МОНИТОРИНГ ВОДНОЙ ЭРОЗИИ НА ПАХОТНЫХ ЗЕМЛЯХ ЗАСУШЛИВОЙ ЗОНЫ СТАВРОПОЛЬСКОГО КРАЯ

АГРОНОМИЯ

Научная статья

УДК 631.6.02:528.8

doi: 10.37670/2073-0853-2021-92-6-9-13

Мониторинг водной эрозии на пахотных землях засушливой зоны Ставропольского края

Сергей Анатольевич Антонов, Сергей Владимирович Перегудов

Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр

Аннотация. Ставропольский край является одним из ведущих аграрных регионов России, что характеризует его как крайне распаханный. Особую роль сыграли переход на экономическую систему районирования, разработка и внедрение системы «сухого земледелия», использующей дифференцированные по зональным особенностям края чистые пары. Официальные данные статистического учёта площади распаханных земель не вызывают доверия, что приводит к необходимости использования ГИС-технологий и материалов космической съёмки для уточнения статистических данных. Определено, что в некоторых муниципальных районах разница официальных данных и фактических распаханных территорий достигает почти 11 %. Геоинформационные системы и данные дистанционного зондирования Земли позволяют проводить наблюдения с большим охватом территории. Установлено, что в целом засушливая зона Ставропольского края характеризуется увеличением территории, подверженной водной эрозии. Представленные результаты свидетельствуют о высокой эффективности использования данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий для контроля над сельхозугодьями и эрозионными процессами.

Ключевые слова: сельхозугодья, пахотные земли, водная эрозия, мониторинг, дистанционное зондирование, геоинформационные технологии.

Для цитирования: Антонов С.А., Перегудов С.В. Мониторинг водной эрозии на пахотных землях засушливой зоны Ставропольского края // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 6 (92). С. 9 - 13. doi: 10.37670/2073-0853-2021-92-6-9-13.

Original article

Monitoring of water erosion on arable land in the arid zone of the Stavropol Territory

Sergey A. Antonov, Sergey V. Peregudov

North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center

Abstract. The Stavropol Territory is one of the leading agrarian regions of Russia, which characterizes it as extremely plowed up. A special role was played by the transition to an economic system of zoning, the development and implementation of a system of "dry farming", using pure fallows differentiated by zonal features of the region. Official statistical data on the area of plowed land are not credible, which leads to the need to use GIS technologies and space imagery materials to clarify statistical data. It was determined that in some municipal areas the difference between official data and actual plowed areas reaches almost 11 %. Geographic information systems and Earth remote sensing data make it possible to carry out observations over a wide area. It has been established that, in general, the arid zone of the Stavropol Territory is characterized by an increase in the territory subject to water erosion. The presented results testify to the high efficiency of using Earth remote sensing data and GIS technologies to control agricultural land and erosion processes.

Keywords: farmland, arable land, water erosion, monitoring, remote sensing, geoinformation technologies.

For citation: Antonov S.A., Peregudov S.V. Monitoring of water erosion on arable lands in the arid zone of the Stavropol Territory. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 92(6): 9 - 13. (In Russ.). doi: 10.37670/2073-0853-2021-92-6-9-13.

Ставропольский край - один из ведущих аграрных регионов России. Основным направлением сельскохозяйственного производства является продукция растениеводства, в связи с чем 92 % территории края имеют статус земель сельскохозяйственного назначения [1].

Территория Ставропольского края характеризуется крайне неоднородным ландшафтным дифференцированием, содержащим в себе как лесостепные и степные, так и пустынные и среднегорные ландшафты.

Почвенно-климатические особенности территории меняются с запада на восток в сторону увеличения засушливости климата. Так, отмечается снижение гидротермического коэффициента вегетационного периода с 1,04 до 0,64 на востоке и изменение почвенных структур с преобладающих на западе чернозёмов до преобладающих на востоке каштановых почв. Совокупность всех этих факторов формирует территорию со сложным специфическим характером, имеющую большой потенциал [2, 3].

