ОЦЕНКА ПРОЯВЛЕНИЙ ОПУСТЫНИВАНИЯ В АСТРАХАНСКОМ ЗАВОЛЖЬЕ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-27 ASSESSMENT OF DESERTIFICATION MANIFESTATIONS IN THE ASTRAKHAN VOLGA REGION ACCORDING TO REMOTE SENSING DATA

V. V. Doroshenko1, A. V. Melihova1

Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology of the RAS), Volgograd, Russia

Received 14.04.2023 Submitted 25.05.2023

This work was carried out within the framework of the state task of research in the FSC of Agroecology RAS № 122020100311-3 «Theoretical foundations offunctioning and natural-anthropogenic transformation of agroforestry landscape complexes in transitional natural-geographical zones, patterns and forecast of their degradation and desertification based on geoin-formation technologies, aerospace methods and mathematical cartographic modeling in modern conditions», НИР № 122020100405-9 «Cartographic modeling of the state, functioning and dynamics of the processes of desolate territories using information technologies»

Summary

The article presents the results of mapping of open sands and rock depressions on the territory of the Astrakhan Volga region for the period 2017-2022 using satellite imagery data and geoinformation methods.

Abstract

Relevance. The Astrakhan Volga region belongs to the dry-steppe and semi-desert zone, in connection with which deflation and desertification pose the greatest danger to this territory. The assessment of natural processes using off-site methods and remote sensing helps to reduce labor cost and makes it possible to opera-tively analyze large areas. The separation of open sands and sores makes it possible to clarify the assessment of the area of desertification. The materials obtained as a result of the work can be used in subsequent studies on mapping the dynamics of desertification processes, including in other regions. The aim of the study was to map open sands and sor depressions as key factors in assessing desertification in the Astrakhan Volga region. An object. The study area is characterized by flat terrain and insufficient humidification of the territory, which creates favorable conditions for the development of desertification and the formation of dust storms. The Krasnoyarsky and Kharabalinsky municipal districts of the Astrakhan region, which are located on the territory of the Northern Caspian Sea and are most susceptible to intensive desertification processes, have been selected for mapping. Materials and methods. Interpretation of open sands and sor depressions was carried out by the method of visual expert decoding using satellite images in a combination of "natural colors". The sor depressions were deciphered as of 2022, multispectral images of the Senti-nel-2 spacecraft with a spatial resolution of 10 m for August-September from 2017 to 2022 were used to decipher open sands. "QGIS" and MS "Excel" were used for data processing. Results and conclusions. As a result of the work, 24.1 thousand objects with a total area of about 500 thousand ha were allocated, including the sor depressions with an area of 8.9 thousand ha and 489.5 thousand ha of open sands. The trend towards an increase in the area of desertification associated with the intensification and increase in dust storms on the territory of the Astrakhan Volga region has been revealed.

Key words: Astrakhan Volga region, sors, sor depressions, desertification, remote sensing, geoinformation analysis.

Citation. Doroshenko V. V., Melihova A. V. Assessment of desertification manifestations in the astrakhan volga region according to remote sensing data. Proc. of the Lower Volga Agro-University Comp. 2023. 2(70). 239-246 (in Russian). DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-27.

Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

239

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 631.47

ОЦЕНКА ПРОЯВЛЕНИЙ ОПУСТЫНИВАНИЯ В АСТРАХАНСКОМ ЗАВОЛЖЬЕ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ

В. В. Дорошенко, магистр географических наук А. В. Мелихова

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук», г. Волгоград

Дата поступления в редакцию 14.04.2023 Дата принятия к печати 25.05.2023

Исследования проведены в рамках государственного задания ФНЦ агроэкологии РАН НИР № 122020100311-3 «Теоретические основы функционирования и природно-антропогенной трансформации агролесоландшафтных комплексов в переходных природно-географических зонах, закономерности и прогноз их деградации и опустынивания на основе геоинформационных технологий, аэрокосмических методов и математико-картографического моделирования в современных условиях», НИР № 122020100405-9 «Картографическое моделирование состояния, функционирования и динамики процессов опустыненных территорий с применением информационных технологий»

