Использование данных космического мониторинга при оценке земельных ресурсов

УДК 528. 71:629.785 В.И. Незамов, А.В. Незамова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ КОСМИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИ ОЦЕНКЕ ЗЕМЕЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

В статье рассмотрены основные факторы изменения ландшафтов, которые заключаются в приобретении новых или утрате прежних свойств под влиянием внешних факторов или саморазвития. Материалы космических съемок позволяют рассмотреть экзогенную динамику рельефа и определить отдельные параметры рельефа, его морфологические особенности и динамику.

Ключевые слова: эрозия, земельные ресурсы, ландшафт, параметры рельефа.

V.I. Nezamov, A.V. Nezamova SPACE MONITORING DATA APPLICATION AT GROUND RESOURCES ESTIMATION

The main factors of landscapes change which include the new properties acquisition or former properties loss under the influence of external factors or self-development are considered in the article. The space shooting materials allow to consider exogenous relief dynamics and to define separate relief parametres, its morphological peculiarities and dynamics.

Key words: erosion, ground resources, landscape, relief parametres.

В процессе проведения оценки земельных ресурсов, необходимых для установления ставок земельного налога, арендной платы, цены земли используются многочисленные данные по бонитировке почв, технологическим характеристикам пахотного горизонта, исследуются грунты, проводится комплекс геодезических и землеустроительных работ.

В последнее время в ряде субъектов Российской Федерации для этих целей применяются данные космического мониторинга земель, которые позволяют получить актуальную информацию о состоянии земельного фонда и могут быть использованы в кадастровом производстве для уточнения данных кадастровой оценки и установления более объективных ставок земельного налога и других платежей за землю.

Начиная с 1996 г., в Российской Федерации создается многоуровневая информационная база мониторинга земель, налаживается постоянно действующая система прогноза, предупреждения и устранения последствий негативных процессов, влияющих на качество и использование земель.

Изменение ландшафтов заключается в приобретении им новых или утрате прежних свойств под влиянием внешних факторов или саморазвития. Термин измененный ландшафт - понятие довольно широкое и не может быть синонимом «антропогенного ландшафта», поскольку изменения могут возникнуть и под действием природных факторов.

Изменения, или процессы, которые протекают внутри земного шара и которые мало зависят от внешних влияний, носят название эндогенных и рассматриваются в космической геологии (Я.Г. Кац, А.В. Тевелев, А.И. Полетаев, 1988; и др. ).

При оценке земельных ресурсов с применением космической информации чаще возникают задачи дешифрирования экзогенных изменений ландшафта. Такие изменения состоят в непрерывных перемещениях водных и воздушных масс, в циркуляции воды в атмосфере, на поверхности и внутри Земли, в химических и физических превращениях вещества под воздействием реакций выветривания, в разрушении, переносе и вторичном отложении горных пород и др. Эти процессы взаимосвязаны и их нельзя рассматривать отдельно без связи друг с другом и эндогенными процессами.

Рассматривая экзогенную динамику рельефа, некоторые ученые отмечают, что материалы космических съемок позволяют определять отдельные параметры рельефа, его морфологические особенности и динамику.

Обвалы представляют собой внезапные разрушения огромных масс горных пород, сопровождающиеся опрокидыванием сорвавшегося массива и его дроблением. Эскарпы (открытые трещины или уступы), или участки отрыва, на снимках опознаются как светлые ареалы в верхних частях крутых склонов. Имеют неправильную форму и резкий цветовой контраст при темноцветных породах.

Осыпи образуются у подножия горных склонов в результате выветривания горных пород, обломки которых легко удаляются со склонов в силу своей тяжести. Обнаженные скалистые склоны имеют неяснополосчатую структуру, связанную с гравитационным борозчатым расчленением.

Солонцы и солончаки, или засоленные почвы, распространены преимущественно в районах, характеризующихся засушливым климатом и занимают пониженные формы рельефа

На космических снимках такие участки выделяются при съемках в зонах 0,5-0,6 и 0,7-0,84 мкм по сочетаниям различных тонов, соответствующих различным видам солончаков и степени их засоления, в конечном счете, это находит отражение в определенном рисунке видеоизображения.

В зависимости от возможности отображения на снимках все эрозионные формы авторы подразделяет на три категории:

1) формы первого порядка - лога, борозды, распадки, овраги, безрусловые ложбины водораздельных поверхностей (такая информация может быть получена только по космическим снимкам, на картах средних и мелких масштабов они обычно не отображаются );

2) формы второго редко третьего порядка, к которым относятся мелкие долины с постоянными водотоками, крупные балки, водораздельные ложбины, сквозные долины (космические снимки существенно дополняют информацию);

3) формы третьего и более высоких порядков достаточно подробно изображаются на космических снимках в видимой и ближней ИК части спектра.