С переходом на экономическое районирование в 1968 г. край был разделён на четыре сельскохозяйственные зоны: овцеводческая, зерно-овцеводческая, зерно-скотоводческая, прикурортная. Переход на данную систему позволил учитывать не только агроклиматическую специфику, но и специализацию территории. Важным направлением стала разработка и внедрение системы «сухого земледелия», использующей дифференцированные по зональным особенностям края чистые пары. По данным за 2019 г., чистыми парами в Ставропольском крае занято 584,5 тыс. га [4].

Важной особенностью аграрных регионов является отраслевая сбалансированность. В течение последних 30 лет направленность на рыночную экономику сильно изменила специализацию районов края, а именно произошло увеличение растениеводческой продукции с уклоном на зерновые культуры. Это привело к снижению рентабельности в животноводческой сфере и быстрому сокращению продукции этой отрасли [5].

В связи с изменением сельскохозяйственной структуры производства возросла антропогенная нагрузка на агроландшафты, что привело к нарастанию риска проявления процессов эрозии. Основными факторами появления водной эрозии на данной территории выступают такие, как наращивание производства, нарушение структурных нормативов площадей посева, увеличение площади чистых паров без учёта климатических особенностей, использование производственных технологий без учёта особенностей местности, распашка сенокосов и пастбищ и другие. Среди указанных факторов особое внимание стоит уделить бесконтрольной распашке сенокосов и пастбищ, которая в Ставропольском крае приобрела угрожающие масштабы, что отчасти связано с низкой рентабельностью животноводства в регионе. Распашка сенокосов и пастбищ способствует форсированному развитию процессов водной эрозии, поскольку для их размещения в основном используются склоновые земли [6, 7].

Достоверность статистической информации о площадях пахотных земель, полученной из официальных источников, не вызывает доверия и приводит к необходимости их уточнения с помощью дистанционного зондирования и геоинформационных технологий [8, 9]. Использование геоинформационных систем и данных дистанционного зондирования Земли позволяет проводить мониторинг как деградационных процессов, так и рационального землепользования. В настоящее время материалы космической съёмки получили большую доступность. Стало возможным использование мультиспектральных данных сверхвысокого разрешения с коммерческих спутников, таких как Pleiades, Geo Eye,

Quick Bird, Ikonos, World View 2-3. Доступ к данным коммерческих спутников можно получить с помощью таких сервисов, как Bingmaps, Google Earth Pro, Яндекс-карты.

Важное место в мониторинге деградационных процессов занимает доступность бесплатных баз данных мультиспектральных изображений, которые, в отличие от коммерческих, обладают меньшим пространственным разрешением, но достаточным для мониторинга деградационных процессов. Наибольшую популярность в данной области в настоящее время приобрели материалы со спутников Sentinel 2, оператором которого является European Space Agency и Landsat, оператор United States Geological Survey [10, 11].

Пространственный анализ территории с выделением участков незаконной распашки позволяет определить потенциально эрозионно опасные территории, на которых могут отмечаться проявления как водной эрозии, так и дефляции. С использованием архивных данных можно провести ретроспективный анализ процессов, происходящих на пашне Ставропольского края.

Особую тревогу вызывают восточные районы Ставропольского края, поскольку региональные особенности изменения климата в крае свидетельствуют о росте засушливости и экстремальности климатических условий. В этих районах отмечается увеличение вероятности выпадения осадков ливневого характера, что на фоне чистых паров и каштановых почв способствует активному формированию эрозионных размывов. По материалам наблюдений за эрозионными размывами, проведенных в 2015 г., было определено, что их общая протяжённость составляет 25209 км, 16581 км располагаются в зоне II Ставропольского края [5, 12].

Современные климатические изменения, рост антропогенной нагрузки и другие факторы могут способствовать дальнейшему развитию процессов водной эрозии, что требует разработки системы дистанционного мониторинга за пахотными землями и процессами водной эрозии.

Цель исследования: проанализировать динамику линейной водной эрозии на пашне в засушливой зоне Ставропольского края.

Материал и методы. Представленные результаты были получены в рамках выполнения тематического плана в лаборатории ГИС-технологий ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр».

Для выявления линейной водной эрозии использовались данные мультиспектральных коммерческих спутников Pleiades 1A/1B, имеющие пространственное разрешение 0,7 м, доступ к которым можно получить с помощью веб-сервиса Google Earth Pro [13].

