Картографо-аэрокосмический мониторинг аридных агроландшафтов

№ 1(22), 2011 г.

ЭКОЛОГИЯ

РУЛЕВ А.С., ЮФЕРЕВ В. Г., ЮФЕРЕВ М. В.

КАРТОГРАФО-АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ АРИДНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ

Аннотация

В аридных условиях антропогенные нагрузки вызывают ускоренное развитие процессов деградации. Аэрокосмические методы изучения растительных ресурсов дают четкую картину состояния пастбищных экосистем и наличия деградационных процессов. Установлена зависимость величины фототона изображения от проективного покрытия и разработана математическая модель, позволяющая оценить изменения в состоянии пастбищ.

Ключевые слова: деградация, ландшафт, пастбище, космоснимки, картографирование, мониторинг.

RULEV A.S., YUFEREV VG., YUFEREV M.V.

THE MAPPING-AEROSPACE MONITORING OF THE ARID AGROLANDSCAPES

Abstract

In the arid conditions of anthropogenic stress causes acceleration of the development processes of degradation. Aerospace methods of studying plant resources, provide a clear picture of the status of pasture ecosystems and the presence of degradation processes. The dependence of the magnitude fototona image of a projective cover, and developed a mathematical model to assess the changes in the state of pastures.

Key words: degradation, landscape, pasture, spacephotos, mapping, monitoring.

Юго-восток европейской части Российской Федерации представлен совокупностью аридных ландшафтных комплексов, характеризующихся недостаточным увлажнением, засоленностью почвогрунтов и водоносных горизонтов, податливостью земель дефляции и эрозии. Жесткие климатические условия дополняются антропогенными нагрузками, которые нередко превышают возможности экосистем к самовосстановлению, что вызывает ускоренное развитие процессов деградации. Антропогенная нагрузка и связанные с ней разрушения почвенно-растительного покрова, дефляция и загрязнение особенно сильно проявляются в Ставропольском крае, Чеченской Республике, Республиках Дагестан и Калмыкия, Астраханской области. В Астраханской области площадь открытых песков с проективным покрытием менее 15% составляет более 390 тыс. га. К разрушению экосистем также приводят нерациональная хозяйственная деятельность, отсутствие своевременной информации о состоянии природной среды, неповоротливость управления существующими средствами борьбы с деградацией. В связи с этим для сельскохозяйственного использования земель юго-востока необходимо обоснование допустимой нагрузки на них, а также применение технологий агролесомелиоративного обустройства территорий.

Наземные методы исследований требуют больших затрат времени и материальных средств: при площади обследования около 10 млн. га трудозатраты на полное наземное исследование составят более 6 млн. чел/час. В связи с этим, единственным методом, позволяющим установить состояние пастбищных ландшафтов, является картографо-аэрокосмический мониторинг. На основании данных аэрокосмосъемки можно осуществить оценку природно-экономического потенциала территории и составить тематические карты деградации в 3-4 раза быстрее при затратах в 12-15 раз меньше, чем при традиционных (наземных) методах.

Основная часть пастбищных угодий юго-востока европейской части России размещена на равнинной территории Прикаспийской низменности, поэтому дешифрирование состояния таких угодий можно проводить по одиночным снимкам с распознаванием тона и рисунка изображения. Определение состояния рассматриваемого вида землепользования по фототону является одним из основных способов дешифрирования уровней их деградации. 57

57

ВЕСТНИК ИНСТИТУТА

Пастбища не имеют четко выраженных прямых дешифровочных признаков и распознаются в основном по косвенным признакам: положению относительно поселений, в частности, скотных дворов с установлением возможности прогона скота к пастбищному участку, по наличию множества выбитых скотом троп, по вытоптанному травостою у водопоев и на местах стоянок, по наличию специальных сооружений (загонов, навесов, кошар и т.д.). В степной, полупустынной и пустынной зонах пастбища разделяют в зависимости от произрастающей на них растительности, обводненности и сезонного использования.

