Геоинформационный анализ деградации ландшафтов полупустыни

УДК 528:634.958 DOI: 10.34736/FNC.2020.108.1.003.15-21

Геоинформационный анализ деградации ландшафтов полупустыни

В.Г. Юферев, д.с.-х.н., г.н.с., зав. лаб., Н.А. Ткаченко, к.с.-х.н. н.с. -лаборатория геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов -

ФНЦ агроэкологии РАН, г. Волгоград, Россия

При природном и антропогенном воздействии происходит трансформация ландшафтов. В климатических условиях полупустыни в результате трансформации возникают и развиваются процессы деградации и опустынивания земель. Актуальность исследований обусловлена наличием значительной площади деградированных земель. Для выявления очагов деградации ландшафтов применялась методика геоинформационного анализа пространственных данных на основе аэрокосмической съемки. Также использовались методы геостатистической оценки характеристик ландшафтов, определение корреляции этих характеристик с природными и антропогенными факторами. Новизна заключается в том, что для геоинформационной оценки деградации ландшафтов создается комбинированная база данных, состоящая из картографических тематических слоев и атрибутов. Комплексное использование этих данных позволяет проводить анализ цифровых пространственных данных, отражающих текущее состояние, а также атрибутивную информацию об объектах, отраженных на этих картах. Данные космической съемки обладают несомненными преимуществами по регулярности, повторяемости, охвату терри-

тории и экономической эффективности. Дешифрирование снимков проводится с использованием компьютерных методов и программ, обеспечивающих как визуальное, так и автоматизированное распознавание объектов на снимке. Объектом исследования был выбран полигон «Харабали» (Астраханская область, Харабалинский район) со сложной экологической обстановкой, конфигурацией и рельефом. Примененные геоинфомационные методы анализа помогли установить с предельной точностью геоморфологические, почвенные характеристики и пространственное размещение деградированных участков по уровням: норма, риск, кризис и бедствие.

Ключевые слова: очаги деградации, опустынивание, почва, растительность, космоснимки, кос-мокарта.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Волгоградской области в рамках научного проекта № 19-45-340003 «Научное обоснование и закономерности изменения состояния ландшафтов экотона Малый Сырт -Прикаспийская низменность в Волгоградском Заволжье»

По данным «Национального доклада ...» [1], площадь деградированных земель в России составляет более 1 млн гектаров, а опустынивание отмечено в 27 регионах. Деградация ландшафтов полупустыни определена внешним воздействием на существующие экосистемы. Воздействие природных факторов - процесс естественный, к которому экосистемы в какой-то степени адаптированы, а это - незначительное количество выпадающих осадков, их неравномерность, воздействие ветра, пыльные и песчаные бури. Антропогенные факторы зачастую приводят к экологическому бедствию, когда экосистемы разрушаются ниже порога восстановления (например, распашка малопригодных земель, антропогенные пожары). Также надо отметить, что уменьшению проективного покрытия поверхности травянистой растительностью и разрушению почв способствует перевыпас скота, в связи с отсутствием регулирования пастбищной нагрузки и стихийной организацией выпаса без соблюдений его структуры. Значительная часть сельскохозяйственных угодий, находящихся в состоянии опустынивания, обусловлена тем, что применяемые технологии земледелия и животноводства являются факторами,

вызывающими общую деградацию ландшафтов.

Накопленная информация и опубликованные результаты исследований многих авторов дают возможность не только научно обосновать проблемы деградации и опустынивания земель, но и находить решения для сохранения экосистем и обеспечения рационального использования ресурсов.

Цель исследований состоит в оценке современного состояния ландшафтов полупустыни на основе геоинформационных технологий и пространственных баз данных.

Материалы и методы. Российскими исследователями Б.В. Виноградовым, К.Н. Куликом, В.И. Петровым, А.С. Рулевым и др. [2, 3, 4, 5,6] были выявлены причины деградации и опустынивания полупустынной зоны

В настоящее время имеются разработки, связанные с изучением проблем опустынивания, концептуально-методологическими основами, подходами, определением стратегии, тактики и системы мер по борьбе с опустыниванием, воспроизводством и рациональным использованием земель аридных территорий [7, 8]. Радикальные изменения в состоянии земельных ресурсов за-

сушливых территорий обусловили актуальность и остроту проблемы опустынивания и деградации земель [9, 10], которая требует постоянного контроля (мониторинга) и анализа изменений очагов деградации с применением современных методов дистанционного зондирования и геоинформационных технологий.

По климатическим картам мира можно установить, что около 30% суши имеют недостаточное увлажнение и около 10 млн. км2 из них это антропогенные пустыни [11]. Исследования деградации и опустынивания показывают, что за 30 лет в аридных регионах они существенно увеличились [1]. Общая тенденция расширения деградированных и пустынных земель наблюдается в южных регионах России, в том числе на территории Астраханской области. В связи с этим изучение процессов деградации аридных геосистем, выявление их динамики и механизма негативного влияния антропогенного и природного опустынивания, представляет собой основную задачу исследований.

Способы создания тематических карт для пастбищ отличаются от способов картографирования деградации других агроландшафтов тем, что в этом случае анализируется состав и проективное покрытие травянистой растительностью, а для защитных насаждений важным является сохран-

ность и состояние древостоя и кустарника.

Для картографирования и моделирования аг-роландшафтов полупустынной зоны необходимо выявить актуальные уровни их деградации. Компьютерное дешифрирование космоснимков позволяет определить проективное покрытие фототону изображения и обеспечивает необходимую точность полученных результатов. Анализ данных в геоинформационных системах проводится на основе разработанных растровых и векторных слоев, описывающих характеристик ландшафтов. На основе такого анализа определяются корреляционные связи действующих факторов и уровня деградации экосистем [12].