Актуальность. Астраханское Заволжье относится к сухостепной и полупустынной зоне, в связи с чем, дефляция и опустынивание представляют наибольшую опасность для данной территории. Оценка природных процессов с помощью камеральных методов и ДЗЗ способствует снижению трудоемкости и дает возможность оперативно анализировать большие площади. Разделение открытых песков и соров позволяет уточнить оценку площади опустынивания. Полученные в результате работы материалы могут быть использованы в последующих исследованиях по картографированию динамики процессов опустынивания, в т. ч. в других регионах. Целью исследования являлось картографирование открытых песков и соровых понижений как ключевых факторов оценки опустынивания в Астраханском Заволжье. Объект. Зона исследования характеризуется равнинным рельефом и недостаточным увлажнением территории, что создает благоприятные условия для развития опустынивания и формирования пыльных бурь. Для картографирования выбраны Красноярский и Ха-рабалинский муниципальные районы Астраханской области, которые располагаются на территории Северного Прикаспия и наиболее подвержены интенсивным процессам опустынивания. Материалы и методы. Дешифрирование открытых песков и соровых понижений проводилось методом визуального экспертного дешифрирования с использованием космических снимков в комбинации «естественные цвета». Соровые понижения дешифрированы по состоянию на 2022 год, для дешифрирования открытых песков использовались мультиспектральные снимки КА «Sentinel-2» с пространственным разрешением 10 м за август-сентябрь с 2017 по 2022 гг. Для обработки данных использовались «QGIS» и MS «Excel». Результаты и выводы. В результате работы выделено 24,1 тыс. объектов общей площадью около 500 тыс. га, включающие соровые понижения площадью 8,9 тыс. га и 489,5 тыс. га открытых песков. Выявлен тренд к увеличению площади опустынивания, связанный с усилением и учащением пыльных бурь на территории Астраханского Заволжья.

Ключевые слова: Астраханское Заволжье, соры, соровые понижения, опустынивание земель, дистанционное зондирование Земли, геоинформационный анализ.

Цитирование. Дорошенко В. В., Мелихова А. В. Оценка проявлений опустынивания в Астраханском Заволжье по данным дистанционного зондирования земли. Известия НВ АУК. 2023. 2(70). 239-246. DOI: 10.32786/2071-9485-2023-02-27.

Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении или анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились с представленным окончательным вариантом и одобрили его.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Введение. Астраханское Заволжье относится к сухостепной и полупустынной зоне, где проявление процессов деградации земель и опустынивания является особенно опасным. В связи с тем что в этой области почвы являются маломощными, развитие процессов опустынивания является быстро нарастающим и трудно обратимым процессом [7]. Поскольку Астраханское Заволжье относится к дефляционно-опасным территориям, избыточная антропогенная нагрузка часто приводит к вспышкам дефляции и образованию подвижных песков [2, 8]. В связи с этим необходимо выработать методику оперативного выявления критических участков с использованием доступных данных дистанционного зондирования Земли. Применение спутниковых данных позволяет значительно снизить временные затраты на выявление опасных участков, а также проводить оперативный мониторинг изменения площадей открытых песков после пыльных бурь, значительно участившихся в последние годы [12, 13]. Отсутствие на всей территории исследования значительных возвышений обусловливает сохранение максимальной энергии пыльных бурь и повышение урона от них [7].

При этом большое влияние на результат обработки мультиспектральных спутниковых данных при картографировании проявлений опустынивания оказывают соровые понижения, широко распространенные на территории Прикаспийской низменности. Соровое понижение (сор) представляет собой замкнутое бессточное понижение; как правило, дно соров покрыто солевой коркой, поэтому лишено растительного покрова [1, 9]. Автоматизированное отделение соров от открытых песков затруднено в связи со схожими спектральными характеристиками, при этом соры могут значительно повлиять на результаты оценки площадей опустынивания.

