Научные основы выявления торфяных среди других природных пожаров и оценки связанных с ними потерь углерода как фактора влияния на климат

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-74-00067

НазваниеНаучные основы выявления торфяных среди других природных пожаров и оценки связанных с ними потерь углерода как фактора влияния на климат

Руководитель Медведева Мария Андреевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лесоведения Российской академии наук , Московская обл

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-301 - Охрана окружающей среды

Ключевые слова Торфяные пожары, природные пожары, торфяные болота, торфяники, углерод, изменение климата, адаптация, смягчение, дистанционное зондирование, мультиспектральные изображения, спутниковые данные, БПЛА

Код ГРНТИ87.01.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Изменение климата сопровождается увеличением частоты экстремальных метеорологических явлений, следствием которых является рост вероятности природных (ландшафтных) пожаров. Среди них выделяются торфяные или, в случае лесных площадей, т.н. подземные лесные пожары. Торфяные пожары отличаются спецификой течения, длительностью, загрязнением воздуха опасными для человека веществами, выбросом в атмосферу большого количества диоксида и монооксида углерода, сажи (включая органический и черный углерод) и другими экологическими последствиями. Торфяные пожары лидируют среди природных пожаров по величине сгораемого материала на единицу площади: потери углерода торфа могут значительно превышать потери растительной биомассой. Поступление парниковых газов в атмосферу в результате торфяных пожаров может достигать в отдельные годы 15% и более всех антропогенных эмиссий, а текущие оценки долгосрочных средних выбросов превышают 0,5 Гт СО2 в год. Планетарные последствия чаще связывают с лесоторфяными пожарами в юго-восточной Азии, однако не меньшее значение могут иметь торфяные пожары в Северном полушарии. Заглубление огня при торфяном пожаре приводит к повреждению и выгоранию сосущих корней с последующей значительной или полной гибелью древостоя. Из-за более низкой температуры горение торфа образует больше черного углерода, попадание которого в атмосферу усиливает парниковый эффект, а последующее выпадение – таяние снежно-ледового покрова, в т.ч в Арктике. Из-за неполного сгорания в атмосферу поступает большое количество мелкодисперсных частиц, крайне опасных для здоровья человека – причина избыточной смертности после пожаров в центре Европейской России в 2010 году. В России, где по данным ГИС «Болота России» ИЛАН РАН торфом покрыто более 1/5 территории, торфяные пожары могут возникать повсеместно от тундр до степей, но наиболее часто – в лесной зоне. В сухие годы могут гореть и неосушенные болота, однако наиболее часто – осушенные и заброшенные пользователем торфяники. Горение растительного материала на болотах и осушенных торфяниках не всегда переходит в торфяные почвы, превращая пожар в торфяной. Разделение пожаров на торфяниках и на собственно торфяные пожары принципиально важно для оценки потерь углерода, выброса продуктов горения, определения экологических последствий, выбора подходов к их устранению. Сложность выявления торфяных пожаров и определения потерь углерода торфа отмечается Руководствами МГЭИК (IPCC) 2006, 2014 и 2019 гг. и является причиной недоучета этого важного источника парниковых газов. В ходе заявляемого проекта предполагается исследовать возможные подходы к выявлению пожаров на болотах и торфяниках и собственно торфяные пожары путем комбинирования найденных предварительно параметров (длительности, температуры и радиационной мощности – FRP) пожара, поиска и тестирования новых путей корректировки границ и площадей гарей на основе разновременных снимков. С учетом трудоемкости и небезопасности доступа на гари, апробированные методы наземной проверки результатов анализа спутниковой информации будут дополнены предполагаемыми к разработке подходами, основанными на съемке, включая мультиспектральную, с БПЛА. Будет проведен поиск и анализ подходов к оценке потерь углерода биомассы и почвы по дистанционным данным. По данным тестовых объектов будут определены итоговые потери биомассы, направление и скорость восстановительных сукцессий древесной растительности на гарях от торфяных пожаров. Будет расширена география изучения торфяных пожаров и проверки результатов на различных тестовых объектах. Планируется разработать и апробировать оригинальную методику выявления площадей пожаров и оценки потерь углерода для Национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов и предложить национальный стандарт сокращения выбросов парниковых газов в результате вторичного обводнения торфяников, впервые в мировой практике включающий сокращение выбросов парниковых газов в результате предотвращения пожаров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Сирин А.А., Медведева М.А., Иткин В.Ю. Вторичное обводнение неиспользуемых осушенных торфяников и сокращение выбросов парниковых газов Известия РАН. Серия географическая, 87, 4, 597-618 (год публикации - 2023)
10.31857/S258755662304012X