При дешифрировании пастбищных угодий могут выделяться пески и солончаки, которые ограниченно используются в качестве пастбищ. Принадлежность территории к пескам определяется по наличию на снимках светлых и белых пятен (очагов дефляции). Солончаки дешифрируются, как и пески, по светлому и белому тонам, но в отличие от песков, они имеют четкие резко очерченные границы, контрастный рисунок, выделяющийся на фоне травянистой растительности.

Аэрокосмические методы изучения растительных ресурсов включают дистанционную индикацию состава и свойств растительного покрова: фитомассы, проективного покрытия, сомкнутости, высоты, поражения болезнями и т. д. Исследование перечисленных параметров дает четкую картину состояния пастбищных экосистем и наличия деградационных процессов.

При дистанционной оценке фитоиндикаторы дают возможность определить экологическое состояние пастбищ. Овсяница бороздчатая (Festuca) в ландшафтах полупустынной или степной зоны является показателем умеренного сбоя растительности, так как неустойчива к сбою и быстро выпадает при увеличенной пастбищной нагрузке.

Пестрота и мозаичность почвенно-растительного покрова пастбищных ландшафтов объясняется недостатком атмосферных осадков. Сильное влияние на структуру изображения пастбищ на космоснимках оказывает процесс неравномерного перераспределения влаги, а вместе с ним и солей в почвах. Насыщение солями грунтовых вод приводит к выносу солей на поверхность, изменяя тон изображения. Комплексность пустынно-степных пастбищных ландшафтов находит отражение на космоснимках в виде отличающихся по тону и рисунку участков поверхности.

Для естественных пастбищных угодий, где состав травянистого покрытия определен местными природными и климатическими условиями и относительно стабилен, основным признаком деградации будет являться уменьшение проективного покрытия. Важно отметить, что наибольшая точность в определении величины проективного покрытия достигается при его значениях от 20% до 60%. При этом средняя ошибка определения проективного покрытия составляет не более 5% [1] .

Анализ соотношения проективного покрытия и продуктивности пастбищ дает возможность выявить регрессионные связи между этими параметрами и установить надежные критерии определения продуктивности пастбищ по космоснимкам (таблица 1) [2].

Таблица 1

Продуктивность и проективное покрытие пастбищных фитоценозов

Пастбищные фитоценозы Продуктивность, т/га Проективное покрытие, %

Ковыльные 0,32 - 0,42 45-50

Житняковые 0,31 - 0,58 40-45

Белополынные 0,29 - 0,39 25-30

Однолетниковые 0,11 - 0,24 25-40

Белополынно-злаковые 0,42 -0,54 40-45

Проективное покрытие обуславливает продуктивность пастбищ, что позволило разработать уравнения регрессии для определения продуктивности различных фитоценозов (таблица 2).

Проективное травянистое покрытие определяет как величину фототона изображения, так и параметры распределения пикселей. По этим параметрам, которые являются комплексными и позволяют определить как урожайность травостоя, так и уровень деградации пастбищ, осуществляется дистанционная оценка состояния пастбищ. 58

58

№ 1(22), 2011 г.

Таблица 2

Зависимость продуктивности ценоза от площади проективного покрытия

Пастбищные ценозы Уравнения регрессии

Ковыльные П 0,429 1 + /7,°1-°^п )

Белополынные П = °,435 1 + в

Житняковые П = °,174 1 + e

Однолетниковые, эфемеровые П °,343 1 + ^4,11-0,11^)

Чернополынные П °,377 1 + ^4,13-0,1^ )

Солончаково-полынные П = °,463 1 + e

Солянковые П = 0,651 1 + e

где: П - продуктивность, т/га; Sn -проективное покрытие, %

Установлено, что зависимость величины фототона изображения от проективного покрытия носит нелинейный характер и имеет верхний и нижний пределы (рисунок 1). В связи с этим для математической модели выбрана логистическая зависимость, дающая возможность с высоким коэффициентом корреляции описывать наблюдаемые изменения в состоянии пастбищ.

