Параметры мониторинга почв и почвенного покрова в системе долговременных наблюдений

УДК 504.54 Е.Н. Смоленцева

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, Новосибирск

ПАРАМЕТРЫ МОНИТОРИНГА ПОЧВ И ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА В СИСТЕМЕ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

E.N. Smolentseva

Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Institute of Soil Science and Agrochemistry, Novosibirsk, Russian Federation

PARAMETERS OF MONITORING OF SOILS AND SOIL COVER IN SYSTEM OF LONG-TERM OBSERVATION

Ecological studies in the south of West Siberia showed that desertification and degradation processes of soils and landscapes. Desertification diagnostic can be carried out by using a of indicator system. Indicators of desertification are processes that deteriorate characteristics of the objects studied, decreasing the resource potential of the whole geosystem complex. The rate and direction of the processes can be assessed both qualitatively and quantitatively by using a set of parameters, such as length, area, volume, concentration, etc. The key soil indicators are dehumification, skeletisation and salinization of soils. The proposed indicators are used as parameters for monitoring of desertification.

Согласно современным представлениям [1, 2] под опустыниванием понимается деградация земель в аридных, семиаридных и засушливых субгумидных регионах в результате неблагоприятных антропогенных или природных воздействий. Это означает, что проявление данного процесса возможно не только на территориях прилегающих к пустыням в пустынной или полупустынной зонах, но и в степной и даже в лесостепной зонах бореального пояса. В рамках Конвенции ООН [1] понятие земли включает почвенные и местные водные ресурсы, поверхность земли и растительность (или сельскохозяйственные культуры). Понятие «деградация» подразумевает снижение ресурсного потенциала в результате воздействия на земли одного или комплекса процессов как естественного характера (потепление климата и его аридизация), так и антропогенно индуцированных.

Согласно исследованиям, обобщённым Виноградовым [3], в Западной Сибири признаки опустынивания наблюдаются в переделах Алтайского края, Омской и Новосибирской областей, в степной и южной части лесостепной зоны, в районах характеризующихся засушливым субгумидным климатом. В связи с дальнейшим усилением деградационных изменений в экосистемах этих территорий возникает необходимость мониторинга опустынивания.

Для диагностики деградационных процессов нами была использована система индикаторов, разработанная совместно сотрудниками Центра изучения окружающей среды (УФЦ) г. Лейпцига (ФРГ) и ИПА СО РАН. Преимуществом её является геосистемный подход к характеристике деградационных изменений, который позволяет оценить процессы и явления в их взаимосвязи и взаимозависимости. В рамках предложенного подхода все компоненты

природной (почвы, поверхностные и грунтовые воды, растительность) и социальной (население, посёлки, дороги) среды рассматриваются как объекты с определёнными свойствами, которые характеризуются параметрами. Объекты связаны между собой через процессы, протекающие в геосистемном комплексе.

Индикаторы опустынивания - это процессы, изменяющие свойства объектов в сторону их ухудшения и ведущие к снижению ресурсного потенциала всего геосистемного комплекса. Характеристика скорости и направлений протекающих процессов может быть выражена качественно или количественно через определённые параметры (длина, площадь, объём, концентрации и пр.).

В рамках предложенной системы все индикаторы объединены в пять групп: 1) Ландшафтно-динамические; 2) Почвенные (педогенные); 3) Гидрологические и гидрогеологические; 3) Вегетационные; 4) Социально-экономические.

Особое значение этого подхода заключается в том, что индикаторы опустынивания предлагается использовать как параметры мониторинга. При этом необходимо учитывать, что для природных систем характерна иерархическая структурная организация. Индикация процессов опустынивания, аридизации и циклической динамики должна проводится на различных уровнях организации экосистем и их важнейших компонентов - почвенного и растительного покровов. Для каждого иерархического уровня характерны свои объекты исследования и, соответственно, свои методические подходы для их изучения.

В силу определённых причин наши исследования охватывали, прежде всего, педогенные, ландшафтно-динамические и гидрологические индикаторы.