2. Медведева М.А., Иткин В.Ю., Сирин А.А. Анализ показателей температурных аномалий для выявления торфяных пожаров Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2023)

3. Покоева М. В., Глухова Т. В., Сирин А. А. Отпад деревьев в осушенных сосняках кустарничково-сфагновых после торфяного пожара Лесоведение, 3, 27-34 (год публикации - 2024)

4. Егоров К.П., Медведева М.А., Галанина О.В. Динамика облесенности верховых болотных массивов южной тайги на примере Западнодвинского лесоболотного стационара (Тверская область) Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 69, 3, 528-550 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.21638/spbu07.2024.308

5. Медведева М.А., Иткин В.Ю., Сирин А.А. Identification of peat-fire-burnt areas among other wildfires using the peat fire index International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 132, 2024, 103973 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.jag.2024.103973

6. Агапова Е.Р., Медведева М.А. Возможности выявления затопленной растительности вторично обводненных торфяников на основе данных ДЗЗ Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, №6, Т. 22 (год публикации - 2025)

7. Покоева М.В., Глухова Т.В., Головченко А.В., Валяева Н.А. Потери углерода при низовом пожаре в осушенных южнотаежных кустарничково-сфагновых сосняках Европейской России Лесоведение, 5, 663-670 (год публикации - 2025)
10.31857/S0024114825050115

8. Медведева М.А., Коротков В.Н. Влияние обводнения осушенных торфяников на выбросы парниковых газов от торфяных пожаров в Московской области Метеорология и гидрология , №1 . С. 110-118. (год публикации - 2026)
10.52002/0130-2906-2026-1-110-118