Актуальность получения оперативной информации по этой проблеме подтверждается тем, что в составе сельскохозяйственных угодий России более 116 млн га занимают эрозионно опасные и подверженные водной и ветровой эрозии земли, в том числе эродированные 53,6 млн га. Каждый третий гектар пашни и пастбищ является эродированным и нуждается в защите от деградационных процессов (Ю.В. Новиков 2002).

Опустынивание характеризуется рядом процессов: климатических - увеличение аридности, сокращение запасов воды и др., гидрологических - осадки становятся нерегулярными, питание подземных вод эпизодическое; морфодинамических - выветривание солей, водяная и ветровая эрозия, превращение песков в подвижные и т.д.; почвенных - усыхание почв и их засоление; фитогенных - деградация растительного покрова и др.

По мнению Н.Г. Харина, основными ступенями мониторинга опустынивания являются космические съемки, подспутниковая аэрофотосъемка и наземные исследования. В отношении выбора зон спектра для аэрокосмических съемок автором даны следующие рекомендации: для изучения растительности и почв -красная (0,6-0,7 мкм); для распознавания типов земельных угодий - ИК (0,7-0,8 мкм); для разделения воды и суши - 0,8-1,1 мкм; для изучения водоемов ( поверхностных вод) - 0,5-0,6 мкм. Для разработки рациональной системы мониторинга тестовые участки должны располагаться на всей территории аридных зон с таким расчетом, чтобы процесс опустынивания контролировался на всех его стадиях.

К антропогенным относят широкую гетерогенную группу ладшафтов, созданных в результате целенаправленной деятельности человека, вследствие которой могут возникнуть также непреднамеренные изменения природных ландшафтов. Из множества вариантов классификации таких ландшафтов чаще всего в основу положены: учет степени измененности природного ландшафта человеком; цели использования; меры целенаправленности их возникновения; длительность их существования и степень регулируемости; меры хозяйственной деятельности и др.

Характеризуя качественное состояние земель Российской Федерации, А.С. Чешев и В.Ф. Вальков (2002) отмечают повсеместное снижение плодородия почв из-за негативных воздействий на земли, а также резкое отношение объемов работ по улучшению земель.

Кратко рассмотрим возможности и некоторые примеры индикации антропогенных ландшафтов с орбиты при оценке земельных ресурсов.

Пылевые бури своим происхождением обязаны комплексу специфических условий (засушливый климат, накопление аллювиальных отложений, наличие песков различного происхождения, сельскохозяйственная обработка земли, неумеренный выпас скота и др.) .

Разрушительная (ускоренная) эрозия почвы, в отличие от естественной, происходит под влиянием антропогенных факторов и во много раз быстрее. Если для формирования плодородного гумусного горизонта мощностью 20-25 см необходимы десятки столетий, то при ускоренной эрозии этот слой разрушается в течение 10-30 лет, а при катастрофических явлениях может быть разрушен в течение нескольких дней или даже часов.

Ускоренная эрозия почв антропогенного происхождения делится на два типа: ветровая и водная эрозия.

При ускоренной водной эрозии возможны следующие ее виды: плоскостная, борозчатая (или устойчивая), овражная и селевые потоки.

Плоскостная эрозия происходит в течение длительного времени при помощи талых вод и атмосферных осадков. На поверхности почвы воды распределяются более или менее равномерно, на первых стадиях процесс подобного смыва малозаметен и проявляется только при обнажениях нижних, более светлых горизонтов.

Борозчатая эрозия наиболее распространена на склонах холмов, лишенных растительности и занятых пропашными культурами. На аэрокосмических снимках этот вид водной эрозии дешифрируется по характерному рисунку изображения.

Овражная эрозия возникает и развивается не только в связи с активизацией неотектонических положительных движений, но и с увеличением антропогенной нагрузки и нерационального режима землепользования. Для возникновения оврагов необходимо нарушение дерново-почвенного покрова на склонах и образования водобойного колодца. Для овражно-балочной сети характерны ветвистый рисунок, четкие бровки, контрасты освещенных и затененных склонов. Резкость очертаний определяется грунтами. В лесах очертания резкие, в глинах - мягкие, изрезанность характерна мерзлотным, аридным зонам (Верещака Т.В., 1990).