Гидрологические индикаторы - это процессы, происходящие с поверхностными и грунтовыми водами. Одним из индикаторов опустынивания является изменение режима функционирования речной сети и уменьшение акваторий озёр. По данным наземных наблюдений в последние десятилетия в южной части ЗС отмечается пересыхание некоторых рек (Баган, Кулунда) в летнее и осеннее время, дельты реки превратились в болота и зарастающие озёра. Причиной отмирания речной сети является уменьшение объёмов жидкого стока, как в результате глобальных климатических изменений, так и антропогенного влияния (строительства ряда дамб выше по течению и увеличение водозабора). Значительное уменьшение объёмов стока изменили и гидрологический режим многих озёрных систем юга ЗС. В современный период они значительно деградируют. Наиболее крупные озера распадаются на мелкие. Например, Сума-Чебаклинское понижение в недавнее историческое время было крупным озером, а сейчас здесь имеется лишь густая сеть озер различного размера. Более мелкие из них заиливаются и превращаются в болота. Во многих озёрах повышается минерализация воды, часть озёр полностью пересохли.

На дне озер, обнажающихся в результате испарения воды, происходит формирование соровых солончаков. Образование соровых солончаков в озерных котловинах на юге ЗС за последние 30 лет стало распространённым явлением. Тип засоления в соровых солончаках хлоридный и хлоридно-сульфатный, степень засоления - очень сильная.

Через процесс образования соровых солончаков гидрологические индикаторы связаны с почвенными. С одной стороны, часть площадей, занятая водными (аквальными) ландшафтами, в результате деградации последних переходит в разряд наземных супераквальных, образуя почвенные объекты. С другой стороны, днища бывших озёрных котловин, поверхность которых покрыта солевой коркой и не закреплена растительностью, в условиях высокой эоловой активности становятся источником воднорастворимых солей, интенсивно транспортируемых ветром и поступающих в автономные ландшафты. Так происходит атмогенное засоление автоморфных и полугдироморфных почв.

Ландшафтно-динамические индикаторы - это группа экзогенных процессов, развитие которых, приводит к негативному изменению состояния других объектов. Прежде всего, это дефляция и водная эрозия.

Дефляция (Ветровая эрозия). На исследованной территории развитие процессов дефляции почв началось с момента их распашки (1955-1956 году) в период освоения целины и достигло катастрофических масштабов к 1965 году. Для борьбы с этим явлением в 1968-1970 году были созданы противодефляционные почвозащитные лесополосы. Они существуют и в настоящее время и играют важную роль в защите почв пахотных угодий от дефляции. К сожалению, их площадь недостаточна для эффективной борьбы с ветровой эрозией. Процессы дефляции продолжаются и сейчас, однако в значительно меньшей степени.

Водная эрозия. Несмотря на недостаточное климатическое увлажнение и слаборасчленённый рельеф, на модельной территории наблюдается образование и рост оврагов. Они локализуются в основном на пастбищах, прилегающих к озёрным котловинам. Развитие оврагов провоцируется деградацией растительного покрова под влиянием ненормируемой пастбищной нагрузки и колебаниями уровня воды в озёрах. Развитие водной эрозии оказывает негативное влияние на состояние пастбищных угодий и без того испытывающих значительные нагрузки. Смываемый материал поступает в озёра, что ускоряет обмеление и увеличение минерализации воды в них.

В рамках изучения педогенных индикаторов мы рассматриваем следующие уровни организации педосферы: ландшафтный, уровень почвенных комбинаций (ПК) и элементарных почвенных ареалов (ЭПА), горизонтно-профильный и ионно-молекулярный. Ландшафтный уровень исследования предполагает оценку изменений структуры и компонентного состава почвенного покрова в целом. Индикатором является увеличение площадей дефлированных и эродированных почв, а также изменение соотношений между естественными и антропогенно трансформированными почвами. На этом уровне основным методом изучения является картографирование эталонных полигонов на базе геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ). Мониторинг почвенного покрова и отдельных его компонентов проводится на основе сравнения серий разновременных космических снимков на территорию ключевых полигонов.

Для уровня ПК и ЭПА проводится мониторинг морфологии и морфометрии отдельных компонентов почвенного покрова. На этом уровне в качестве индикатора опустынивания перспективно изучение площадной динамики соровых солончаков и сильно засоленных почв.

Для проведения долговременных наблюдений в рамках программы мониторинга закладываются почвенно-геоморфологические (ландшафтные) профили, имеющие точные координатные привязки, а также проводится картографирование почвенного покрова эталонных полигонов с использованием ДДЗ. Мониторинг базируется на ДДЗЗ, также как для ландшафтного уровня, но объектами являются определенные ПК и ЭПА. Рекомендуемая периодичность наблюдений 5-7 лет.

