Геоинформационный анализ использования земель аридных территорий для сельскохозяйственного производства

УДК. 528:634.958 Э01: 10.34736/РМС.2020.109.2.003.19-24

Геоинформационный анализ использования земель аридных территорий для сельскохозяйственного производства

В.Г. Юферев, д.с.-х.н., г.н.с., зав. лаб. - лаборатория геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов - ФНЦ агроэкологии РАН, г. Волгоград, Россия

Использование земель сельскохозяйственного назначения как ресурса по производству продуктов питания имеет большое значение для обеспечения продовольственной безопасности государства. К настоящему времени меняется структура использования земель, особенно на аридных территориях. Сложность климата, недостаточное увлажнение, низкое плодородие и засоленность почв не обеспечивают условий гарантированного выращивания продукции, производство становится нерентабельным. Многолетнее нерациональное использование таких земель привело к деградации пашни, выносу питательных веществ, дефляции, водной эрозии и засолению. Посевные площади повсеместно не обрабатываются, зарастают травянистой рудеральной растительностью и кустарниками. Общий обзор аридных территорий на примере Прикаспийской низменности показывает значительное снижение обрабатываемых площадей богарных

Земля, природный ресурс, локализованный в пространстве, характеризуется приуроченностью к определенному ландшафту с присущим ему рельефом, почвой, растительностью, гидрологическими и климатическими условиями, а также растительным и животным миром. В тоже время это главное средство агарного производства, где развиваются и размещаются объекты хозяйства. Использование земельных ресурсов для земледелия, сложившееся в настоящее время, - нерационально, особенно для территорий с выраженной аридностью климатических условий. Антропогенная трансформация естественных ландшафтов, вызванная расширением посевных площадей в середине 20 века, привела к ряду негативных процессов, особенно районов полупустынной и пустынной природно-территориальных зонах. В условиях низкой продуктивности солонцов, каштановых, светло-каштановых и бурых почв, небольшой мощности гумусированного слоя почвы их распашка привела к резкой деградации и, соответственно, к потере продуктивности. В настоящее время продолжается процесс сокращения площадей обрабатываемых земель, особенно малопродуктивных, малогумусных и требующих больших капитальных вложений для поддержания их плодородия. Такая ситуация в условиях недостаточного увлажнения атмосферными осадками обусловила экономическую нецелесообразность использования таких земель для растениеводства. Задачей исследований являлось определение площадей полей, выведенных по разным причинам из использования. Новизна исследований заключает-

пахотных земель. Особенно остро проблема проявляется в непосредственной близости от орошаемых участков на солонцах и солонцовых почвах. Проведенные исследования на тестовом полигоне «Колобовка», репрезентативном для рассматриваемых условий, показали, что более 5 тыс. га пашни выведены из использования. Ретроспективный анализ космоснимков показал, что последняя попытка ее обработки была в 2013 году. То есть уже 7лет земли не используются в качестве пахотных и зарастают. В июле 2016 года на полигоне отмечен крупный ландшафтный пожар, горела сухая растительность. Последствия пожара просматриваются до 2018 года. В результате пахотные земли оказались не востребованными по назначению.

Ключевые слова: земли сельскохозяйственного назначения, почва, растительность, космоснимки, космокарта

ся в использовании аэрокосмической информации и геоинформационных технологий для выявления площадей и пространственной локализации неиспользуемых для земледелия полей.

Методы и методика. Основным методом выявления использования земель в аридных агролан-дшафтах является метод дистанционного зондирования. Применение геоинформационных систем для анализа состояния агроландшафтов является основой геоинформационных технологий для создания электронных тематических карт. Такие карты, являясь тематической моделью процессов [1, 2], обеспечивают возможность отображения существующего состояния земель сельскохозяйственного назначения.

Для геоинформационного картографирования состояния агроландшафтов в среде ГИС создается пространственная база данных, состоящая из растровых и векторных тематических слоев. Эти слои включают векторные слои с границами исследуемых сельхозугодий, растровые космические карты, и растровые карты их состояния [3, 4].

Для геоинформационного анализа и реализации обработки пространственных данных используется программный комплекс QGIS 3.12, распространяемый свободно. Рельеф угодий учитывается за счет использования глобальной цифровой модели местности SRTM 3. В процессе применения геоинформационной обработки пространственных данных и построения векторных контуров автоматически вычисляются площадь, длина периметра и геоморфологические характеристики объектов, которые заносятся в соответствующие таблицы

атрибутов.

Космоснимки в настоящее время являются основным источником объективной информации [5] об объектах изучения. При анализе необходимо выделить основные параметры, отражающие состояние объекта, и выработать критерии для его численного определения [6].

