ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ МЕТОДАМИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

АГРОНОМИЯ

DOI: 10.25930/0372-3054/001.1.13.2020 УДК 631.6.02:528.8

ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ МЕТОДАМИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

С.А. Антонов

В статье рассмотрены подходы к оценке пространственного положения защитных лесных насаждений методами ГИС-технологий. Защитные лесные насаждения выполняют важную защитную функцию, снижая негативное воздействие засух, суховеев и пыльных бурь, что актуально на фоне региональных особенностей изменения климата в Ставропольском крае. Исследования проводились на территории Буденновского (засушливая зона) и Изобильненского районов (зона неустойчивого увлажнения). Используя данные дистанционного зондирования Земли, было проведено уточнение площади пашни и установлено, что в Буденновском районе защитная лесистость пашни находится ниже рекомендованного уровня, при этом в Изобильненском районе она находится на оптимальном уровне. Анализ пространственного положения защитных лесных насаждений позволил выявить неоптимальность их размещения на территории Буденновского района: только 5% основных защитных лесных насаждений располагаются на рекомендованных расстояниях относительно друг друга. Анализ положения основных защитных лесных насаждений Буденновского района в зависимости от направления господствующих ветров показал, что 90% из них расположены не оптимально, снижая свою эффективность на 15-35%. Отмечается высокая достоверность результатов, полученных при использовании данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий для пространственного анализа защитных лесных насаждений. Результаты исследования свидетельствуют о наличии проблем в системе защитных лесных насаждений отдельных районов Ставропольского края. Предложенные подходы могут быть эффективно использованы для пространственного анализа защитных лесных насаждений и послужить основой для проведения работ по восстановлению существующих и проектированию новых защитных лесных насаждений.

Ключевые слова: защитные лесные насаждения, дефляция, ГИС-технологии, данные дистанционного зондирования Земли, пространственный анализ

APPROACHES TO ASSESSING THE SPATIAL POSITION OF

PROTECTIVE FOREST PLANTATIONS BY GIS (GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM) TECHNOLOGIES

S.A. Antonov

The article considers approaches to the assessment of the protective forest plantations spatial position using GIS technologies. Protective forest plantations perform an important protective function, reducing the negative impact of droughts, dry winds and dust storms, which is relevant against the background of regional features in climate change on the Stavropol Territory. The studies were carried out on the territory of the Budennovsky (arid zone) and Izobilnensky (unstable moistening zone) districts. Using the remote sensing data of the Earth, arable land area was clarified, and it was established that in the Budennovsky district

the protective forestation of the arable land is below the recommended level, while in the Izo-bilnensky district it is at the optimal level. The spatial analysis of the protective forest plantations made it possible to identify the non-optimality of their location on the territory of the Budennovsky district. In the Budennovsky district, only 5% of the main protective forest stands are located at recommended distances relative to each other. The position analysis of the main protective forest plantations in the Budennovsky district depending on the direction of the prevailing winds showed that 90% of them are not optimally located, reducing their effectiveness by 15-35%. High reliability of the results obtained using remote sensing data of the Earth and GIS technologies for spatial analysis of protective forest plantations is noted. The results of the study indicate the existing problems in the system of protective forest plantations in certain areas of the Stavropol Territory.

The proposed approaches can be effectively used for spatial analysis of protective forest plantations and serve as the basis for restoration of existing and designing new protective forest stands.

Key words: protective forest plantations, deflation, GIS technology, remote sensing data of the Earth, spatial analysis

Введение. Защитные лесные насаждения (ЗЛН) имеют важное экологическое значение особенно для аграрных регионов, в которых значительный объем составляет продукция растениеводства. ЗЛН способствуют улучшению температурного, водного и питательного режимов при возделывании сельскохозяйственных культур. Ставропольский край является одним из ключевых аграрных регионов России по объему зерна и лидером по получению высококачественного зерна. Сложность сохранения лидирующих позиций обусловлена тем, что территория края представлена различными почвен-но-климатическими условиями, которые имеют четко выраженную зональность от крайне засушливых на востоке до неустойчиво влажных в предгорьях Северного Кавказа.

Современные региональные тенденции изменения климата в Ставропольском крае являются благоприятными для возделывания озимых зерновых культур [1]. Однако отмечается тревожная тенденция роста засушливости отдельных месяцев (июнь, август) и высокой вероятности (16-40%) возникновения атмосферной засухи продолжительностью 2-4 месяца в крайне засушливой и засушливой зонах Ставропольского края.

Каркас из защитных лесных насаждений, заложенный на основании научно обоснованных рекомендаций, позволяет значительно снижать негативное воздействие засух, суховеев и пыльных бурь на рост и развитие сельскохозяйственных культур, а также бороться с дефляцией. Многолетние данные, полученные в ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии и комплексных мелиораций и защитного лесоразведения» РАН, свидетельствуют о высокой эффективности ЗЛН в различных почвенно-климатических зонах. Для пашни, находящейся под защитой ЗЛН, средняя урожайность в степной зоне выше на 14-24%, а в зоне сухой степи - на 24-31% [2].

