Комплексный подход к почвенным иссле- дованиям Нижнего Приобья для целей де- шифрирования космических снимков

ВЕСТНИК Югорского ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

2009 г. Выпуск 3 (14). С. 13-19

УДК 631.4

комплексный подход к почвенным исследованиям нижнего приобья для целей дешифрирования космических снимков

А. В. Захарченко Введение

На изученной территории Крайнего Севера отсутствуют оголенные горные породы, выцветы, налеты, корки, за счет которых изменяется отражательная способность земной поверхности. Образование вторичных минералов при химическом выветривании горных пород сопровождается увеличением спектральной яркости в оранжево-красном диапазоне [5: 18-22]. Отсутствуют и пахотные земли. Поэтому в данных условиях не применимы методы, использованные в более южных регионах. Здесь наибольшую важность, с точки зрения дешифрирования космоснимков лесоболотных комплексов, приобретает растительность [10: 116]. Растительность обладает наибольшей спектральной селективностью по сравнению с другими объектами [6: 23-27].

В результате исследований на основе дешифрирования космоснимков динамики изменения формы озер для криолитозоны установлено, что в северной части тундровой зоны площадь озер увеличивается, а в южной части - сокращается [3: 1-2]. Причины этого явления видятся в различии утепляющей мощности торфяной залежи [8: 185-189]. Торфяник рассматривается как теплоизоляционный материал, препятствующий деградации мерзлоты.

Для криолитозоны характерны процессы, вызывающие мерзлотное пучение, трещино-образование, полигональность, что сопровождается изменением в рельефе и микрорельефе [13: 40-48, 14: 84-86]. Широкое распространение имеют миграционные бугры. Льдообразование идет по эпигенетическому сегрегационному типу, когда к фронту промерзания мигрирует вода из нижележащей талой части грунта [5: 136-168].

Одним из наиболее известных примеров деградации мерзлоты является термокарст. Термокарст - процесс оттаивания подземных льдов, сопровождающийся просадками поверхности земли с образованием неглубоких озер, под которыми могут возникнуть подо-зерные талики. Многолетняя динамика мерзлотных бугров пучения и развитие термокарста определяют формы рельефа тундровой и лесотундровой зоны, а рельеф - существование или спуск озер.

Изменчивость почв криолитозоны зависит от геоморфологических причин. Выделяются равнины водоразделов, террасы, поймы реки. Вызвана эта изменчивость почв различием в условиях дренажа, степени обводнености почвенного профиля [10: 81-88].

Учитывая сложность поставленных задач, необходим комплексный подход к оценке природных явлений криолитозоны в условиях глобального потепления климата. Следует отметить, что использование комплексного метода при анализе космической информации позволяет более обосновано строить схемы и модели процессов, имеющих как быстрый, так и длительный временной тренд: океанических течений, снежно-ледовых комплексов, фенологических и сукцессионных смен растительности, опасных сочетаний природных явлений [8: 16-21]. Актуальность комплексного метода изучения и картографирования природных ресурсов очевидна, особенно в случае сложных и неоднозначных процессов, протекающих в криолитозоне в условиях глобального потепления.

Целью работы является разработка методики комплексного изучения почв криолитозоны Западной Сибири на основе взаимосвязи между типами почв и лесоболотной растительности, применительно к проблеме дешифрирования озерных комплексов и хасыреев (спущенные озера) на космических фотоснимках и сканерных изображениях.

Очевидно, что методика должна сочетать комплекс наземных и космических исследований. Основное направление исследований - это создание системы: дешифровочные признаки - растительность - почвы. Наземная часть изучения должна быть, с одной стороны, направлена на диагностику ведущих почвообразовательных процессов, с другой стороны, отражать обводненность и криогенные свойства почв.

объекты исследования

Основным объектом (районом) исследования является почвенный покров Нижнего Приобья. В районе исследования распространены следующие типы почв: торфяно-глеевые (глеезем), торфяно-иллювиально-гумусовые, мерзлотно-таежные неглеевые. Под ягельниками на супесчаных породах формируются иллювиально-железистые подзолы. Наиболее широко распространены торфяно-болотные почвы.

Поэтому для тундры и лесотундры важным дешифровочным признаком является рельеф поверхности, особенно бугры. Небольшие бугры пучения могут возникать непосредственно за счет увеличения объема замерзающей воды в грунте. На севере выделяются зоны плоско-бугристых торфяников, на юге - крупнобугристых [4: 161-186]. Размеры бугров хоть и связаны с мощностью торфяной залежью, но перепад высот определяется глубиной просадки при деградации мерзлоты. Плоскобугристые торфяники имеют невысокие бугры (1,0—1,5 м) с крутыми краями. Крупные бугры имеют высоту более 4 м и имеют куполообразную форму с диаметром основания бугра в 30 м. Иногда в одном массиве могут быть и оба типа торфяников.