Целью исследования являлась оценка проявлений опустынивания и их динамики на территории Астраханского Заволжья, для чего поставлена задача провести картографирование открытых песков и соров за период с 2017 по 2022 год.

Территория исследования располагается на левом берегу р. Волги и административно относится к территории Красноярского и Харабалинского муниципальных районов Астраханской области. С запада она ограничена поймой р. Волги, с юга — дельтой р. Волги, с востока - государственной границей с Республикой Казахстан. Общая площадь исследованной территории 992 тыс. га. Большая часть зоны исследования находится ниже уровня моря и является преимущественно равнинной [7]. Климат в зоне исследования является засушливым, среднегодовая сумма осадков составляет 200 мм [6]. При этом наблюдается тенденция к усилению континентальности, т. е. снижению годовых сумм осадков в сочетании с повышением среднегодовых температур [11].

Результаты исследования позволят оценить развитие процессов опустынивания в Астраханском Заволжье и выявить участки наибольшего риска.

Материалы и методы. Выявление соровых понижений и открытых песков в зоне исследования проводилось методом визуального экспертного дешифрирования спутниковых снимков. Из имеющихся в свободном доступе материалов дистанционного зондирования Земли были выбраны мультиспектральные снимки КА «^епШе1-2» с пространственным разрешением 10 м. Для дешифрирования песков было составлено композитное изображение в «естественных цветах» (комбинация зеленого, красного и синего спектральных каналов), обеспечивающее достаточную контрастность для отделения открытых песков как от покрытых растительностью, распаханных и голых земель, так и от соровых понижений. Визуально соровые понижения отделяются от песков благодаря более светлому холодному цвету, а также гладкой текстуре и четким краям (рисунок 1). Также песчаные массивы, образовавшиеся в результате пыльных бурь, отличаются вытянутой формой, ориентированной соответ-

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

ственно направлению господствующих ветров на данной территории [4]. При этом было проведено уточнение границ соровых понижений, граничащих с песчаными массивами или частично засыпанных песком в результате пыльных и песчаных бурь, с использованием инфракрасного канала [1, 5].

Рисунок 1 — Соровое понижение и песчаный массив на спутниковом снимке «Sentinel-2»

Figure 1 - A sor depression and a sandy massif on the Sentinel-2 satellite image

Дешифрирование открытых песков проводилось с использованием космических снимков за август и сентябрь для обеспечения наибольшей контрастности в период 2017-2022 гг. [1]. Соровые понижения дешифрированы по состоянию на 2022 год в связи с их малой изменчивостью. Пространственная ориентация соровых понижений определялась как соотношение длины и ширины (автоматически рассчитанных долгот и широт крайних точек) [1, 5].

Для последующего анализа территория исследования была разбита на регулярные ячейки со сторонами 2 км. В атрибутивную таблицу ячеек с помощью оверлейных операций были внесены площади участков, занятых песками, с дифференциацией по годам. Динамика площадей открытых песков оценивалась как соотношение площадей по состоянию на 2017 г. и по состоянию на 2022 г.

Создание и редактирование векторных объектов, а также обработка данных дистанционного зондирования и оформление итоговых картографических материалов проводились в геоинформационном ПО «QGIS». Статистическая обработка данных проводилась в MS «Excel».

Результаты и обсуждение. По результатам дешифрирования данных дистанционного зондирования выявлено 3622 соровых понижения общей площадью 8,9 тыс. га. Средняя площадь объекта составляет 2,4 га, что свидетельствует о большом количестве

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

малых соров в зоне исследования (53,4 % всех соров имеют площадь до 1 га). При этом абсолютное большинство (71,4 %) соровых понижений имеет субширотную ориентацию, меньшая часть имеет субмеридиональную ориентацию (9,1 %) или не имеет выраженной пространственной ориентации (19,5 %). Это также позволяет отделять их от песчаных массивов, которые в большинстве случаев (61 % от общего количества) не имеют ярко выраженной ориентации в пространстве.

