Верификация прогнозной динамики деградации почвенного покрова с использованием космических снимков

УДК 631.4

ВЕРИФИКАЦИЯ ПРОГНОЗНОЙ ДИНАМИКИ ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ

Н.В. Стасюк, М.А. Цейц, М.В. Конюшкова, М.С. Маречек

Проведена верификация прогноза динамики деградации почвенного покрова, составленного при помощи системной обработки разновременных крупномасштабных почвенных карт и космических снимков с использованием матричной модели. Показана применимость критерия динамики изменения площадей типичных солончаков для оценки интенсивности процесса деградации.

Ключевые слова: почвенный покров, деградация, динамика, матричная модель, прогноз, верификация.

Введение

Многолетние исследования в дельте Терека показали, что рост площадей моногенных ареалов солончаков является индикатором усиления деградации почвенного покрова сельскохозяйственных земель и диагностируется по этому признаку. Здесь, как в естественных, так и в антропогенных условиях, изучена динамика этого процесса на примере изменения площадей луговых и типичных солончаков, определена его интенсивность.

По данным двухэтапного наземного картографического анализа, за последние 60 лет площади солончаков удвоились, а незасоленных и слабоза-соленных почв сократились с 60 до 4,4%. С ростом комплексности произошла смена пространственной организации почвенного покрова. Временными деградационными процессами охвачены почвы наименее засоленных в прошлом участков дельты — южного, юго-восточного и юго-западного. Таким образом, современное состояние почвенного покрова дельты может быть оценено, как близкое к критическому [4, 5].

В аллювиальном районе это преимущественно солончаки по 25—100 га, в приморском — такие же и крупнее. Регионально, например в южной части дельты (подрайон а1), идет формирование новых мелкоконтурных ареалов, в центральной дельте (западная часть подрайона а2) — моногенных ареалов площадью < 25 га, в северной части подрайона растут крупноконтурные ареалы (> 100 га); в северной части дельты (подрайон а3) также наблюдается увеличение числа крупноконтурных ареалов, в западной ее части (подрайон а4) — растут площади среднеконтурных ареалов; в приморской части дельты (подрайон трансгрессивной деградации в2) — увеличиваются мелкоконтурные ареалы, в древней части приморской равнины (подрайон в3) происходит нарастание моногенных ареалов солончаков площадью 25—100 га [6]. На основе дина-

мики изменения почвенного покрова был спрогнозирован ожидаемый на 2010 г. риск его деградации [1, 10].

Цель данной работы — верифицировать представленный нами ранее прогноз динамики деградации почвенного покрова приморской части дельты Терека.

Объекты и методы исследования

Ключевой участок слежения, исходной площадью 24 тыс. га, расположен в приморской части дельты Терека. Это территория отмершей, самой древней Куру-Терской речной системы, функционировавшей здесь в XVI в. Она отличается повсеместным глубоким залеганием сильноминерализованных грунтовых вод (глубже 3 м), комплексным и сильнозасоленным почвенным покровом с доминированием светло-каштановых почв и типичных солончаков. Преимущественное распространение имеют средне- и малопродуктивные многолетне-солянковые комплексы карганных, полынно-кар-ганных, карганно-мелколистно-сведовых, эфемерно-полынных и солянковых ассоциаций.

В составе почвенного покрова, по данным 1969 г., были распространены типичные солончаки (64,7%), светло-каштановые реликтово-гид-роморфные (21,2%), лугово-светло-каштановые (10,1%) и луговые (4,0%) почвы. Все типы почв имели гомогенные ареалы, но преобладали таковые, сформированные типичными солончаками (9,8%). Комплексы состояли преимущественно из типичных солончаков и засоленных светло-каштановых реликтово-гидроморфных почв. Почвенный покров отличался крупноконтурностью. Подавляющую часть участка (87%) занимали ареалы-комплексы со средней площадью >300 га, на остальной представлены преимущественно гомогенные ареалы средней площади около 75 га. Почвенные контуры в основном имели вытянутую форму южной и юго-восточной ориентации (таблица).

Изменение состава и структуры почвенного покрова

Почвы, % Засоление, % Пространственная организация почвенного покрова Индекс сложности Индекс контраст-ности Показатель деградации Показатель дина-мич-ности Показатель темпов деградации

светло-каштановые реликтово-гидро-морфные лугово-светло-каштановые луговые луго-во-болотные солончаки глубоко и неза-соленные высо-коза-соленные поверхностно засоленные сильно поверхностно засоленные

1969 г.

21,2 10,1 4,0 — 64,7 2,2 2,5 30,6 64,7 полупустынно-древнегидро-морфно-солон-чаковые комплексы (86%) с высоким содержанием солончаков и моногенные ареалы почв 6,3 21,6 24,0 — —

1989 г.