К

н

2

а

ы

о

в

а>

о

В

И

В

н

ы

а>

о

а

В

Фототон

Темно-каштановые —А—Пески ——Светло-каштановые

Рис. 1. Зависимость величины фототона изображения от проективного покрытия.

Оценка деградации проводится по величине проективного покрытия почвы травянистой растительностью, вычисляемой по формуле:

Sn = 100/1+exp (A+BF), 59

59

ВЕСТНИК ИНСТИТУТА

где Sn - проективное покрытие, %, F - текущее значение уровня серого цвета по аэрокосмическому фотоснимку, A, B - коэффициенты, учитывающие влияния типа почвы на величину фототона [3].

Высокие коэффициенты корреляции свидетельствуют об устойчивой функциональной связи между величинами фототона и проективного покрытия (например, для темно-каштановых почв - 0,857; на светлокаштановых - 0,957; на песках - 0,921). Коэффициенты А и B представлены в таблице 3.

Выявленная функциональная связь уровня деградации пастбищ и площади проективного покрытия почвы травянистой растительностью дает возможность определить уровни деградации пастбищ по величине фототона изображения (таблица 4).

Таблица 3

Коэффициенты уравнения зависимости проективного покрытия от фототона изображения для основных типов почв степной зоны

Тип почвы Содержание гумуса, % A B

Темно-каштановые карбонатные тяжелосуглинистые 2,69 -7,42 0,073

Темно-каштановые легкосуглинистые 1,41 -9,63 0,125

Лугово-каштановые солонцеватые легкосуглинистые 2,96 -13,2 0,206

Темно-каштановые солонцеватые среднесуглинистые 2,67 -10,5 0,144

Солонцы лугово-степные среднесуглинистые 2,0 -7,97 0,086

Светло-каштановые супесчаные 0,21 -6,67 0,053

Песчаные пустынные (Терско-Кумские) 0,1 -7,20 0,057

Песчаные пустынные (Калмыцкие) 0,1 -7,61 0,077

Таблица 4

Шкала деградации пастбищ по значению фототона

Уровень деградации Ранг деградации Оценка, балл Диапазон фототона Проективное покрытие, %

Норма (несбитые и слабосбитые) деградация отсутствует 0 0-30 более 70

очень слабый 1 31-60 46-70

слабый 2 61-90 35-45

Риск (среднесбитые) слабо умеренный 3 91-110 32-34

средне умеренный 4 111-120 29-31

выше среднего 5 121-130 25-28

Кризис (сильносбитые) менее сильный 6 131-140 22-24

сильный 7 141-146 18-21

очень сильный 8 147-150 15-18

Бедствие (очень сильносбитые и скальпированные) слабо бедственный 9 151-170 5-14

бедственный 10 171-210 1-4

катастрофический 11 211-255 0

В основу технологии обработки и дешифрирования данных аэро - и космосъемки пастбищных угодий с использованием компьютерных средств положен способ пиксельного анализа растрового изображения и эталонирования пастбищных угодий.

При предварительном эталонировании можно с достаточной достоверностью установить площади, конфигурацию и взаиморасположение пастбищ. Для этого дешифровщиком с использованием специальных картографических программ (например, MapInfo) на изображении производится выделение полигонами участков поверхности, относимых к пастбищам.

Площади, периметры и координаты выделенных полигонами пастбищ вычисляются автоматически и заносятся в электронную базу данных. По результатам предварительного эталонирования составляются библиотеки космоснимков, отражающих структуру пастбищных угодий с описанием характерных объектов.

60

№ 1(22), 2011 г.

Полевое эталонирование проводится на ключевых участках, на которых определяется состав и состояние растительности, тип и состояние почвы, а также рельеф местности с построением ландшафтных профилей. При этом производится фотосъемка эталонных участков и устанавливаются зависимости характеристик растительности от величины фототона. По каждому эталону составляются идентификационные таблицы с данными об участке, на котором проводится эталонирование.