Дешифрирование материалов спутниковой съемки за период с 2017 по 2022 гг. позволило выявить 20,5 тыс. объектов, отнесенных к открытым пескам и очагам опустынивания (рисунок 2). общая площадь песков за весь период дешифрирования составила 489,5 тыс. га. При этом минимальный размер объекта ограничен разрешающей способностью спутникового снимка и составляет 0,02 га, т. е. два пикселя растрового изображения с пространственным разрешением 10 м, т. к. один пиксель не дает достаточно достоверной информации.

Рисунок 2 — Пространственное распределение открытых песков и соровых понижений в Астраханском Заволжье

Figure 2 - Spatial distribution of open sands and sediment depressions in the Astrakhan Volga region

Наибольшие площади песков в течение каждого года исследования, кроме 2017 г., были выявлены на территории Красноярского муниципального района. Распределение площадей песков по муниципальным районам и по годам показано на рисунке 3.

График демонстрирует снижение количества объектов, дешифрируемых как очаги опустынивания и массивы открытых песков при увеличении общей площади таких объектов. Это связано с тем, что после пыльных бурь появляются крупные (более 1 тыс. га) объекты, объединяющие множество мелких очагов опустынивания.

В течение рассматриваемого периода наблюдалась тенденция к росту общей площади открытых песков относительно первого года исследования (рисунок 4), при этом конфигурация очагов показывает, что большое количество участков с открытыми

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

песками является стабильными и слабо изменяющимися по площади очагами опустынивания или участками разбитых почв вокруг производственных или хозяйственных объектов. Наибольшие колебания площадей связаны с крупными (более 1 тыс. га) участками, покрытыми песками в результате песчаных бурь [12]. Такие участки занимают площадь 156,6 тыс. га за весь период исследования, что составляет 32,1 % от общей площади песков, при этом в количественном отношении их всего 38 (0,2 % от общего количества объектов).

Рисунок 3 - Пространственно-временное распределение песков (I - площадь песков в Красноярском районе, II - площадь песков в Харабалинском районе,

III - общее количество объектов)

Figure 3 - Spatial and temporal distribution of sands

Рисунок 4 — Схема динамики площадей открытых песков

Figure 4 - Diagram of the dynamics of the areas of open sands

244

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Поскольку выявлены значительные изменения площадей песков в каждой ячейке регулярной сетки, представляется целесообразным оценить повторяемость выявления открытых песков (рисунок 5). При этом учитывалась повторяемость объектов с площадью более 40 га, чтобы исключить влияние постоянных очагов опустынивания и антропогенных объектов.

Рисунок 5 — Схема повторяемости проявлений опустынивания с 2017 по 2022 гг.

Figure 5 - Pattern of recurrence of desertification manifestations from 2017 to 2022

На значительной части территории исследования (43 %) площадь открытых песков в каждой ячейке составляла 40 га и более только один раз за рассматриваемый период. Из них в 97 % случаев — в 2020 году, что позволяет предположить, что данные пески были принесены песчаными бурями и распределялись достаточно тонким слоем, что позволило за год сформироваться растительному покрову с достаточным проективным покрытием для изменения спектральных характеристик территории. Соровые понижения могут накапливать песок после песчаных бурь и впоследствии становиться источником материала для более поздних пыльных бурь. Но следует отметить, что в результате пыльных бурь возможен перенос семян, и после заполнения соровых понижений песком появляется возможность разрастания растительности, которое может привести к формированию полноценного фитоценоза [3, 5].

Сосредоточение участков с повторяемостью выявления крупных песчаных массивов 3-5 раз на юго-востоке области исследования, вдоль границы с Республикой Казахстан свидетельствует о наибольшем влиянии пыльных и песчаных бурь на данную территорию, т. к. конфигурация массивов в каждый год исследования значительно изменялась. В этой же области отмечена наиболее активная динамика площадей (рисунк 4).

Количество крупных объектов (более 40 га) значительно возросло в 2020 г. и позже, что соответствует данным других исследователей об увеличении частоты и интенсивности пыльных бурь на территории Западного Прикаспия в этот период, а также связанного с этим увеличения площадей открытых песков [10-12].