При мониторинге распаханных территорий засушливой зоны (зона II) Ставропольского

края были использованы результаты анализа, полученные в 2015 - 2019 гг. [11].

При дешифровочных работах применялись такие признаки, как текстура, цвет, структура, размер, форма. Также использовались как естественные, так и искусственные комбинации каналов.

При проведении исследования использовались ГИС-программы, которые распространяются под свободной лицензией. Дешифровочные работы и оцифровку пахотных земель проводили в программном комплексе Quantum GIS, данные эрозионных размывов были получены в программе Google Earth Pro, для первичной обработки материалов космической съёмки использовалась программа SNAP Desktop.

Основными методами при использовании ГИС-технологий были объединение по признаку, наложение объектов, расчёт зональной статистики, а также площади полигонов. Полученные данные обрабатывались и представлялись при помощи картографических и математико-статистических методов.

Результаты исследования. В результате наблюдений в засушливой зоне Ставропольского края, проведённых с помощью космической съёмки, установлено, что в период с 2015 по 2019 г. суммарная площадь пашни уменьшилась на 155 га (-0,1 %) - с 1676,2 до 1676,05 тыс. га (табл. 1).

1. Площадь распаханных земель в засушливой зоне Ставропольского края по данным дистанционного зондирования за 2015 г. и 2019 г.

Муниципальный район / городской округ / сельскохозяйственная зона Площадь, га

2015 г. 2019 г. разница

Александровский р-н 133558 133311 -247

Благодарненский ГО 199735 199416 -319

Будённовский р-н 245801 245725 -76

Ипатовский ГО 292727 299132 +6405

Курский р-н 171128 168440 -2688

Новоселицкий р-н 138236 137566 -670

Петровский ГО 193042 192436 -606

Советский ГО 168702 167018 -1684

Степновский р-н 133286 133016 -270

Засушливая зона 1676215 1676060 -155

Фактическая площадь пахотных земель как в засушливой зоне, так и в Ставропольском крае в целом имеет динамический характер. Основная динамика в зоне II отрицательная. Так, максимальное сокращение площади пашни на 2688 га наблюдалось в Курском муниципальном районе, а также на 1684 га - в Советском городском округе. Вместе с тем прирост отмечался в Ипатовском городском округе +6405 га.

По материалам космической съёмки с 2015 по 2019 г. в целом по краю отмечалось увеличение фактической площади пахотных земель, составившее 50774 га. Объективную оценку масштаба динамических процессов в распашке сельскохозяйственных угодий в зоне II Ставропольского края удалось дать только благодаря материалам, полученным в результате дистанционного зондирования и применения ГИС-технологий.

Существующие данные статистического учёта не отражают реальной площади пахотных земель в Ставропольском крае. По данным управления Федеральной службы государственной статистики по Северо-Кавказскому федеральному округу, площадь сельхозугодий в зоне II на 165,8 тыс. га меньше, чем показывают данные дистанционного зондирования, что составляет 10,9 % от суммарной площади пашни в засушливой зоне [1].

Пространственное распределение отклонений носит неоднородный характер. В некоторых районах отмечается значительный прирост площади распаханных земель. Например, одним из таких муниципальных образований является Ипатовский городской округ, в котором фактическая площадь пашни на 36 тыс. га превышает официальные данные (рис. 1).

В рамках практикуемой на Ставрополье системы сухого земледелия для возделывания продукции растениеводства активно применяются пары. Причём они в основном преобладают в крайне засушливой и засушливой зонах как средство накопления влаги. Однако использование паров может иметь и негативные последствия. Так, в период отсутствия на полях почвопо-кровной культуры и при выпадении осадков ливневого характера может происходить образование эрозионных размывов. Существующий в Ставропольском крае каркас защитных лесных насаждений не позволяет эффективно справляться с водной эрозией, поскольку он был в основном

( _ IV Н(Ш«> «Льт<1})ЯйеЛ1«И1ЧШ »Л*

Рис. 1 - Прирост площади пашни в засушливой зоне Ставропольского края по данным космосъёмки за 2019 г. в сравнении с данными статистики

спроектирован для защиты от дефляции [14, 15]. В отдельных случаях защитные лесные насаждения способствуют формированию эрозионно опасных водотоков, поскольку располагаются вдоль склонов.