Поскольку ЗЛН являются пространственно-координированными объектами, для их дешифрирования и оценки пространственного положения целесообразно использовать данные дистанционного зондирования Земли и геоинформационные технологии (ГИС).

В России ГИС начали активно развиваться только в 90-х годах прошлого века. В настоящее время исследование природных экосистем невозможно без использования ГИС-технологий. Важным толчком для развития ГИС послужил ускоренный рост вычислительных мощностей компьютеров.

В начале 90-х годов начинается использование ГИС в лесоустройстве с целью повышения эффективности лесоустроительного проектирования и оперативного мониторинга изменений, происходящих в лесном фонде, который в настоящее время насчитывает около 2,8 млн га защитных лесных насаждений [3, 4, 5].

Подходы к дистанционному мониторингу ЗЛН претерпели значительные изменения, начиная с методических подходов ВО «Леспроект» (1986 г.) и ВНИАЛМИ (1991 г.) [6]. В 2003 г. под руководством К.Н. Кулик было разработано методическое пособие по применению информационных технологий в агролесомелиоративном строительстве [7]. В настоящее время предложенные методические подходы необходимо корректировать с учетом развития технологии получения данных дистанционного зондирования Земли и подходов к их геоинформационному анализу.

Оценка современного пространственного положения ЗЛН позволит сделать вывод об их эффективности согласно методическим рекомендациям по проектированию ЗЛН [2, 8].

Материал и методы исследований

Научно-исследовательская работа проводилась на базе лаборатории ГИС-технологий ФГБНУ «Северо-Кавказский ФНАЦ».

В качестве исходных данных нами были использованы мультиспектральные снимки со спутника WorldView-3 (2019 г.), на основании которых осуществлялось дешифрирование и векторизация ЗЛН. В качестве основных дешифровочных признаков были использованы цвет, текстура, форма, тень [9].

Исследования были проведены в 2 административных районах - Изобильнен-ском и Буденновском (рис. 1).

Рисунок 1 - Районы исследования.

Буденновский район расположен в засушливой зоне Ставропольского края со среднегодовой температурой 10,8°С, суммой активных температур 3725°С, годовой суммой осадков 434 мм и гидротермическим коэффициентом 0,73 [10]. Здесь преобладают светло- и темно-каштановые почвы. Отличительной особенностью района является высокий процент распаханности территории - 78% (суммарная площадь пашни составляет 242751 га).

Изобильненский район является типичным представителем зоны неустойчивого увлажнения со среднегодовой температурой 11°С, суммой активных температур 3590°С, годовой суммой осадков 626 мм и гидротермическим коэффициентом 1,06 [10]. Изобильненский район относится к территориям со средней степенью распаханности территории (62%) и суммарной площадью пашни 120310 га. В почвенном покрове района преобладают черноземы обыкновенные.

В качестве основных показателей оценки пространственного положения защитных лесных насаждений для защиты пашни от дефляции нами были использованы: процент защитной лесистости (облесенности) пашни, процент основных (продольных) полезащитных лесных полос, расстояние между ними и их отклонение относительно перпендикулярного направления вредоносных ветров, которое не должно превышать 30° [2, 8].

Результаты исследований и их обсуждение. На основании данных дистанционного зондирования Земли установлено, что площадь всех ЗЛН- насаждений в Буденновском районе составляет 8096 га, при общей протяженности 3321 км, в Изобильнен-ском районе несколько меньше - 6835 га и 2357 км соответственно.

При расчете защитной лесистости пашни были использованы значения площади пашни на основе результатов дистанционного мониторинга в 2015 г., который показал превышение фактической площади пахотных земель относительно статистических показателей. Так, для Буденновского района это превышение составляет 24951 га, Изобильненского - 4410 га, что может свидетельствовать о фактах незаконной распашки пастбищ и сенокосов. Обычно сенокосы и пастбища располагаются на малопригодных для выращивания продукции растениеводства землях, на склонах, которые не всегда могут быть защищены приовражными или прибалочными ЗЛН. Увеличение площади пашни закономерно приводит к снижению ее защитной лесистости.

Защитная лесистость Буденновского района составила 3,1%, что ниже уровня в 3,8-4,8%, рекомендованного ФГБНУ «Федеральный научный центр агроэкологии и комплексных мелиораций и защитного лесоразведения» для сухостепной зоны, в то время как защитная лесистость Изобильненского района составляет 5,7%, при рекомендованном уровне для лесостепной и степной зоны 2,3-3,6%.

На долю основных полезащитных лесных насаждений приходится 60% от всех ЗЛН в Буденновском районе и 56% - в Изобильненском районе. Основные ЗЛН являются ключевым элементом в борьбе с дефляцией. Согласно рекомендациям по агролесомелиоративному обустройству территории, основные ЗЛН необходимо размещать на определенном расстоянии друг относительно друга, которое зависит от генетических особенностей почв (табл. ) [2].