Методические особенности дешефрирования почв на космоснимках

Почвы могут быть диагностированы по косвенным дешифровочным признакам. Индикационные связи «почва - растительность» для тундр изучены недостаточно, что затрудняет индикационное дешифрирование [10: 116]. Выбор географического разрешения снимка -важнейшая характеристика, позволяющая выявить географические объекты различного иерархического ранга [10: 81-88, 11: 16-21]. В данном случае, важно было выполнить картографию почвенного покрова лесоболотных комплексов в едином масштабе относительно разрешения снимков, используемого для идентификации озер, хасыреев.

Для тундровой зоны Западно-Сибирской равнины хорошие результаты дает дешифрирование космоснимков в видимом диапазоне. Предложенный методический подход хорошо согласуется с ранее проведенными исследованиями [1: 88-96]. Частота встречаемости и размеры озер в тундровой зоне указывают на степень выположенности и обводненности территории, а также на развитие процессов заболачивания. Чем больше озер и крупнее их размеры, тем меньше относительные превышения берегов, и тем большую роль в составе почвенного покрова играют почвы гидроморфного ряда. Особую трудность вызывает дешифрирование почв полугидроморфного ряда на переходе от северной тайги к лесотундре и тундре.

При дешифрировании тундровых почв на космических фотоснимках в условиях севера Западно-Сибирской равнины выделяются в почвенном покрове 1-3 типа сочетаний на водораздельных пространствах, различающихся по величине относительных превышений и степени расчлененности форм рельефа, 2 типа - для выровненных водоразделов и террас, и еще 2 типа - для аллювиальных долин и дельт рек (рис. 1).

Рисунок 1. Схема дешифрирования почвенного покрова Гыданского полуострова по космическим фотоснимкам. М: 1:1000000 (В. Л. Андроников и др., 1990) [1: 92]: 1 - аллювиальная торфянистая; 2 - аллювиальная слоистая дерновая;

3 - глеезем перегнойный и торфянистый; 4 - глеезем торфянистый и торфяный;

5 - глеезем перегнойный и гумусный; 6 - глеезем гумусный и перегнойный с участием подбуров светлых и тундровых; 7 - подбур тундровый светлый

При дешифрировании многозональных сканерных космических снимков в почвенном покрове северо-таежной территории Нижнего Приобья выделяется 8 типов основных ландшафтных структур. Аналогичная система просматривается и на картосхеме, где обозначены основные почвенные типы изученного района (рис. 2) [1: 88-96].

Восемь типов лесоболотных комплексов Нижнего Приобья.

1. На речных долинах с темнохвойными лесами развиваются аллювиальные дерновые почвы.

2. На бровках надпойменных террас в условиях хорошего дренажа произрастают сосновые леса на иллювиально-железистых песчаных подзолах. Иногда они занимают значительные пространства на повышенных элементах рельефа, сложенных породами легкого механического состава.

Ш Шг & ВИ»

ЕІ! И» И*

Рисунок 2. Схема дешифрирования почвенного покрова Нижнего Приобья по многозональным сканерным космическим снимкам. М: 1:1000000 (В. Л. Андроников и др., 1990) [1: 9З]:

1 - аллювиальная дерновая; 2 - торфянисто-глеево-подзолистая;

З - глеезем оторфованный; 4 - глеезем дифференцированный;

5 - болотная верховая и переходная торфяная; б - глеезем торфянисто-перегнойный тундровый;

7 - подзол; S - глеезем дифференцированный тундровый

3. Обширные пространства водоразделов занимают верховые болота и хасыреи.

4. Примерно такую же территорию занимают мелколиственные заболоченные леса. Наибольшая их дифференциация наблюдается на космических спектрозональных снимках инфракрасной зоны (0,8-1,1 мкм).

З. Для смешанных лесов на глееземах дифференцированных характерны темные тона.

6. Светлее выглядят контуры мелколиственных заболоченных лесов на глееземах дифференцированных и оторфованных.

7. Темно-серым тоном средней плотности на водоразделах отображаются хвойномелколиственные леса на торфянисто-глеево-подзолистых почвах.

Іб

8. На северо-востоке отмечаются слабодифференцированные участки водоразделов, лишенные древесной растительности или находящиеся под лиственничными редколесьями. Для этих территорий характерны глееземы торфянисто-перегнойные и дифференцированные. Тональные контрасты космического изображения контуров этих почв в значительной мере ослаблены, рисунок бесструктурный.

На стыке лесотундры и северной тайги растительность, как никакой другой компонент ландшафта, четко реагирует на изменение экологической обстановки, являясь индикатором почв. Например, появление древесной растительности, крупных кустарников указывает на большую глубину оттаивания многолетней мерзлой толщи.