На горизонтно-профильном уровне в качестве объектов мониторинга выступают свойства отдельных почвенных профилей и их горизонтов. Фиксируется изменение различных показателей (морфметрических, химических) как путем сравнения трансформированных почвенных профилей с эталонными ненарушенными (если это возможно), так и одних и тех же объектов, но в разное время. Примером индикаторов для этого уровня может служить дегумификация пахотных почв, которая диагностируется по уменьшению содержания органического углерода в почвах, мощности гумусового профиля и снижению запасов гумуса в почвенной толще в целом. Сюда же относятся такие индикаторы как скелетизация и опесчанивание почв.

Скелетизация - это аккумуляция скелета (частиц размером 1-3 мм) в верхних горизонтах почв - слое 0-5 или 0-10 см. Скелетизацию можно рассматривать как результат дефляции: выдувание тонких и мелких фракций и соответственно процентное увеличение более крупных фракций. Опесчанивание поставтоморфное - развитие природных комплексов при эоловом развевание слабозадернованных супесчаных (песчаных) почв с образованием стратифицированных эолово-аккумулятивных почв на эолово-аккумулятивных формах рельефа.

Изучение индикатора проводится на геокодированных точечных объектах -почвенных разрезах и профилях, имеющих точную координатную привязку по GPS. Почвенный профиль является объектом классификации почв, поэтому на данном уровне можно исследовать также классификационное разнообразие почв любой территории, но лучше всего проводить его на эталонных полигонах каждые 5 лет.

К ионно-молекулярному структурному уровню относятся исследования химических свойств и химического состава конкретного почвенного объекта и трансформация этих параметров во времени под влиянием различных циклических процессов. Это, прежде всего, галогеохимические характеристики: структура ионно-солевых профилей, состав поглощающего комплекса и твердых солей почв автономных и подчиненных ландшафтов, а также трансформация этих профилей под влиянием различных факторов. Методы исследования стандартные, однако почвенные объекты должны иметь точную координатную привязку по GPS. В этом случае результаты сравнительного анализа свойств почв в разные периоды времени могут быть корректными и

можно исключить влияние естественной пространственной вариабельности почвенных свойств. Необходимо провести первичные наблюдения за динамикой сначала ежегодно в течение 3-5 лет и затем повторять через 5 лет.

Проводить долговременные наблюдения всех уровней целесообразней на небольших по площади территориях - эталонных полигонах. Для проведения такого мониторинга в СО РАН создана сеть эталонных полигонов на территории Алтайского края и Новосибирской области. Каждый полигон снабжен базой геоданных, включающей геокодированные топографические карты, космические снимки различного пространственного разрешения. В базу геоданных входит также описание различных объектов наблюдения и атрибутивная информация к ним. Почвенный блок в базах геоданных представлен опорными почвенными разрезами, имеющими точную географическую привязку по GPS. Они характеризуют главные компоненты почвенного покрова, их морфологические и химические свойства. Для визуального дешифрирования космоснимков в границах 8 полигонов была проведена инвентаризация почвенно-ландшафтных рисунков, составлена библиотека изображений почвенных ареалов и комбинаций. Получены также спектральные характеристики на базе снимков Landsat ETM для некоторых почвенно-ландшафтных объектов (соровые солончаки, солонцы, дефлированные черноземы и пр.).

Для пространственной характеристики почвенного покрова составлены крупномасштабные почвенные карты, фиксирующие состояние современное почвенного покрова.

Таким образом, создана база для проведения долговременных наблюдений за состоянием почвенного покрова южной части Западной Сибири. На базе эталонных полигонов создана сеть эталонных почвенных объектов, для которых получена необходимая тематическая информация характеризующая актуальное состояние почв. Разработаны параметры, наиболее адекватно отражающие динамику трансформации почв и почвенного покрова под влиянием глобальных климатических изменений.

Работа выполнена при финансовой поддержке междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 14.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Конвенция Организации Объединённых Наций по борьбе с опустыниванием, 1994.

2. Куст Г.С. Опустынивание принципы эколого-генетической оценки и картографирования. - М.: Наука, 1999. - 362 с.

3. Виноградов Б.В. Динамика природных процессов и функционирование природных экосистем. - Вестник МГУ, Геогр. серия, 1997, № 5. - С. 92-105.

© Е.Н. Смоленцева, 2009