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект направлен на формирование соответствующих текущему уровню технологического развития научных основ комплексного анализа торфяных пожаров как особо опасного природного явления. В ходе выполнения проекта для Владимирской области было проведено сравнение характеристик почвенных и поверхностных пожаров. Были определены пороговые значения с учетом возможного попадания 1% пожара не на торфянике для показателей длительности пожара, максимума температуры и для максимума пожарной радиационной мощности, которые составили 3,03 суток, 353°С и 116 МВт и включили в себя 89%, 88% и 87% пожаров по площади соответственно. Полученные промежуточные результаты требуется уточнять и проверять на других тестовых объектах. Для этого собраны и предобработаны данные о природных пожарах по Московской и Владимирской области для периода с 2001 по 2023 год, а для Рязанской и Тверской - за 2002 и 2010 годы, вычисленные на базе спутниковых данных о температурных аномалиях Коллекции 6 Terra/Aqua MODIS, предоставленные ЦКП «ИКИ-Мониторинг» Института космических исследований РАН. В виде атрибутивной информации были получены показатели интенсивности пожара. Получены и подготовлены к использованию контуры торфяников Тверской и Рязанской областей для анализа пожарной активности на торфяниках. Набор данных с границами представляет собой ГИС по торфяникам, в которой для каждого контура присутствует информация о типе и степени нарушенности торфяника. Подобраны и проанализированы мультиспектральные снимки разных аппаратов для более точного установления площадей гарей после пожаров на торфяниках путем анализа состояния растительного покрова до и на следующий год после пожара. С помощью этих изображений было проведено уточнение площадей гарей от пожаров на торфяниках для тестовых объектов Владимирской области 2010 г. В результате применения ранее разработанной методики были получены площади порядка 17 тыс. га гарей после пожаров 2010 года на торфяниках во Владимирской области. Также было проведено детектирование гари 2022 года в Рязанской области по данным Landsat-8 OLI общей площадью порядка 38 тыс. га, гари на торфяниках здесь составили 3,5 тыс. га, дополнительно была проведена наземная проверка. В результате обследования пожаров были выявлены новые торфяные участки общей площадью порядка 300 га. Также на примере пожара Рязанской области в 2022 г. был проведен анализ возможностей детектирования гарей после пожаров на основе радиолокационных данных. При сравнении с наземными данными индексы с поляризацией vh оказались точнее, чем индексы с vv поляризацией. Было определено, что по радарным данным есть возможность отличить торфяные гари от прочих, но точность выявления именно самой гари значительно проигрывает оптическим данным. Для наилучшего результата целесообразно использовать совместно радарные и оптические данные. Работы по съемке с помощью беспилотного летательного аппарата DJI Mavic 3 Multispectral болотного массива Усвятский Мох 280 га в Западнодвинском районе Тверской области осуществлялись 24 августа 2024, 26 августа 2024 г. была произведена съемка торфяника близ поселка Уршельский 260 га во Владимирской области. Высота съемки варьировалась около 200-250 метров. Режим съемки – RGB и Multispectral. Для мультиспектрального изображения предлагается вычислять индекс NDVI, для чего используются отражения в ближней инфракрасной и в красной областях спектра. Кроме удобства извлечения необходимой информации о состоянии растительности по сравнению с исходными данными БПЛА использование индекса позволяет устранить такие шумы, как, к примеру, тени от облаков. Проведен анализ возможности применения нейронных сетей для классификации земного покрова в целях идентификации гарей после пожаров. В настоящее время применительно к снимкам как оптического, так и радиолокационного диапазона, нейросети используются для оценки качества снимков, определения рельефа поверхности (например, выделение овражной сети), определения влажности и температуры почвенного покрова, для картографирования по средствам дешифрирования снимков методом классификации с обучением на основе нейросетей, для обнаружения пожаров и дыма от пожаров и для обнаружения гарей. На примере гари после низового пожара 1999 г. в осушенных сосняках кустарничково-сфагновых на Западнодвинском лесоболотном стационаре ИЛАН РАН в Тверской области проанализированы потери углерода биомассы и торфа при торфяном пожаре в зависимости от уровней почвенно-грунтовых вод. Пожар привел к гибели 80-90 % продуктивного древостоя I яруса и 100 % деревьев II яруса. Анализ потери С биомассы показал, что потери биомассы составили от 2-х до 13 т/га, а потери С в ней - от 0,8 до 7,0 т С/га в зависимости от выбранных пробных площадей. Повреждение торфяной почвы было неравномерным. Глубина выгорания была меньшей в середине между осушительными каналами, чем вблизи них. Потери С с торфом составили в приканальных полосах - от 4,3 до 25,7 тС/га, а в середине между каналами изменялись от 8,3 до 19,5 т С/га. Самые большие потери углерода оказались на окраине болотного массива, где начался пожар и торф прогорел до 15 см. Потери С составили 28,7 тС/га. Верифицирована и апробирована на тестовых объектах методика учета пожаров на нарушенных торфяниках для национального кадастра антропогенных выбросов из источников и абсорбции поглотителями парниковых газов. Площади пожаров доступны для периода 2001-2023 гг. на базе спутниковых данных о температурных аномалиях (1 км) Terra/Aqua MODIS. Для Московкой и Владимирской областей были выделены площади осушенных торфяников, представляющие собой управляемые водно-болотные угодья. При интеграции этих двух источников данных для Московской и Владимирской областей были вычислены предварительные накопленные потери С с выбросами СО2+CO+CH4 от пожаров на нарушенных торфяниках с 2001 по 2023 г, которые составили порядка 23,7 и 14,5 млн т соответственно. Предложена концепция учета торфяных пожаров для оценки сокращения выбросов парниковых газов при выполнении природно-климатических проектов по обводнению осушенных торфяников. Эффект от предотвращения пожаров в результате обводнения можно оценить, например, на основании анализа частоты и площади пожаров до и после проведения обводнения. Снижение числа и площади торфяных пожаров означает предотвращения значительных выбросов диоксида углерода в атмосферу и других климатически активных веществ. Данные по площадям торфяных пожаров могут быть получены путем ретроспективного анализа тепловых аномалий на снимках MODIS за 2001-2024 гг. в границах проекта по обводнению торфяников. Получено свидетельство № 2024686595 от 11 ноября 2024 о государственной регистрации Программы построения обучающей выборки для контролируемой классификации на основе существующих растровых тематических карт для задачи учета сокращения эмиссии парниковых газов в результате вторичного обводнения неиспользуемых торфяников, разработанной при поддержке РНФ.