анализ на начальном этапе и прогнозные оценки могут быть получены исключительно средствами дистанционного зондирования и геоинформационных технологий.

Фундаментальная значимость наших работ состоит в разработке новых адаптированных подходов тематического анализа спутниковых материалов, и, что немаловажно, в накоплении новых знаний о влиянии вспышек насекомых–вредителей на экосистемы Сибири, различных стадиях проявления этого влияния, о долгосрочных перспективах естественного восстановления древостоев.

— Расскажите о результатах вашей работы.

— Мы анализировали один из последних случаев воздействия сибирского шелкопряда, зафиксированный в горно-таёжных лесах Ирбейского лесничества Красноярского края Средней Сибири в 2018–2020 гг. Это была новая вспышка, которую удалось отследить, начиная с самой ранней стадии до завершения, инструментальными средствами с помощью спутниковой съёмки.

Специалисты Красноярского научного центра СО РАН, используя большое количество материалов спутниковой съёмки района исследований, разработали алгоритм, который автоматически выявлял участки темнохвойного леса, отличные от фона, т. е. неповреждённых древостоев. Как уже было сказано, эти отличия были зашифрованы в излучаемых растительностью сигналах, фиксируемых спутниковой камерой в разных диапазонах спектра.

Мы решали несколько задач одновременно. Во-первых, необходимо было зафиксировать тот участок, где вспышка шелкопряда началась, и здесь помог скрупулёзный анализ снимков, сделанных ещё до начала вспышки в период с 2016 по 2018 г.

Во-вторых, необходимо было проследить развитие вспышки, выявить преимущественные направления распространения шелкопряда, увязать это с особенностями растительности (т. е. кормовой базы вредителя), оценить влияние рельефа местности и метеорологических условий, наконец, выявить скорости распространения вспышки по территории и детализировать масштабы последствий.

Полевые работы в Ирбейском районе Красноярском края, где массовое объедание сибирским шелкопрядом прошло в 2019–2020 гг. Фото: С. Сультсон.

Здесь было задействовано множество спутниковых кадров, снятых в течение 2018– 2020 гг., и весь арсенал известных методов обработки спутниковых изображений. И, наконец, важной задачей была оценка степени поражения древостоев в разные периоды развития вспышки. Нам удалось увязать данные, полученные в наземных экспериментах, с изменением спектральных характеристик на кадрах спутниковой съёмки. Это позволило провести автоматический подсчёт площади территорий с разной степенью поражения деревьев.

— Интересно, разные породы деревьев реагируют на эти вспышки по-разному?

— Да, мы увидели различия последствий, проявляющихся в доминирующих в регионе темнохвойных древостоях – пихте (Abies sibirica), кедре (Pinus sibirica) и ели (Picea obovata). Пихта и кедр одинаково неустойчивы, а вот ель шелкопряд не любит и поедает  вынужденно. Однако под устойчивостью мы понимаем не совсем отдельные породы деревьев, а местоположение участка насаждения данных пород. В первую очередь повреждаются темнохвойные насаждения, расположенные на возвышенных участках рельефа, ровных и пологих южных склонах, преимущественно зеленомошного и разнотравного типов леса, поскольку вредитель предпочитает тёплые и сухие местообитания. Выше 900 метров над уровнем моря он не поднимается, насаждения остаются нетронутыми, поскольку там для него холодно. Такую же сниженную уязвимость имеют пониженные участки рельефа с влажным и холодным микроклиматом (низины, подножия склонов).

— Можно ли использовать эти знания для борьбы с численностью сибирского шелкопряда?

— Да, это нужно для разработки средств эффективного контроля. Сибирский шелкопряд – один из наиболее опасных хвоегрызущих вредителей. Гусеницы шелкопряда в разных частях его широкого ареала кормятся хвоей различных древесных пород, отдавая предпочтение лиственнице, пихте и кедру. Наибольшую опасность представляют периоды массового размножения сибирского шелкопряда, ориентировочно повторяющиеся каждые 10–15 лет. При сочетании благоприятных погодных условий популяция фитофага входит в состояние эруптивной фазы (это и есть вспышки), в результате которой массово уничтожаются тысячи гектар темнохвойной тайги без возможности успешного восстановления после дефолиации крон.

Лес после «нападения» сибирского шелкопряда. Фото: С. Сультсон.

— Что в этом случае происходит с лесом?

— Лес утрачивает как экологические, так и ресурсные функции. Только в 2017 г. очаги массового размножения сибирского шелкопряда охватили значительную площадь лесов Кемеровской, Иркутской, Томской областей и Красноярского края, что потребовало проведения истребительных мероприятий на площади около 1,4 млн га.

Восстанавливаются леса, повреждённые шелкопрядом, довольно долго, порядка 150–200 лет. Сукцессионные процессы преимущественно идут через смену пород за счёт березы и осины, активно происходит массовое задернение почвы, что затрудняет естественное возобновление хвойными породами. Концентрация горючих материалов (сухостойной и валежной древесины) на значительных площадях способствует повышению пожароопасности этих территорий.

— Что же делать?

— Выход один – научиться своевременного обнаруживать места начала вспышки, что позволяет предпринять меры по локализации таких участков. Применение спутниковых снимков в организации лесопатологического мониторинга – это ресурсосберегающая альтернатива, позволяющая охватить обширные территории, зачастую недоступные для полевых исследований.

— Есть ли у вас какие-то прогнозные модели по расселению шелкопряда?

— Да, сотрудники нашей научной лаборатории «Защита леса» (СибГУ, Красноярск) провели исследования по созданию пространственной модели прогноза первичных (ранних) очагов массового размножения сибирского шелкопряда. Модель ориентирована на совершенствование лесопатологического мониторинга регионального уровня. Разработанный алгоритм создания прогнозной карты содержит универсальный набор предикторов, идентифицирующих зоны риска в границах кормовой базы сибирского шелкопряда, что позволяет создать сеть точек первичных пунктов наблюдения в Красноярском крае.

Карта прогноза резерватов сибирского шелкопряда по Красноярскому краю по результату моделирования на 2023 год.

— В истории известны случаи полного истребления вредителей, что нанесло большой вред экосистеме. А что будет, если уничтожить всего шелкопряда?

— В наших лесах сибирский шелкопряд – это фоновый вредитель, и когда популяция находится в депрессивной фазе развития, то есть их мало (например, одна гусеница на одно дерево), то по степени опасности он встаёт в один ряд со всеми другими обычными вредителями леса. Другое дело – вспышки, тогда он становится по-настоящему опасен. Но бессмысленно пытаться уничтожить всю популяцию сибирского шелкопряда, учитывая масштабы наших лесов, да это и не нужно, поскольку не стоит вмешиваться и нарушать природные связи лесных экосистем.

— А природные враги у шелкопряда есть? Кто-то регулирует его численность?

— На сегодняшний день в темнохвойных лесах Сибири у этого вредителя почти нет естественных врагов. Поэтому угроза вспышек сохраняется. Как показывает анализ научных работ по этой теме, вспышки проявляются в новых районах, и, вероятно, частота их повторений зависит от климатических условий конкретных сезонов. При этом с учётом климатических изменений есть вероятность, что такие вспышки будут чаще.

Аналогичный пример можно привести с пожарами: вовремя потушенный костёр не даёт ему превратиться в лесной пожар. В литературе периоды массового размножения шелкопряда называют «зелёным пожаром», поскольку результаты колоссальных потерь в этих случаях довольно схожи.