За период с 2017 по 2019 г. нами был проведён сравнительный анализ площади чистых паров в засушливой зоне по статистическим данным управления Федеральной службы государственной статистики по Северо-Кавказскому федеральному округу [1]. На 2019 г. засушливая зона Ставропольского края характеризовалась общим снижением площади паров практически во всех муниципальных образованиях, суммарное снижение составляло 52,8 тыс. га (17,6 %) с 298,7 тыс. га до 245,9 тыс. га. Максимальное сокращение площади приходилось на Ипатовский городской округ -13,4 тыс. га, и только в Александровском районе отмечался незначительный рост (+300 га) (рис. 2).

В целом снижение площади паров необходимо для достижения рекомендованных климатически обусловленных значений, однако следует регулярно проводить мониторинг климатических изменений с целью корректировки климатически обусловленного количества паров.

Возможности современных систем дистанционного мониторинга позволяют эффективно осуществлять дешифрирование линейной водной эрозии даже в тех случаях, когда она представлена неглубокими размывами. Так, по результатам мониторинга, проведённого по данным дистанционного зондирования за период 2015 - 2019 гг., определена сумма протяжённости эрозионных размывов различной глубины на пашне в за-

сушливой зоне Ставропольского края, которая увеличилась на 3022 км, что составило 18 % от общей протяжённости. Наибольшее увеличение отмечалось в Ипатовском и Советском городских округах - на 469,8 и 466,8 км соответственно (табл. 2). Полученные результаты свидетельствуют о крайне неблагоприятной ситуации с развитием водной эрозии в засушливой зоне Ставропольского края.

2. Протяжённость эрозионных размывов на пашне во II зоне Ставропольского края по данным дистанционного зондирования за период 2015 - 2019 гг.

Муниципальный район / городской округ / сельскохозяйственная зона Длина размывов, км

2015 г. 2019 г. разница

Александровский р-н 505,0 822,5 317,5

Благодарненский ГО 1533,0 1796,0 263,0

Будённовский р-н 2463,0 2793,9 330,9

Ипатовский ГО 3834,0 4303,8 469,8

Курский р-н 412,0 683,0 271,0

Новоселицкий р-н 1140,0 1499,1 359,1

Петровский ГО 3137,0 3547,9 410,9

Советский ГО 1881,0 2347,8 466,8

Степновский р-н 1676,0 1809,0 133,0

II засушливая зона 16581,0 19603,0 3022,0

В ходе анализа материалов, полученных с помощью космосъёмки, было рассмотрено отношение суммы длин эрозионных размывов к площади пашни. В результате определено, что суммарная длина эрозионных процессов в засушливой зоне Ставропольского края с 2015 г. по 2019 г. увеличилась на 16,7 м/га.

Рис. 2 - Динамика площади паров в засушливой зоне Ставропольского края за период 2017 - 2019 гг.

Отмечается рост эрозии во всех муниципальных образованиях засушливой зоны края. Но тем не менее её пространственное распределение носит неоднородный характер. Так, максимальный прирост произошёл в Советском городском округе и составил 3 м/га, минимальное значение отмечалось в Степновском муниципальном образовании - 1,1 м/га (табл. 3). В целом проблема водной эрозии в данной области носит острый характер и требует дальнейших наблюдений.

3. Отношение суммы длин эрозионных процессов к площади пашни, м/га

Муниципальный район / городской округ / сельскохозяйственная зона Год Разница

2015 2019

Александровский р-н 3,8 6,2 2,4

Благодарненский ГО 7,7 9,0 1,3

Буденновский р-н 10,1 11,4 1,2

Ипатовский ГО 13.1 14,4 1,3

Курский р-н 2,4 4,1 1,6

Новоселицкий р-н 8,3 10,9 2,6

Петровский ГО 16,2 18,4 2,2

Советский ГО 11,1 14,1 3,0

Степновский р-н 12,5 13,6 1,1

II засушливая зона 85,3 102,0 16,7

Выводы. При проведении мониторинга рационального использования земель сельскохозяйственного назначения и оценке развития деградационных процессов была доказана высокая эффективность применения материалов космической съёмки и ГИС-технологий. Мониторинг рационального использования сельхозугодий посредством дистанционного зондирования и ГИС-технологий может стать основным элементом дистанционного контроля как в Ставропольском крае, так и в любом аграрном районе.