Наиболее доступными для большинства исследователей являются космоснимки со спутников «Sentinel 2», «Landsat-8» или «Landsat-7» [7], позволяющие проводить весь комплекс исследований, связанных с получением информации о состоянии сельскохозяйственных угодий. На основе анализа и классификации космокарт создаются планы исследуемых участков и тематические карты.

Анализ изображения на космоснимках базируется на законах отражения излучения объектами и использует тон изображения в качестве признаков их состояния в соответствии с морфологическими характеристиками [8, 9]. В связи с этим де-шифровочные признаки, которые могут отражать состояние сельскохозяйственных земель, должны отличаться контрастным изображением, отличающимся от окружающих объектов [10], и иметь плотную корреляцию с их состоянием.

Пашня легко дешифрируется по космосним-кам и обычно имеет большую площадь. Пашня,

как правило, разделена на поля, отделенные друг от друга технологическими проездами или полевыми дорогами, а также лесными насаждениями. Эти поля могут быть покрыты сельскохозяйственными культурами или нет. В период, соответствующий работам по вспашке, поля не покрыты растительностью. Разрешение космоснимка для исследований пашни выбирается от 1 до 15 м.

Результаты и обсуждения. Актуальность анализа использования богарной пашни для выращивания сельскохозяйственной продукции на аридных территориях обусловлена процессами вывода из оборота больших площадей сельскохозяйственных угодий. В связи с этим возникла необходимость определения пространственного размещения неиспользуемых полей и уточнения их характеристик с использованием геоинформационных технологий.

Для изучения уровня использования богарной пашни разработана локальная ГИС, которая используется для реализации технологии дистанционной оценки объектов сельскохозяйственной инфраструктуры, в том числе, для изучения использования пашни и выделения контуров полей. В результате на основе космоснимка сверхвысокого разрешения разработана космокарта тестового полигона (рисунок 1).

] граница тестового участка

Рисунок 1 - Обзорная космокарта тестового полигона «Колобовка»

Полигон исследований выделен из мозаики, представленной сервисом World Imagery [11], предоставляет глобальное покрытия спутниковыми снимками и аэрофотоснимками разрешением один метр или лучше. Снимки с разрешением 1 метр доступны со спутников GeoEye и IKONOS. В нашем случае использована мозаика спутника

GeoEye от 25.05. 2019. По снимку хорошо дешифрируются поля со следами обработки почвы и технологическими полевыми дорогами. Для исследований на тестовом полигоне было выделено 14 полей общей площадью 5658,0 га, неиспользуемых в настоящее время (рисунок 2).

| границы полей тестового участка Рисунок 2 - Тестовый полигон «Колобовка» с выделенными участками неиспользуемой пашни

Геоинформационный анализ геометрических пространственных и геоморфологических характеристик (характеристики полей приведены в таблице 1) показал, что максимальная крутизна склона не превышает 1,9° (поле 1), а средняя -0,7°, что свидетельствует о равнинном характере рельефа территории. В связи с этим на полях не отмечено наличие эрозионной деградации, несмотря на наличие водотоков с глубиной вреза более 15 м (ерик Царевочка). Таким образом, установлено, что геоморфологические условия благоприятны для производства сельскохозяйственной продукции.

Все поля расположены в почвенных контурах солонцов со светло-каштановыми почвами суглинистого, тяжелосуглинистого и глинистого гранулометрического состава. Содержание гумуса невелико, не превышает 2%, высокое содержание обменного натрия (более 20% от суммы) может угнетать растения. В связи с наличием вблизи орошаемых полей вероятно увеличение концен-

трации натрия в плодородных горизонтах. Такая ситуация может привести к выводу этих полей из использования.

Анализ разновременных космоснимков показал, что последняя частичная обработка полей была проведена в 2013 году. В последующие годы пашня не использовалась (рисунок 4). Космоснимок 2003 года показывает, что не используется 1054,6 га -это поля 4,8, 9, 10. Уже к 2013 году обрабатываемая площадь сократилась до 254,4 га.

После 2013 года не отмечено полевых работ на всех полях. В июле 2016 года на территории полигона прошел ландшафтный пожар, результаты которого отмечены на снимках 2017 и 2018 года (не представлен). Снимок 2019 года показывает освоение территории травянисто-кустарниковой растительностью.

Анализ почвенных условий проводился в среде ГИС по векторной почвенной карте (рисунок 3) с учетом приуроченности полей к почвенным контурам.