Методические рекомендации

Растения, а также всякое изменение гранулометрического состава, содержания гумуса и т.д. несомненно, являются важнейшими архитекторами почв, и влечет адекватную реакцию растительного покрова. На это достаточно определенно указывает И. А. Соколов [12: 73-87]. По его мнению, все внешние почвообразующие факторы реализуются только в системе «почва - растение». В экосистемах Крайнего Севера складываются напряженные условия взаимоотношений между растениями. Здесь прослеживается наиболее отчетливая связь между ними и почвой. В лесной зоне несоответствия между типами почвы и растительности определяются, прежде всего, сукцессиями [7: 37-54]. В зоне тундры и лесотундры сукцессион-ные формации растительности длинные. Они возникают только при условии тысячелетнего цикла: мерзлотные торфяники - термокарст - озеро - хасырей - торфяник - мерзлотные торфяники. Такие сукцессии сопровождаются качественной перестройкой почвенного покрова: торфяно-болотные - аквальные почвы - субаквальные торфяно-иловатые почвы хасыреев

- тундровые глеевые почвы. В результате того, что сукцессионные стадии протекают крайне медленно, на каждой стадии формируется соответствующая ей почва или специфический комплекс почв.

Дешифрирование почвенного покрова проводится по принципу многоступенчатого анализа [1: 88-96]. На первом этапе выделяются общие закономерности геоморфологических типов исследуемой территории в масштабе 1:200000. На следующем уровне (М 1:30000) значение приобретает рисунок контуров: форма границы, структура тонального рисунка изображения. В результате анализа выделяются ключевые участки. На них дешифрируются крупные формы рельефа: границы болот, озер, пойм, бугры. В условиях равнины северной тайги и тундры в качестве основных формообразующих элементов выступают верховые болота и речные долины. Эти элементы являются также ландшафтообразующими.

Содержательная характеристика контуров складывается из дешифровочных показателей и результатов наземных исследований. Этому предшествует работа по обобщению имеющихся фондовых материалов (маршрутных и ключевых исследований, почвенногеографических и геоботанических описаний, материалов инженерно-геологических изысканий и пр.), а также анализ различных тематических карт, литературных и других фондовых источников.

Причины сокращения площадей озер видятся в деградации мерзлотных бугров, «запирающих» створ реки, а нарастание бугров приводит к сужению или перекрытию створа реки, что ведет к росту площадей озер. Озера и водотоки способствуют оттаиванию мерзлоты, поэтому рост площадей озер можно рассматривать как начальную стадию деградации мерзлоты в единой системе трансформации ландшафта. Тогда в северной части, в силу увеличения обводненности, происходит рост бугров и увеличение площадей озер. Несомненно, эти процессы частично обусловлены динамикой почвенного покрова и определяют направленность почвообразующих процессов криолитозоны. Следствием данных рас-

суждений является необходимость выделения бугров пучения, что можно осуществить на снимках масштаба 1:10000.

На космоснимках можно проследить изменения размеров крупных бугров. В условиях потепления климата ожидается изменения криогенного состояния почв и смещение зоны крупнобугристых торфяников на север в зону мелкобугристых. Этот процесс происходит не только на границе между этими природными образованиями, он охватывает достаточно большие территории мелкобугристых торфяников.

Наземные исследования осуществляются для выявления связи «фотоизображение - тип почвы» или структуры почвенного покрова (характерного сочетания типов) и определение масштаба, на котором такая связь становится явной. На ключевых участках следует отобрать почвенные пробы (ГОСТ 17.4.4.02-84). В отобранных почвенных пробах по общепринятым методам определяются следующие показатели: полный валовой химический состав, полуторные окислы по Тамму, общий гумус и его фракционный состав, рН водной и солевой вытяжек, поглощенные основания по Каппену-Г ильковицу, алюминий по Соколову, подвижный фосфор по Кирсанову, обменный калий и натрий по Масловой на пламенном фотометре, железо по Тамму и в сернокислой вытяжке, химический состав водной вытяжки [2].

При дешифрировании почв тундровой зоны на космических фотоснимках и спектрозональных сканерных изображениях оказываются методически важными сопоставления в системах: почва - рельеф, почва - растения, почва - почвообразующая порода. Для этих целей необходимо формирование атласа аннотированных космоснимков с пользованием индикационных таблиц. В графах таких таблиц морфографическая характеристика изображения сопровождается указанием съемочной системы, диапазона и масштаба съемки, а также сезона, характеристикой форм рельефа, растительного покрова, положения контура относительно русел водотоков, геоботаническими, почвенными описаниями и пр. (табл. 1).