На территории Буденновского района с темно-каштановыми почвами расстояние не должно превышать 350 м, светло-каштановыми - 250 м. Пространственный анализ расстояний между основными ЗЛН показал, что только 5% основных ЗЛН в Буденновском районе соответствуют данному условию. Для территории Изобильненского райо-

на с преобладанием обыкновенных черноземов расстояние между основными ЗЛН не должно превышать 500 м, данному условию соответствуют 72% ЗЛН.

Таблица - Рекомендованные расстояния между основными ЗЛН

Тип и подтип почв Расстояние

Серые лесные, выщелоченные черноземы 600

Типичные и обыкновенные черноземы 500

Южные черноземы 400

Темно-каштановые 350

Светло-каштановые 250

При несоблюдении рекомендованных расстояний может быть нарушен эффект целостной системы и ЗЛН будут рассматриваться как отдельно стоящие, что значительно снижает эффективность ЗЛН в борьбе с дефляцией, пыльными бурями и суховеями.

По данным Ставропольского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, в Буденновском и Изобильненском районах преобладают ветры восточного направления (рис. 2).

Пространственный анализ отклонения основных ЗЛН Буденновского района от перпендикулярного направления вредоносных ветров, которое не должно превышать 30°, показал, что только 10% основных ЗЛН удовлетворяют данному условию, отклоняясь от перпендикуляра на 24°, а отклонение остальных 90% превышает 30°. Полученные результаты свидетельствуют о снижении противодефляционной функции у 90% основных ЗЛН на 15-35%, что требует уменьшения рекомендованного расстояния между основными ЗЛН с целью повышения эффективности защитной функции. Буденновский с

Рисунок 2 - Розы ветров районов исследования.

При этом на территории Изобильненского района все основные ЗЛН расположены перпендикулярно относительно направления господствующих ветров с отклонением от перпендикуляра в отдельных случаях, не превышающим 10°.

На основании полученных результатов можно сделать вывод о высокой эффективности ЗЛН в борьбе с дефляцией в Изобильненском районе, при этом в Буденновском районе ситуация вызывает серьезные опасения и требует не только восстановле-

ния существующих, но и проектирования новых ЗЛН, отвечающих методическим требованиям.

Таким образом, использование данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий позволяет не только получить объективные результаты при проведении пространственного анализа основных ЗЛН (которые позволяют выявлять возможные проблемы в системе ЗЛН отдельных районов Ставропольского края), но и послужить основой для проведения работ по восстановлению существующих и проектированию новых ЗЛН.

Литература

1. Желнакова Л.И., Антонов С.А. Современные тенденции изменения климата в Ставропольском крае //Проблемы интенсификации и экологизации земледелия России: материалы научно-практической конференции 14-15 июня 2006 г. - Донской НИИСХ: Рассвет, 2006. С. 535-539.

2. Родин А.Р. Лесомелиорация ландшафтов: учебник /А.Р. Родин, С.А. Родин, С.Б. Васильев, Г.В. Силаев /под общ. ред. А.Р. Родина. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2014. 192 с.

3. Трейфельд Р.Ф., Филиппов Ю.В. Геоинформационные системы в российском лесоустройстве //Лесное хозяйство. 1998. №2. С. 43-45.

4. Иванов А.Л., Кулик К.Н. Агролесомелиорация. - 5-е изд., перераб. и доп. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2006. 746 с.

5. Черных В.Л. Проблемы внедрения новых информационных технологий в лесную отрасль //Лесное хозяйство. 2001. № 2. С. 38-39.

6. Павловский Е.С., Кулик К.Н., Петров В.И. и др. Применение аэрокосмических методов в агролесомелиорации: методические рекомендации. - М.: ВАСХНИЛ, 1991. 56 с.

7. Кулик К.Н. и др. Применение информационных технологий в агролесомелиоративном картографировании: метод. пособ. - М.: Россельхозакадемия, 2003. 46 с.

8. Павловский Е.С., Бабенко Д.К., Лабазников Б.В. и др. Ведение хозяйства в полезащитных лесных полосах: методические рекомендации. - Краснодар, 1981. 40 с.

9. Харин Н.Г. Дистанционные методы изучения растительности. - М.: Наука, 1975. 132 с.

10. Антонов С.А. Тенденции изменения засушливости вегетационного периода на территории Ставропольского края //Земледелие. 2013. № 5. С. 3-6.

Антонов Сергей Анатольевич - кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией ГИС-технологий ФГБНУ «СевероКавказский федеральный научный аграрный центр», Российская Федерация, Ставропольский край, г. Михайловск, Тел.: +79034093827, E-mail: santosb@mail.ru

Antonov Sergey Anatolevich - Candidate of Geographical Sciences, Leading Researcher, Head of Laboratory for GIS technology, FSBSI «North Caucasus Federal Agricultural Research Center», Russia, Stavropol Territory, Mikhailovsk, Tel.: +79034093827, Email: santosb@mail.ru