Применение изложенной методики дешифрирования, позволяет повысить достоверность результатов исследований и картографирования деградации пастбищ на основе космоснимков в интересах агролесомелиорации и обеспечивает системность в изучении динамики деградационных процессов, создает базу дешифровочных признаков, которая послужит основанием для выявления параметрических характеристик, даст возможность выявить их состояние и оценить динамику протекающих процессов.

Результатом проведения аэрокосмического мониторинга пастбищных ландшафтов является составление карт деградации травянистого покрова, на которых цветом выделяются участки пастбищ с различным уровнем деградации (рис. 2).

Исследования динамики растительного покрова пастбищ на территории Астраханской области показали (таблица 5), что за период с 2002 по 2007 год площадь открытых песков сократилась на 164 тыс. га, на 13 тыс. га сократилась площадь сильносбитых пастбищ, при этом на 66 тыс. га и 116 тыс. га увеличилась площадь среднесбитых и несбитых пастбищ соответственно.

Таблица 5

Диапазоны фототона и уровни деградации пастбищ Астраханской области

Состояние пастбищ Уровень деградации Диапазон фототона, ед. Проектив- ное покрытия, % Площадь, тыс. га

2002 2007

Поймы рек, озера, ильмени, дельта Волги, облачность и др. - 0-39 - 1530,43 1530,43

Несбитые и слабосбитые пастбища Норма 40-70 45-60 273,94 390,56

Умеренно и среднесбитые пастбища Риск 71-110 30-45 1133,54 1199,54

Сильносбитые пастбища Кризис 111-150 15-30 1092,41 1074,09

Подвижные (открытые) пески Бедствие 151-245 <15 368,24 203,94

ИТОГО - - - 4398,56 4398,56

Можно отметить, что на фоне общего улучшения состояния пастбищ эти изменения по территории области распределились неравномерно. Картографо-статистический анализ полученных космокарт деградации дает возможность определить не только общее состояние, но и географическое распределение очагов деградации пастбищных угодий. На юге Астраханской области отмечается увеличение площади открытых, подвижных песков, а в северной части такие очаги по большей части значительно уменьшились.

Таким образом, картографо-аэрокосмический мониторинг является современным инструментом выявления состояния аридных агроландшафтов, который позволяет существенно снизить затраты на обследование и обеспечивает заинтересованные организации своевременной информацией о степени его деградации, дает возможность обосновать проведение инжиниринговых противодеградационных агролесомелиоративных мероприятий и обеспечить при этом их высокую эколого-экономическую эффективность. 1

1. Виноградов Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. / Б. В. Виноградов. М.: Наука, 1984. 320 с.

2. Кормовые ресурсы сенокосов и пастбищ Калмыкии. / Т. И. Бакинова и др. Ростов-на Дону: Изд-во СКНЦ ВШ., 2002. 184 с.

3. Юферев В. Г. Компьютерная диагностика состояния почв в агроландшафтах на основе аэрокосмического мониторинга / В. Г. Юферев // Южно-Российский Вестник геологии, географии и глобальной энергии. Астрахань, 2006 №5 (18). С. 32-34.

61

ВЕСТНИК ИНСТИТУТА

Несбитые и слабосбитые пастбища Умеренно и среднесбитые пастбища

Поймы рек, водные поверхности, дельта Волги

Сильносбитые пастбища

Подвижные (открытые) пески Соленые озера

Рис. 2. Космокарта уровней деградации земель Астраханской области по космоснимку 2007 г.

62

№ 1(22), 2011 г.

НОВИКОВА Н.М., НОВИКОВА А.Ф., КОНЮШКОВА М.В., ЦЕРЕНОВ Н.М.

ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЛОНЦОВЫХ КОМПЛЕКСОВ ЕРГЕНИНСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ В ИСКУССТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ

Аннотация

На основании сопоставления данных почвенно-геоботанических исследований, проведенных в 2005-2008 гг. на участках с выпадами древесных пород в государственной лесополосе Волгоград - Элиста - Черкесск (первый опытный участок Аршань-Зельменского стационара РАН, Калмыкия), и детальных ботанических и почвенных карт масштаба 1:500, составленных в 1950 г. до проведения лесомелиорации, установлены особенности трансформации почв и растительности. В результате длительного лесомелиоративного воздействия исходные мелкие и корковые солончаковые сильнозасоленные солонцы сульфатно-хлоридного и хлоридно-сульфатного химизма трансформировались в агроземы солонцовые светлые солончаковатые (легкорастворимые соли отмечаются в конце первого метра), слабозасоленные, содового или содовосульфатного химизма с полностью рассолонцованным пахотным слоем; светло-каштановые глубокозасоленные почвы трансформировались в агроземы текстурно-карбонатные потенциально засоленные (соли вынесены за пределы 2 м). На месте выпавших древесных культур на агроземах солонцовых (бывших солонцах) сформировались травяные растительные сообщества, близкие по составу к природным на светлокаштановых почвах; на агроземах текстурно-карбонатных (бывших светло-каштановых) сформировались сложные сообщества лесного типа с господством дуба черешчатого.

Ключевые слова: степи, агролесомелиорация, растительные сообщества, экология, видовое богатство, общее проективное покрытие, надземная фитомасса, сходство, трансформация почв.

NOVIKOVA N.M., NOVIKOVA A.F., KONYUSHKOVA M.V, TSERENOV N.M.

TRANSFORMATION OF SOLONETZ COMPLEXES AT ERGENY HILLS

IN ARTIFICIAL FORESTS

Abstract

On the basis of comparison of data obtained during 2005-2008 soil-geobotanical research on the sites of forest failures in the state forest belt Volgograd-Elista-Cherkessk (the first experimental plot of the Arshan-Zelmen Scientific Station of the Russian Academy of Sciences, Kalmykia) and detailed botanical and soil maps of scale 1:500 made in 1950 before tree plantation, the transformation of soils and vegetation was estimated. As a result of the long-term forest impact, initial shallow strongly saline solonetzes with sulfate chloride salinity have been transformed into solonetzic agrozems, slightly saline in the upper meter, with soda or soda sulfate salinity, with completely dealkalinized arable layer; light-chestnut deeply saline soils have been transformed into texture-carbonate agrozems with deeper salt occurrence (deeper 2 m). At the place of forest failures with solonetzic agrozems (former solonetzes), the grassy plant communities close on a compound to natural ones found on light-chestnut soils were generated; on texture-carbonate agrozems (former light-chestnut soils), difficult communities of wood type with oak (Quercus robur) domination generated.

Key words: steppes, agroforest amelioration, plant communities, ecology, species richness, the total projective cover, overground phytomass, similarity of species composition, transformation of soils.

Введение

Возвышенность Ергени - крайний форпост степи на юге европейской части России. На Ергенях располагаются наиболее плодородные и высокопроизводительные земли Республики Калмыкия. Вопрос об их рациональном и устойчивом использовании давно рассматривается не только в плане ограничения прямых нагрузок при выпасе, но и в связи с проведением мелиоративных мероприятий, позволяющих в условиях дефицита влаги и засоления почв повышать их продукционный потенциал и расширять спектр видов землепользования. Крайне важным для устойчивого развития региона является существование лесополос. Функции, выполняемые лесными насаждениями в степной зоне, крайне разнообразны. Они улучшают микроклимат, защищают почвы от водной эрозии и дефляции, создают условия для повышения видового богатства и численности растений, зверей, птиц и их миграций. Лесоразведение рассматривается как один из основных способов борьбы с опустыниванием [1]. Лесоразведение на Ергенях имеет длительную историю [2, 3]. В XVIII в. площадь древесных насаждений здесь составляла около 1,3 тыс. га. Они были приурочены к лощинам, балкам, долинам рек, т.е. территориям, получающим дополнительное увлажнение водами поверхностного стока. Наиболее крупные площади лесных культур были созданы в 1949-1952 гг. после известного правительственного постановления 1948 г. По трассе государственной лесной полосы Волгоград

63