Таблица 1. Приме

р дешифровочной таблицы

Съемоч- ная система Диа- пазон Мас- штаб съемки Сезон Географ. Коорди- наты Рельеф Тип раститель- ности Мощ- ность деятель- ного слоя Близость водо- токов, озер Название почвы

Фото- снимок Види- мый 25000 Июль Е W__ Мелко- бугрис- тый Рям 45 см 100 м Болотная верховая

Сканер- ный снимок 8 мкм 25000 Июль Е W__ Бугрис- тый Верховое болото 30 см 500 м Болотная верховая

В последней графе указывается название преобладающей почвы или структуры почвенного покрова. Отдельно формируется база данных, подтверждающая классификационную принадлежность выделенных почв: морфология, химико-аналитические данные, состояние мерзлоты, глубина летнего оттаивания вечной мерзлоты. Отдельно вносятся данные, характеризующие геоморфологию и ландшафтную ситуацию.

Выводы

Таким образом, показана необходимость проведения комплексных исследований для целей дешифрирования космических снимков и идентификации состояния деятельного слоя. Для этих целей необходимо формирование атласа аннотированных изображений космических снимков.

При наземных обследованиях наиболее важными показателями являются глубина сезонного оттаивания мерзлоты (деятельный слой) как на торфяных, так и на минеральных почвах, обводненность профиля, гранулометрический состав минеральных почв, содержание элементов питания растений: N Р, К, типовая принадлежность классификации почв.

Комплексный методический подход в изучении и картографии лесоболотных комплексов позволяет выявить основные характеристики для целей дешифрирования космических снимков: съемочная система, диапазон и масштаб съемки, сезон, характеристика формы рельефа, положения контура относительно русел водотоков и озер, геоботаническая характеристика, название почвы.

В условиях криолиозоны хорошие результаты могут быть получены при дешифрировании почвенного покрова с использованием космоснимков как в видимом диапазоне, так и на спектрозональных снимках с выделением сочетаний почв на водоразделах разной степени расчлененности, террасах и поймах рек.

литература

1. Андроников В. Л. Составление листов государственной почвенной карты СССР с использованием космических снимков / В. Л. Андроников [и др.] // Аэрокосмические методы в почвоведении и их использование в сельском хозяйстве. - М. : Наука, 1990. - С. 88-96.

2. Аринушкина Е. Ф. Руководство по химическому анализу почв. - М. : Изд-во МГУ, 1970.

- 487 с.

3. Брыксина Н. А. Анализ сезонных изменений площадей термокарстовых озер в зоне вечной мерзлоты Западной Сибири с использованием снимков ERS-2 и ЕКУКАТ / Н. А. Брыксина, Ю. М. Полищук // Исследование Земли из космоса, 2009. - № 2. - С. 1-4.

4. Денисенков В. П. Основы болотоведения : учебное пособие - СПб. : Изд-во С-Петерб. ун-та., 2000. - 224 с.

5. Жесткова Т. Н. Формирование криогенного строения грунтов. - М. : Наука, 1982.

- 216 с.

6. Лабутина И. А. Дешефрирование аэрокосмических снимков : учебное пособие для студентов вузов. - М. : Аспект Пресс, 2004. - 184 с.

7. Керженцев А. С. Функциональная экология / Ин-т фундамент, проблем биологии РАН.

- М. : Наука, 2006. - 259 с.

8. Киенко Ю. П. Использование аэро- и космических снимков для целей комплексного картографирования / Ю. П. Киенко, Ю. Г. Кильнер // Аэрокосмические методы в почвоведении и их использование в сельском хозяйстве. - М. : Наука, 1990. - С. 16-21.

9. Кирпотин С. Н. Динамика площадей термокарстовых озер в сплошной и прерывистой криолитозонах Западной Сибири в условиях глобального потепления / С. Н. Кирпотин, Ю. М. Полищук, Н. А. Брыксина // Вестник ТГУ, 2008. - № 311. - С. 185-189.

10. Кравцова В. И. Космические методы исследования почв - М. : Аспект Пресс, 2005.

- 190 с.

11. Кравцова В. И. Географическое разрешение - новый показатель географокартографической оценки снимков // Аэрокосмические методы в почвоведении и их использование в сельском хозяйстве. - М. : Наука, 1990. - С. 34-47.

12. Соколов И. А. Теоретические проблемы генетического почвоведения - Новосибирск : Гуманитарные технологии, 2004. - 228 с.

13. Толчельников Ю. С. Криогенные микрогеоситемы зоны тундр / Ю. С. Толчельников, Е. М. Самойлова // Современные проблемы географии и картографии почв материалы Всесоюзной конф., 1992 г. 24-26 сент. / Васхнил. - М., 1992. - С. 37-38.

14. Хохлюк А. П. Гетероземы (специфические почвенные образования). - Владивосток : ДВО ДОП РАН, 2006. - 220 с.