Как отмечает А.И. Мелуа (1988) проблема дешифрования эродированных участков, оценка степени эрозии почв и ее причин требуют разнообразной информации о территории, включая гидрологический режим, наличие и роль растительности, антропогенных ландшафтов и их состояния.

При дешифровании водной эрозии решающее значение имеет тон видеоизображения, который находится в определенной связи с экспозицией, крутизной и длиной склонов, густотой растительности и типом землепользования (Харин Н.Г., 1980). Такие земли имеют более светлый тон, а почти белый тон имеют солончаки.

Засоление почв по своим масштабам проявляется, в первую очередь, в аридных областях и связано с интенсивностью орошаемого земледелия. При избыточном поливе сильно минерализованные воды поднимаются к поверхности, образуя вторичное засоление ( на сельскохозяйственных угодьях они занимают около 12,9 млн га).

В подземных водах наиболее распространены ионы CL, HCO, Na, Ca, Mg, иногда в заметных количествах NH, К, Fe и Мо, а из газов С02 , 02, реже H2S, N2. Различные сочетания этих основных элементов и определяют основные свойства подземных вод - щелочность, соленость и жесткость.

Засоление почв, развитие солончаков и солонцов тесно связано с подземными и поверхностными водами. Грунтовые воды при неглубоком (до 2-3 м) их залегании по тонким капилярам поднимаются почти до поверхности земли. В условиях сухого и жаркого климата происходит их интенсивное испарение, а соли, растворенные в них, остаются в почве (Горшков Г.П., Якушова А.Ф., 1973).

Аэрокосмический мониторинг засоленных почв, анализ динамики и планирования хозяйственных мероприятий являются одной из важных задач орошаемого земледелия, так как на таких землях теряется до 25% урожая сельскохозяйственных культур. Широкое применение получил ландшафтно-индикационный метод дешифрирования, основанный на зависимости отображенного на снимке состояния системы почв - растительный покров от степени засоления почв. Установлено, что использование датчиков в видимой и ИК-зонах спектра позволяют идентифицировать некоторые солончаки (засоление у самой поверхности) и солонцы ( засоление на небольшой глубине 20-25 см) особенно на последних стадиях развития (Реутов Р.А., Шутко A.M., 1990).

При рассмотрении вопросов СВЧ-излучения авторами получены оценки чувствительности яркостной температуры в радиодиапазоне Т к степени минерализации почвенного покрова (СМПР) S в условиях вариации влажности W, температуры Т почвы, СМПР S и типа растворенных солей G в широком диапазоне длин волн Y, т.е. с ГГя/ds (Y,W, T, S,G). Результаты исследований позволили оценить влияние указанных почвенных параметров на величину Тя и в приближении модели однородно увлажненных по вертикали почв решить задачу определения величины S по данным дистанционных СВЧ-радиометрических измерений.

Загрязнение почв промышленными предприятиями происходит преимущественно из воздуха (сами газы, в виде осадков и пыли) или загрязненными водами. Загрязнение химическими веществами во многом связано с применением в сельском хозяйстве разнообразных химикатов (пестициды, инсектициды, гербиди-ды, дефолианты и др.). В некоторых местах существует реальная опасность загрязнения почв радиоактивными отходами АЭС и другими предприятиями.

В результате выбросов металлургических предприятий загрязнение почвы происходит в виде серной и сернистой кислоты, которые соединяясь с основными элементами почвы, образуют труднорастворимые сульфаты.

Идентифицировать такие выбросы по материалам космических съемок можно по изменению оптических характеристик растительности (Незамов В.И., 2000,2007), используя зону спектра 660-720 нм (рис. 1).

Рис. 1 Изменение спектральной яркости и гибель растений в результате загрязнения: цементной пылью

Избыточное содержание фосфора отмечено вблизи фосфатных заводов, а обилие пыли от цементных заводов приводит к накоплению в почве калия, кальция и магния. Высокое содержание свинца в почве отмечается вблизи автострад с интенсивным движением. Около крупных городов только с помощью материалов космической съемки удалось выявить целые зоны осаждения загрязнений в зимний период, когда на снегу образуются загрязненные пятна, иногда по размерам превышающие площади самих городов. Такие пятна поглощают больше солнечной радиации, что приводит к ускоренному сходу снежного покрова. Форма и размер пятен зависят от количества загрязняющих веществ и преобладающих ветров.