20,2 8,7 3,0 — 68,1 2,0 — 29,9 68,1 полупустынно-древнегидро-морфно-солон-чаковые комплексы (87%) с высоким содержанием солончаков и моногенные ареалы почв 6,3 21,9 32,3 0,8 0,2

Данные крупномасштабных карт 1989 г., составленных по аэрофотопланшетам, позволили установить слабые изменения почвенного покрова. Площади типичных солончаков и солончаковатых почв увеличились на 3,4 и 2,5% соответственно на фоне незначительного сокращения площадей луговых, лугово-светло-каштановых и светло-каш-

тановых реликтово-гидроморфных почв. В связи со стабилизацией засоления на 0,4% площади обнаружена трансформация гомогенных ареалов солончаков в комплексные и на 1% — деградация комплексных ареалов и их переход в гомогенные (таблица). Отмечается нарастание ареалов моногенных солончаков площадью 25 га. Особенности

Рис. 1. Схема динамики комбинаций засоления почвенного покрова приморской зоны [10]: 1 — типичные солончаки; доля типичных солончаков в комбинациях с солончаковыми почвами — 75% (2), 50% (3), 25% (4), 10% (5); 9 — глубокосолон-чаковатые, 12 — незасоленные почвы; над чертой — 1989 г., под чертой — 1969 г.

динамики засоления почвенного покрова определяли по изменению площадей комбинаций засоления (рис. 1).

Для прогнозирования засоления почв использовали вероятностную матричную модель (пространственная количественная оценка динамики структуры засоления), на основе которой составлены прогнозные матрицы комбинации засоления за два периода [7, 10, 12] и проведен его экстраполяци-онный прогноз. В экологии такое прогнозирование широко применяется для описания сукцесси-онных изменений в экосистемах, динамики болотных ландшафтов гумидной зоны и полупустынных ландшафтов [10, 12].

На ключевом участке установлены девять комбинаций засоления (1— 7, 11,17) в 1969 и восемь — в 1989 г. с сокращением площади комбинации 11. Запасы солей составляли 300—670 т/га в 4, 5, 6 и 50—90 т/га — в 7, 11, 17 комбинациях. Первые шесть комбинаций — солончаки (1) и солончаки с солончаковатыми почвами (2—6), в которых площадь солончаков уменьшается с 90 до 10% от комбинации 2 к 6. Комбинации 7, 11, 17 — солончаковые, солончаковатые и незасоленные почвы соответственно [5].

Матрица динамики комбинаций засоления составлена на основе разновременных крупномасштабных почвенных карт и карт засоления, а скорость их изменения послужила основой для расчета прогнозной матрицы изменений комбинаций засоления.

По данным прогноза, на изучаемом участке в 2010 г. следовало ожидать 11,5% моногенных ареалов солончаков, 55% комплексов с содержанием солончаков 75—90%, в комбинации преимущественно со светло-каштановыми и лугово-каштано-выми засоленными почвами, 4,1% комплексов с участием солончаков от 50 до 10—30%, с солончаковатыми и незасоленными почвами (рис.2). Объединенные группы комбинаций засоления, которые показаны на рисунке, представляют территории возможного использования в сельском хозяйстве. Так, категории 1, 2, 3 —трудномелиори-руемые земли, которые в дальнейшем могут пойти

12%

Рис. 2. Прогнозный состав комбинаций засоления почвенного покрова древней части приморской равнины (подрайона в3): 1 — типичные солончаки; доля типичных солончаков в комбинациях с солончаковыми почвами — 90% (2), 75% (3), 10—50% (4—6); 7 — солончаковые почвы

под пастбища с фитомелиорацией; категории 4, 5, 6 требуют средних по трудности мелиоративных мероприятий.

При оценке реальной деградации почвенного покрова в 2010 г. был использован снимок Landsat LT51690292010190MOR00, произведена кластеризация интегрального альбедо [2, 11] и оцифровка для расчета площадей солончаков по кластеру с его максимальным значением [3, 9].

По требованиям модели, изучение пространственной динамики засоления и ее прогнозирование необходимо вести в однотипных природных условиях в начальный период прогноза и при дальнейшей верификации. Современная динамика уровня Каспийского моря (регрессивного и трансгрессивного) влияет на динамику и точность прогноза изменений почвенного покрова и его засоления. Наши длительные исследования в Терско-Кумской низменности [8, 9] установили наличие влияния изменений уровня моря на изменение состава и засоления почвенного покрова. Регрессия способствует нарастанию процессов засоления, деградации и опустынивания, трансгрессия — наоборот, трансформации почвенного покрова в заболоченные солончаковые почвы. Поэтому при верификации прогноза засоления природные условия должны быть идентичными прежним. За последние 40 лет с момента построения прогноза засоления на Каспийском море сменились три уровневые фазы его состояния: регрессивная — до 1987 г., трансгрессивная — до 1995 и слабая трансгрессивная — после 1995 г. В связи с некоторым измене-