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Выводы. Общая площадь выявленных в результате дешифрирования материалов ДЗЗ проявлений опустынивания составила 489,5 тыс. га за период 2017-2022 гг., а также 8,9 тыс. га составляет площадь соровых понижений. Учет соров при картографировании динамики опустынивания необходим для уточнения площадей открытых песков и зон наибольшего риска.

Выявлен значительный рост площадей опустынивания с 2017 года, при этом полученные данные о конфигурации открытых песков и повторяемости их выявления свидетельствуют о значительном влиянии пыльных и песчаных бурь на динамику процессов опустынивания в Астраханском Заволжье.

Библиографический список

1. Берденгалиева А. Н., Дорошенко В. В. Пространственное распределение соровых понижений на юге европейской России по данным дистанционного зондирования // Научно-агрономический журнал. 2022. № 4 (119). С. 6-11.

2. Геоинформационный анализ опустынивания северо-западного Прикаспия / К. Н. Кулик, В. И. Петров, В. Г. Юферев, Н. А. Ткаченко, С. С. Шинкаренко // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26. № 2 (83). С. 16-24.

3. Глобальный климат и почвенный покров России: проявления засухи, меры предупреждения, борьбы, ликвидация последствий и адаптационные мероприятия (сельское и лесное хозяйство): Национальный доклад / под ред. Р. С.-Х. Эдельгериева. Москва: изд. «Издательство МБА», 2021. 700 с.

4. Дорошенко В. В. Геоинформационный анализ развития процессов опустынивания в Ставропольском крае // Научно-агрономический журнал. 2022. № 3 (118). С. 31-36.

5. Дорошенко В. В. Геоинформационное картографирование соровых понижений и солончаков в Ставропольском крае // Известия НВ АУК. 2022. № 4 (68). С. 553-561.

6. Календжян Т. В., Иолин М. М., Борзова А. С. Особенности климата Астраханской области // Современные проблемы географии: Межвузовский сборник научных трудов. Астрахань: Издательский дом "Астраханский университет", 2021. Т. 5. С. 125-128.

7. Кравченко А. С., Юферев в. Г., Шинкаренко С. С. Геоинформационный анализ ландшафтов астраханского Заволжья // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2017. № 4 (48). С. 154-163.

8. Лепеско В. В., Рыбашлыкова Л. П. Современное состояние и эколого-мелиоративное значение древесно-кустарниковых экосистем на закрепленных песках Астраханского Заволжья // Мелиорация. 2019. № 2 (88). С. 69-72.

9. Пищулов С. А. Соры как форма аридного рельефа // Геоморфология. 2013б. № 3. С. 89-96.

10. Спутниковый мониторинг процессов опустынивания на юге Европейской России в 2019-2022 гг. / С. С. Шинкаренко, С. А. Барталев, А. Н. Берденгалиева, В. В. Дорошенко // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 5. С. 319-327.

11. Тютюма Н. В., Булахтина Г. К. Проблема опустынивания аридной зоны Астраханской области в условиях изменения климата и повышенного антропогенного воздействия // Труды Института геологии Дагестанского научного центра РАН. 2016. № 67. С. 68-70.

12. Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Оценка площади опустынивания на юге европейской части России в 2021 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 4. С. 291-297.

13. Шинкаренко С. С., Барталев С. А. Последствия пыльных бурь на юге европейской части России в сентябре-октябре 2020 г. // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 17. № 7. С. 270-275.

Информация об авторах Дорошенко Валерия Витальевна, младший научный сотрудник лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов ФНЦ агроэкологии РАН (РФ, 400062, г. Волгоград, пр-т Университетский, 97), e-mail: doroshenko-vv@vfanc.ru

Мелихова Алина Владимировна, лаборант-исследователь лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов ФНЦ агроэкологии РАН (РФ, 400062, г. Волгоград, пр-т Университетский, 97), e-mail: melihova-a@vfanc.ru