солонцы со светло-каштановыми

151

солонцы со светло-каштановыми

152

солонцы со светло-каштановыми

153

каштановые с солонцами 110

почвы оврагов и балок 76

границы полей тестового участка

Рисунок 3 - Почвенная карта тестового полигона «Колобовка» со схемой размещения полей Таблица 1 - Геометрические и геоморфологические характеристики полей

Наименование объекта Площадь, га Средняя вы-сота, м Средняя крутизна, ° Максимальная высота, м Максимальная крутизна, ° Минимальная высота, м Стандартное отклонение высоты, м Стандартное отклонение крути-зны,°

Поле 1 378,1 8,7 0,6 12,0 1,9 4,0 1,6 0,3

Поле 2 367,8 9,0 0,5 12,0 1,3 3,0 1,9 0,2

Поле 3 242,0 9,8 0,5 13,0 1,3 4,0 2,1 0,2

Поле 4 845,5 12,4 0,4 15,0 1,3 5,0 1,1 0,2

Поле 5 693,0 14,1 0,5 17,0 1,7 11,0 0,7 0,2

Поле 6 717,2 14,7 0,4 17,0 1,7 12,0 0,7 0,2

Поле 7 883,9 13,6 0,4 17,0 1,3 10,0 1,0 0,2

Поле 8 46,5 6,2 0,5 11,0 1,5 4,0 1,2 0,2

Поле 9 66,3 7,0 0,7 12,0 1,7 3,0 2,0 0,2

Поле 10 96,4 7,6 0,7 13,0 1,6 3,0 2,6 0,2

Поле 11 195,0 8,8 0,6 14,0 1,5 2,0 2,9 0,2

Поле 12 286,2 9,5 0,5 14,0 1,3 3,0 2,1 0,2

Поле 13 269,4 6,2 0,6 10,0 1,6 1,0 1,7 0,3

Поле 14 570,7 15,5 0,3 18,0 1,0 13,0 0,7 0,2

2003 2013

Рисунок 3 - Изменения в использовании пашни 2003-2019 г.

Выводы.

Таким образом, исследования использования земель сельскохозяйственного назначения для выращивания сельскохозяйственных культур показали резкое сокращение богарной пашни в условиях сухой степи и полупустыни на малопродуктивных землях. Проведенный геоинформационный анализ пахотных земель на тестовом полигоне «Ко-лобовка» позволил установить пространственное размещение, геоморфологические и почвенные условия. Определено, что 5658 га пашни выведены из использования. Анализ динамики вывода из использования пашни по космоснимкам показал, что последнее использование было в 2013 году. На протяжении 7 лет земли тестового полигона не используются в качестве пахотных и зарастают.

Такая же ситуация сложилась и с расположенными рядом пахотными угодьями. Это свидетельствует об истощительном, нерациональном ведении работ на них. Влияние на вывод земель из использования оказывает нерациональная организация полива в условиях солонцов и засоленных почв.

Литература:

1. Виноградов, Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. - М.: Наука, 1984. - 380 с.

2. Виноградов, Б.В. Основы ландшафтной экологии / Б.В. Виноградов. - М.: Геос, 1998. - 418 с.

3. Харин, Н. Г. Применение космических снимков для составления тематических карт в зоне пустынь / Н. Г. Харин, Г. С. Каленов, А. М. Бабаев // Географическая интерпретация аэрокосмической информации. - М.: Наука, 1988. - С. 12-30.

4. Кулик, К.Н. Геоинформационный анализ очагов опустынивания на территории Астраханской области / К.Н. Кулик, А.С. Рулев, В.Г. Юферев // Аридные экосистемы. Т. 19. - 2013. - №3(56]. - С. 87-94.

5. URL:https://www.sovzond.ru. Дата обращения 08.06.2020 г.

6. Князева, С. В. Особенности экологического мониторинга лесов национальных парков с использованием материалов космических съемок / С. В. Князева // Геодезия и картография. 2001. - № 11. - С. 45-51.

7. URL:https://earthexplorer.usgs.gov. Дата обращения 08.06.2020 г.

8. Кулик, К.Н. Агролесомелиоративное картографиро-

вание и фитоэкологическая оценка аридных ландшафтов / К.Н. Кулик. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2004. - 248 с.

9. Пузаченко, Ю. Г. Составление мелкомасштабной карты ландшафтного покрова с использованием муль-тиспектральной информации// Ю. Г. Пузаченко, З. Ш. Гагаева, Г. М. Алещенко // Известия РАН. Сер. Географическая. - 2004. - № 4. - С. 97-109.

10. URL:http://www.ntsomz.ru/dzz_info/faq_dzz/#x471 Дешифрирование космических снимков для целей картографии. Дата обращения 08.06.2020 г.