Сточные воды, загрязненные отходами промышленных свалок и захоронений, при миграции загрязняют подземные воды и поверхностный сток. Вместе с почвенной влагой поглощаются растениями и животными, вызывая различные заболевания и снижая урожайность и качество продукции.

Так как почвы и грунты на аэрокосмических снимках изображаются довольно редко ( свежевспахан-ные, пашни, искусственно вскрытая поверхность земли и др.), то использование прямых дешифровочных признаков ограничено. Часто о почвах судят по косвенным признакам, т.е. компонентам ландшафта и его морфологическим элементам (фации, урочища), которые находятся в коррелятивной связи с почвами. Связь химических свойств с оптическими характеристиками почв довольно подробно рассмотрена рядом исследователей (Рачкулик В.И., Ситникова М.В., 1981; Федченко П.П., Кондратьев К.Я., 1981; и др.) и широко используется в аэрокосмическом мониторинге растительности и почв.

Используя системный подход к изучению современных ландшафтов, Е.В. Глушко (1990) отмечает, что дешифрирование состава пространственной структуры процессов и развития ландшафтов на локальном и региональном уровнях основано на применении индикационных методов (частные индикаторы элементов ландшафтных систем, комплексные индикаторы локальных ландшафтных систем, макроструктурные индикаторы региональных систем, структурно-динамические индикаторы развития и ретроиндикаторы истории их формирования).

В обобщенном виде представлены (рис.2) основные группы природно-антропогенных процессов, распознаваемых на космических снимках. На верхних горизонтальных плоскостях кубов схематически отражена пространственная структура изображения ландшафтных систем, формирующихся в гумидных, семиаридных и в аридных областях. На вертикальных плоскостях сгруппированы характерные процессы, распознаваемые по космическим снимкам. Встречные горизонтальные стрелки отражают взаимное проникновение форм и процессов в пограничных областях. Вертикальными стрелками показаны природные и антропогенные факторы возникновения процессов, а светлыми горизонтальными стрелками -основные негативные изменения природной среды.

Рис. 2. Схема развития основных негативных природно-антропогенных процессов и их последствий, распознаваемых на космических снимках (Глушко Е.В., 1990):

1 - лесные массивы; 2 - вырубки хозяйственного назначения; 3 - болота; 4 - пустоши;

5 - пахотные земли в степях; 6 - овражно-балочная сеть; 7 - бедленды; 8 - пастбища пустынь;

9 - подвижные пески; 10 - солончаки; 11 - такыры; 12 - скотобои.

Природно-антропогенные процессы: 13 - аридизация климата; 14 - уменьшение гумидности климата; 15 - загрязнение атмосферы; 16 - повсеместная ускоренная эрозия;

17 - локальная ускоренная эрозия; 18 - интенсивная ускоренная аккумуляция; 19 - интенсивная ускоренная аккумуляция; 20 - интенсивное оврагообразование; 21 - умеренное оврагообразование;

22 - повсеместная ускоренная дефляция; 23 - локальная ускоренная дефляция; 24 - интенсивная аккумуляция эолового материала; 25 - умеренная аккумуляция эолового материала; 26 - полное прекращение речного стока; 27 - сезонное прекращение стока; 28 - сокращение речного стока;

29 - понижение уровня грунтовых вод; 30 - повышение уровня грунтовых вод; 31 - деградация почвенного покрова; 32 - снижение плодородия почв; 33 - заболачивание; 34 - вторичное засоление;

35 - такырообразование; 36 - деградация растительного покрова;

37- смена растительного покрова; 38 - сокращение фитомассы. Номера стрелок: 1 - увеличение континентальное™ климата; 2 - активизация процесса рельефообразования; 3 - сокращение речного стока;

4 - изменение уровня и минерализации подземных вод; 5 -деградация почвенного покрова;

6 - снижение биологической продуктивности растительности

На первом этапе космического мониторинга измененных ландшафтов возможности и эффективность оценки земель зависят от анализа диапазонов электромагнитного излучения, в которых может быть получена интересующая исследователя информация об объекте (явлении). На основе такого анализа выбирается (или разрабатывается) соответствующая аппаратура для дистанционного зондирования, определяются условия и параметры съемочных систем.

В связи с широким внедрением автоматизированных технологий обработки материалов космических съемок значение визуальных методов тематического дешифрирования только возрастает, особенно на различных этапах экспертного анализа и в подспутниковых аэрометодах получения априорной (контрольной) информации. Многолетний опыт аэрометодов показывает, что индикация видиоизображения (явления) в большинстве случаев опирается на косвенные признаки и полная автоматизация процесса дешифрирования данных дистационного зондирования в настоящее время просто невозможна. Поэтому оптимальным подходом в различных технологических схемах этого процесса является комплексное использование как автоматизированных, так и визуальных методов анализа, взаимно обогащающих и дополняющих оценку видео и информации, эффективное ее использование.