Рис. 3. Карта-схема верификации структуры засоления почвенного покрова древней части приморской равнины (подрайон в3) в связи с трансгрессией моря: 1 — песчаная коса под водой с локальными ареалами болотных засоленных почв, 2 — обсыхающая территория с луговыми засоленными, светло-каштановыми реликтово-луговыми засоленными почвами и типичными солончаками, 3 — территория, не затронутая влиянием трансгрессии моря с солончаками типичными

нием природно-антропогенных условий на территории ключевого участка, с удлинением протяженности оросительных каналов на сопредельных с ним территориях и с ростом в последние годы здесь крупных рисоводческих хозяйств, произошли изменения в почвенном покрове. Затоплению подверглись северная часть ключевого участка (связано с разливом Таловки), локальные пониженные участки приморского побережья и вытянутая полоса приморских песчаных кос. Их суммарная площадь довольно значительна. Дешифрирование космического снимка обнаружило на части ключевого участка, не затронутого повышением уровня моря, 17,2% типичных солончаков (рис. 3).

Таким образом, составленный на 2010 г. прогноз динамики засоления подтверждается для авто-морфной части ключевого участка — приморской террасы. Используемая нами матричная модель может применяться и далее для прогноза деградации при условии однотипного обводнения территории. Превышение более чем на 5% прогнозируемой

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аавиксоо К.Д., КадарикХ.Р. Динамика болотных ландшафтов и достоверность прогноза их развития // Экология. 1989. № 4.

2. Конюшкова М.В. Картографирование почвенного покрова и засоленности почв солонцового комплекса на основе цифрового анализа космической съемки (на примере района Джаныбекского стационара): Автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. М., 2010.

3. Сидорова В.А., Святова Е.Н., Цейц М.А. Пространственное варьирование свойств маршевых почв и их влияние на растительность (Кандалакшский залив) // Почвоведение. 2015. № 3.

4. Стасюк Н.В. Динамика почвенного покрова дельты Терека. М.; Махачкала, 2005.

5. Стасюк Н.В. Почвенный покров дельты Терека: современное состояние, временные изменения и прогноз: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 2001.

6. Стасюк Н.В. Региональный почвенный мониторинг. М., 2009.

площади деградации можно объяснить изменившимися условиями, вызванными дополнительным подпитыванием грунтовых вод засоленными морскими, повышением их уровня, что показано ранее непосредственным изучением влияния трансгрессии на почвенный покров, и изменением обводненных площадей.

Выводы

• Верификация прогноза динамики деградации почвенного покрова, определяемая по изменению площадей типичных солончаков, меняется незначительно вследствие трансгрессии моря. Матричная модель может и впредь быть использована для прогноза соленакопления, но при таких же условиях увлажнения территории.

• Для полной характеристики прогнозной динамики необходима дополнительная актуализация всех исходных категорий засоления с помощью наземных почвенных съемок тестовых участков.

7. Стасюк Н.В., Быкова Е.П., Буйволов Ю.А. Засоление почв и состав фитоценозов в дельте Терека // Аридные экосистемы. 1999. № 10.

8. Стасюк Н.В., Добрынин Д.В. Оценка динамики опустынивания почвенного покрова низменных территорий Дагестана с использованием космических снимков // Почвоведение. 2013. № 7.

9. Стасюк Н.В., Добрынин Д.В., Цейц М.А. Аэрокосмический мониторинг динамики почвенного покрова // Тез. докл. VI съезда Об-ва почвовед. им. В.В.Докучаева. Т. 3. Петрозаводск, 2012.

10. Стасюк Н.В., Кожевин П.А. Прогноз динамики структуры почвенного покрова приморской зоны дельты Терека // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1994. № 3.

11. Forgy E.W.Cluster analysis of multivariate data: efficiency versus interpretability of classifications // Biometrics. 1965. Vol.21.

12. Usher M. Modelling successional processes in ecosystems // Colonization, succession and stability. Oxford, 1987.

Поступила в редакцию 25.04.2017

VERIFICATION OF PREDICTED DYNAMICS

OF SOIL DEGRADATION USING SATELLITE IMAGERY

N.V. Stasuk, M.A. Tseyts, M.V. Konushkova, M.S. Marechek

Verification of predicted dynamics of soil degradation was made using a matrix model, system processing of multi-temporal large scaled soil maps and satellite images. We showed the potential for the use of the criterion of the dynamics of typical solonchaks' areas for assessing the intensity of soil degradation.

Key words: soil cover, degradation, dynamics, matrix model, prediction, verification.

Сведения об авторах

Стасюк Надежда Васильевна, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. Цейц Михаил Александрович, ст. препод. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им.М.В.Ломоносова. E-mail: zeits@soil.msu.ru. Конюшкова Мария Валерьевна, канд. биол. наук, науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: konyushkova@gmail.com. Маречек Мария Светославовна, канд. биол. наук, вед. спец. «СКАНЭКС». E-mail: mmarechek@scanex.ru.