11. URL:https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/ imagery-remote-sensing/ capabilities/content. Дата обращения 08.06.2020 г.

Geoinformation Analysis of Arid Land Use for Agricultural Production

V.G. Yuferev, D.S-Kh.N., Head of laboratory, laboratory of geoinformation modeling and cartography of agroforest landscapes -FSC of Agroecology RAS, Volgograd, Russia

The use of agricultural land as a resource for food production is of great importance for the ensuring food security of the state. Currently, the structure of land use is changing, especially in arid areas. The complexity of the climate, lack of moisture, low fertility and salinity of the soil do not provide conditions for guaranteed cultivation of products, production becomes unprofitable. Long-term unsustainable use of such the land has led to the degradation of arable land, removal of the nutrients, deflation, water erosion and salinization. Sown areas are not cultivated everywhere, overgrown with the herbaceous ruderal vegetation and the shrubs. A General overview of the arid territories on the example of the Caspian lowland shows a significant decrease in the cultivated areas of the rain-fed arable land. The problem is particularly acute in the immediate vicinity of the irrigated areas on saline and saline soils. The research conducted at the "Kolobovka" test polygon, which is representative of the conditions under consideration, showed that more than 5 thousand hectares of arable land were withdrawn from use. A retrospective analysis of satellite images showed that the last attempt to process it was in 2013. That is, for 7 years, the land has not been used as arable land, it is overgrown. In July 2016, a large landscape fire was registered at the landfill, and dry vegetation was burning. The consequences of the fire are visible until 2018. As a result, arable land was not used for its intended purpose. According to cadastral registration data, the land is at the stage of re-registration.

Keywords: agricultural land, use, soil, vegetation, satellite images, satellite map

Translation of Russian References

1. Vinogradov, B.V. Aerokosmicheskij monitoring ekosistem [Aerospace monitoring of ecosystems]. - Moscow: Nauka, 1984 - 380 p.

2. Vinogradov, B.V. Osnovy landshaftnoj ekologii

[Fundamentals of landscape ecology] / B. V. Vinogradov. -Moscow: GEOS, 1998. - 418 p.

3. Harin, N.G. Primenenie kosmicheskih snimkov dlya sostavleniya tematicheskih kart v zone pustyn' [Application of satellite images for making thematic maps in the desert zone] / N. G. Harin, G. S. Kalenov, A.M. Babaev / / Geograficheskaya interpretaciya aerokosmicheskoj informacii [Geographical interpretation of aerospace information]. - Moscow: Nauka, 1988. - P. 12-30.

4. Kulik, K.N. Geoinformacionnyj analiz ochagov opustynivaniya na territorii Astrahanskoj oblasti [Geoinformational analysis of the centers of desertification on the territory of the Astrakhan region] / K. N. Kulik, A. S. Rulev, V. G. Yuferev / / Aridnye ekosistemy [Arid ecosystems]. 19. - 2013. - №3(56]. - P. 87-94.

6. Knyazeva, S.V. Osobennosti ekologicheskogo monitoringa lesov nacional'nyh parkov s ispol'zovaniem materialov kosmicheskih s"emok [Features of ecological monitoring of forests of national parks using materials of space surveys] / S. V. Knyazeva // Geodeziya i kartografiya [Geodesy and cartography]. 2001. - issue 11. - P. 45-51.

8. Kulik, K.N. . Agrolesomeliorativnoe kartografiro-vanie i fitoekologicheskaya ocenka aridnyh landshaftov [Agroforestry mapping and phytoecological assessment of arid landscapes] / K. N. Kulik. Volgograd: VNIALMI, 2004. - 248 p.

9. Puzachenko, Yu.G. Sostavlenie melkomasshtabnoj karty landshaftnogo pokrova s ispol'zovaniem mul'tispektral'noj informacii [Drawing up a small-scale map of landscape cover using multispectral information] / Yu. G. Puzachenko, Z. Sh. Gagaeva, G. M. Aleshchenko // Izvestiya RAN. Ser. Geograficheskaya [Izvestiya RAS. Ser. Geographical]. - 2004. - № 4. - P. 97-109.

10. URL:http: //www.ntsomz.ru /dzz_info/faq_dzz / #x471 Deshifrirovanie kosmicheskih snimkov dlya celej kartografii. Data obrashcheniya Decryption of satellite images for mapping purposes. Date of access] 08.06.2020

11. URL:https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/ imagery-remote-sensing/ capabilities/content. Data obrashcheniya [Date of access ] 08.06.2020 .