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За отчетный год получены и предобработаны данные о природных пожарах по Рязанской и Тверской областям за период 2001-2025 гг., для Нижегородской – 2002, 2010 гг. и для Московской и Владимирской областям - за 2024, 2025 гг. Были получены границы торфяных месторождений Нижегородской обл. для анализа пожарной активности на торфяниках. Было проведено выделение торфяных пожаров среди других для Рязанской и Тверской обл. на основе показателей интенсивности пожара по данным MODIS. Получены результаты сравнительного анализа данных оптического и радарного диапазонов спутниковых снимков для выявления гарей пожара Рязанской области в 2022 году с применением наземных данных. Было определено, что точность результатов для индексов радарного диапазона незначительно выше, чем для оптического. Были изучены возможности различной мультиспектральной спутниковой съемки для выявления гарей. Для проверки детектирования гарей крупного лесоторфяного пожара 2024 года на территории Камешковского района Владимирской области при участии коллег из ВНИИЛМа была получена сьемка с квадрокоптера в разных режимах. Была проведена проверка качества выявления гарей после пожаров при использовании индексов dNBR и dNDWI, вычисленных на основе данных Sentinel-2 и Landsat-8. Наибольшая точность (97%) была получена для индекса dNBR по Sentinel-2, Landsat-8 теряет в точности за счёт более низкого разрешения. Было проведено уточнение площадей торфяных пожаров на основании анализа до- и послепожарной мультиспектральной съемки высокого разрешения для торфяников Тверской области. Для выявления гарей после пожаров был применено пороговое значение ΔNDMI>0,15, которое было установлено эмпирическим путем. При классификации были исключены классы с водными объектами. В рамках торфяников Тверской области (6970 км2) было выявлено гарей после пожаров 2010 г 360 км2 (5 % всех торфяников области). Для классификации земного покрова в целях идентификации гарей после пожаров проанализированы результаты применения метода автоматического попиксельного выявления гарей на основе свёрточной нейронной сети U-Net. Разработанная архитектура выполняет предобработку геопространственных данных и нормализацию каналов, а также формирует сбалансированные обучающую и тестовую выборки. Оценка качества проводилась с использованием стандартных метрик, а также визуального сопоставления карт гарей с эталонной маской в границах торфяников. Исследование на тестовом участке показало, что модель (в комбинации с применением спектральных индексов) корректно выделяет области, подвергшиеся пожару, и воспроизводит границы гарей с высокой степенью совпадения (70%) с верифицированными данными. На примере гари после пожара 1999 года Западнодвинского лесоболотного стационара ИЛАН РАН проведено исследование возможностей использования мультиспектральных данных (Landsat за период с 1999 по 2024) для анализа динамики восстановительных сукцессий. Наиболее чётко гари выделялись при применении спектральных индексов NBR и NDMI. Особенно выразительно пирогенное пятно фиксировалось в период до 2009 года, после чего его контуры начали терять различимость. Для анализа степени сомкнутости крон применялась методика оценки облесённости, разработанная для верховых болотных массивов. Согласно полученным данным пожар оказал значительное влияние на структуру лесного покрова, временно снизив площадь древостоя. Однако к настоящему времени наблюдается полное восстановление лесного покрова в пределах бывшей гари, что подтверждается и результатами аэросъёмки с БПЛА. На примере той же гари после торфяного пожара 1999 года в Западнодвинском стационаре проанализирована динамика послепожарной восстановительной сукцессии в зависимости от почвенных условий и уровней почвенно-грунтовых вод. Было отмечено увеличение густоты подроста с увеличением глубины прогорания торфа. Через 23 года после пожара на всех исследуемых участках отмечается успешное возобновление сосной обыкновенной. Сформировавшийся после пожара порослевой подрост берёзы достаточно густой, однако находится в неудовлетворительном состоянии. Анализ растительного покрова показал, что на месте сосняков кустарничково-сфагновых сформировались разные типы осушенных послепожарных биогеоценозов, в т.ч. с покровом из зеленых мхов (сосняк и берёзово-сосновый багульниково-зеленомошный осушенный, берёзово-сосновый голубично-зеленомошный осушенный). Восстановление мохового яруса после низового пожара ещё продолжается, в зеленомошных биогеоценозах восстановилось до 50% мохового яруса, в сфагновых – до 75%. Выявлена зависимость успешности лесовозобновления от типа послепожарного осушенного сообщества и обилия мохового яруса. Более сильная связь проявилась в следующем: чем выше проективное покрытие мохового яруса, тем выше густота подроста. Верифицирована и апробирована методика учета торфяных пожаров для оценки сокращения выбросов парниковых газов при выполнении природно-климатических проектов по обводнению осушенных торфяников. На примере обводненного в 2010 г. торфяника площадью 1 535 га Радовицкий Мох проведен расчет выбросов от торфяных пожаров до обводнения. За отправную точку взята установка, что в последующие годы при отсутствии мероприятий по обводнению торфяников среднегодовой выброс парниковых газов от пожаров сохранился бы на том же уровне. Подобный подход может быть использован для оценки эффективности климатических проектов по обводнению осушенных торфяников. Также для уточнения этих оценок рассмотрен подход, включающий в себя добавление классов обводненных залесенных и закустаренных болот. Полученные результаты показали важность теплового канала съемки Landsat-8 в целях дешифрирования растительности заболоченных территорий. Получено свидетельство о государственной регистрации исключительного права разработанной при поддержке РНФ базы данных торфяных месторождений регионов Российской Федерации. Подготовлены к предоставлению данные о пожарах на нарушенных торфяниках по ряду субъектов РФ для включения в Национальный кадастр источников и абсорбции поглотителями парниковых газов.

Публикации