Литература

1. Посевные площади, валовые сборы и урожайность сельскохозяйственных культур по Ставропольскому краю за 2019 год // Управление Федеральной службы государственной статистики по Северо-Кавказскому федеральному округу. Ставрополь, 2019. 204 с.

2. Антонов С.А. Тенденции изменения засушливости вегетационного периода на территории Ставропольского края // Земледелие. 2013. № 5. С. 3 - 6.

3. Антонов С.А. Тенденции изменения климата и их влияние на земледелие Ставропольского края // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (66). С. 43 - 46.

4. Система земледелия нового поколения Ставропольского края: монография / В.В. Кулинцев, Е.И. Годунова, Л.И. Желнакова [и др.]. Ставрополь, 2013. 520 с.

5. Глобальный климат и почвенный покров России: опустынивание и деградация земель, институциональные, инфраструктурные, технологические меры адаптации (сельское и лесное хозяйство): национальный доклад / под ред. Р.С.-Х. Эдельгериева. Т. 2. М.: ООО «Издательство МБА», 2019. 476 с.

6. Белоусова А.П. Анализ использования пахотных земель по спутниковым снимкам Landsat на примере Курганской лесостепи // Географический вестник. 2018. № 4 (27). С. 133 - 143.

7. Нипоклонов В.Б., Хабарова И.А., Хабаров Д.А. Мониторинг и рациональное использование земель сельскохозяйственного назначения Краснодарского края // Вестник СГУГиТ. 2018. Т. 23. № 1. С. 167 - 177.

8. Мониторинг состояния земель сельскохозяйственного назначения центрального Предкавказья / Е.В. Письменная, В.А. Стукалов, А.В. Лошаков [и др.] // Вестник АПК Ставрополья. 2016. № 1 (21). С. 123 - 126.

9. Скрипчинский А.В., Антонов С.А. Космический мониторинг пастбищ восточных районов Ставропольского края // Наука. Инновации. Технологии. 2019. № 2. С. 125 - 136.

10. Космические снимки [Электронный ресурс]. URL: https://gis-lab.info/qa/open-rs-control.html (дата обращения: 06.09.2021).

11. Earth Explorer USGS [Электронный ресурс]. URL: https://earthexplorer.usgs.gov/ (дата обращения: 07.09.2021).

12. Оценка развития процессов водной эрозии на территории агроландшафтов Ставропольского края и их влияние на продуктивность / С.А. Антонов, А.Н. Есаулко, М.С. Сигида [и др.] // Вестник АПК Ставрополья. 2018. № 1(29). С. 67 - 72.

13. Copernicus Open Access Hub [Электронный ресурс]. URL: https://scihub.copernicus.eu/ (дата обращения: 02.09.2021).

14. Антонов С.А. Использование дистанционных методов для анализа сохранности защитных лесных насаждений // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 2. (82). С. 33 - 38.

15. Антонов С.А. Новый метод оценки сохранности защитных лесных насаждений на основе данных дистанционного зондирования земли// Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 4. (84). С. 107 - 112.

Сергей Анатольевич Антонов, кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией. ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр». Россия, 356241, Ставропольский край, г. Михайловск, ул. Никонова, 49, santosb@mail.ru

Сергей Владимирович Перегудов, аспирант. ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр». Россия, 356241, Ставропольский край, г. Михайловск, ул. Никонова, 49, serjoSW@yandex.ru

Sergey A. Antonov, Сandidate of Geographical Sciences, Leading Researcher, Head of the laboratory. North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center. 49, Nikonov St., Mikhailovsk, Stavropol Region, 356241, Russia, santosb@mail.ru

Sergey V. Peregudov, postgraduate. North Caucasian Federal Scientific Agrarian Center. 49, Nikonov St.,

Mikhailovsk, Stavropol Region, 356241, Russia, serjoSW@yandex.ru

-♦-