Литература

1. Визуальные методы дешифрирования / Т.В. Верещака, А.Т. Зверев, С.А. Сладкопевцев [и др.]. - М.: Недра, 1990. - 341 с.

2. Глушко, Е.В. Опыт применения системного подхода к изучению современных ландшафтов по космическим снимкам / Е.В. Гпушко // Исслед. Земли из космоса. - 1990. - №1. - С. 40-48.

3. Горшков, Г.П. Общая геология / Г.П. Горшков, А.Ф. Якушова. - М.: МГУ, 1973. - 592 с.

4. Кац, Я.Г. Основы космической геологии / Я.Г. Кац, А.В. Тевепев, А.И. Полетаев. - М.: Недра, 1988. - 235 с.

5. Мепуа, А.И. Космические природоохранные исследования / А.И. Мепуа. - Л.: Наука, 1988. - 175 с.

6. Незамов, В.И Аэрокосмические методы диагностики поврежденной растительности / В.И. Незамов. -Красноярск: Изд-во КГАУ, 2007. - 332 с.

7. Незамов, В.И. Космические методы в сельском хозяйстве / В.И. Незамов. - Красноярск: КГАУ, 2000. - 255 с.

8. Новиков, Ю.В. Экология, окружающая среда и человек / Ю.В. Новиков. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002. - 560 с.

9. Рачкупик, В.И. Отражательные свойства и состояние растительного покрова / В.И. Рачкупик, М.В. Ситникова. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 287 с.

10. Реутов, Е.А. Экспериментальные исследования СВЧ-излучения засоленных почв / Е.А. Реутов, A.M. Шутко // Иссед. Земли из космоса. - l98o. - № 4. - С. 78-84.

11. Харин, Н.Г. Дистанционные методы и охрана природы пустынь / Н.Г. Харин. - М.: Наука. - 104 с.

12. Чешев, А.С. Основы землепользования и землеустройства / А.С. Чешев, В.Ф. Вапьков. - Ростов н/Д.: Март, 2002. - 544 с.

УДК 574: 579.29 В.Н. Торотенкова, Л.С. Тирранен, О.В. Сысоева

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ЧЕРЕЗ ПРОДУЦИРУЕМЫЕ ИМИ ЛЕТУЧИЕ ВЕЩЕСТВА*

В результате исследований взаимодействия микроорганизмов через продуцируемые ими летучие вещества обнаружена тенденция к снижению антагонистических отношений к концу эксперимента и росту доли нейтральных и положительных действий, что свидетельствует о стабилизации экосистемы. Выявлено, что гемолитической активностью обладали 19 % исследованных штаммов, а коагулазной активностью -14 %.

Ключевые слова: экосистема, микроорганизмы, почвоподобный субстрат, взаимодействие, ингибирование, стимуляция, летучие метаболиты.

V.N. Torotenkova, L.S Tirranen, O.V. Sysoyeva MICROORGANISMS INTERACTIONS THROUGH THE VOLATILE SUBSTANCES PRODUCED BY THEM

As a result of research of the microorganisms interaction through the volatile substances produced by them, the tendency to the antagonistic relations decrease to the experiment end and growth of the share of neutral and positive actions that testifies to ecosystem stabilization is revealed. It is revealed that 19 % of the investigated strains possessed hematolytic activity, and 14 % possessed clotting activity.

Key words: ecosystem, microorganisms, soil similar substratum, interaction, inhibition, stimulation, volatile metabolites.

Введение. Микрофлора является неотъемлемой частью любой экосистемы. Микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности выделяют разнообразные продукты обмена.

Известно, что среди метаболитов, продуцируемых микроорганизмами, есть и летучие вещества [2; 8; 10]. Из-за своей летучести они обладают высокой скоростью распространения в окружающей среде, с их помощью может осуществляться дальнодействие микробных популяций в местах их естественного обитания, а также в условиях искусственного культивирования. При анализе условий сосуществования различных видов микроорганизмов в биоценозах необходимо учитывать взаимодействия через летучие вещества, которые присуще многим

* Работа выполнена в Институте биофизики СО РАН при поддержке Международного гранта INTAS Ref. Nr. 05-1000008.