Для обработки данных космической съемки используется определенный набор программных продуктов, включающий фотограмметрическую станцию Талка 3.3., программу обработки снимков ENVI, программы создания геоинформационных систем QGIS, программы анализа полученных данных Surfer, Exel, Statistica и др., при помощи которых создаются картографические модели, таблицы статистических данных и математическое описание выявленных закономерностей.

Тестовый полигон «Харабали» площадью 5109,5 га, расположен в 18 км северо-восточнее поселка Досанг. Координаты центра полигона 47° 31' 22»с.ш., 47° 27' 39» в.д. (рисунок 1).

47° 33'00"N

47° 32'ОО" N

47° 31'00" N

47° 30- 00" N

I—1—»—I-—<

290а 1000

ы

Ш —---*---- / V- ' f . / у -» • J* % % !/ » - г*' * V Ц : ; « ; 1 • • J»

с

Рисунок 1 - Космокарта тестового полигона «Харабали»

Почвенные условия: тестовый полигон расположен в основном в контуре 75 - пески слабогумуси-рованные и небольшой частью (3720,8 га) в кон-

туре 36 (236,3 га) и контуре 37 (1220,5 га) - бурые полупустынные почвы (рисунок 2).

Территория полигона исследований расположена в ландшафтном комплексе эолово-аккумулятивных равнин. Почвенных покров представлен разбитыми и слабозаросшими песками с наличием барханных комплексов. Растительность представлена джузгуном (Calligonum aphyllum) по вершинам и склонам песчаных бугров, полынно-злаковой (Artemisia lercheana -Leymus arenarius) изреженной растительностью по понижениям и бугристыми слабо - и средне-заросшими пескими с барханными комплексами,

белополынно-однолетниковой растительностью (Artemisia lerchiana), джузгуном (Calligonum aphyllum) и овсом песчаным (Avena strigosa) по разбитым участкам.

Результаты и обсуждение. При проведении геоинформационных исследований территории полигона определены основные геостатистические характеристики (таблица 1), разработан векторный слой «изолинии высот» (рисунок 3) и изоли-нейная карта распределения диапазонов высот по полигону (рисунок 4).

Площадь полигона га 5177,6

Периметр полигона, м 29134,9

Длина по долготе, м 8344,0

Ширина по широте, м 6219,0

Экспозиция, румб, ° E

Средняя высота рельефа, м -9,1

Средняя крутизна склонов, ° 1,0

Средний уклон, % 1,8

Максимальная высота, м 1,0

Максимальная крутизна склонов, ° 3,8

Максимальный уклон, % 6,7

Минимальная высота рельефа, м -19,0

Среднеквадратическое отклонение высоты, м 2,5

Среднеквадратическое отклонение крутизны склонов,° 0,5

Среднеквадратическое отклонение уклонов, % 0,9

Таблица 1 - Характеристики территории полигона «Харабали»

Изучение распределения площади тестового полигона по диапазонам высот показало, что максимальный перепад высот составляет 20 м.

Установлено, что около 93% площади (4813 га) приходится на диапазон высот над уровнем мирового океана от -7 м до -13м, то есть основной уровень высот имеет перепад 6 м, что характеризует высоту бугров на территории исследований

и, соответственно, возможность гравитационного перемещения песка. На остальные диапазоны высот приходится около 7 % площади полигона (364 га) (рисунок 4).

Минимальная высота рельефа (-19 м) отмечена в восточной части тестового полигона (рисунок 3). Здесь высота бугров достигает 10 м.

Рисунок 3 - Изолинейная карта диапазонов высот тестового полигона « Харабали»

Диапазоны высот, м

-1 и -3 -5 -7 и -9 "11 13 и-15 Щ-17 "19

Рисунок 4 - Распределение диапазонов высот по тестовому полигону «Харабали»

По результатам дешифрирования и классификации космоснимков были установлены уровни деградации растительности на полигоне и разрабо-

тан картографический геоинформационный слой «деградация растительности»

Рисунок 5 - Картографический геоинформационный слой «деградация растительности»

на тестовом полигоне «Харабали»

По результатам дешифрирования и классификации выявлено соотношение площадей с различными уровнями деградации на полигоне (таблица 2, рисунок 6).

В результате геоинформационного анализа космоснимков установлено, что деградация растительности на тестовом участке обусловлена существенной антропогенной нагрузкой - территория интенсивно используется для выпаса скота (функционируют 4 кошары). Уровни деградации показывают снижение проективного покрытия поверхности травянистой растительностью. На момент космосъемки тестового полигона «Харабали» 399,6 га соответствуют уровню «бедствие» (более 7%), площадь недеградированных земель составляет 1461,6 га, или около 28 % от общей площади, уровень деградации «кризис» отмечен

на 2224,4 га (43,0%), уровень деградации «риск» отмечен на 1091,9 га, около 21% от площади полигона. По полученным результатам можно констатировать, что деградированные участки с уровнем «бедствие» и «кризис» представляют собой разбитые пески с образованием барханов высотой 7-8 метров над средним уровнем местности, что говорит об их потенциальной опасности и может привести к увеличению площадей опустынивания. Такое развитие процессов опустынивания оказывает негативное влияние на всю экосистему территории исследований. Восстановление пастбищ необходимо проводить методами фитомели-орации, адаптированными к местным условиям, и снижением удельной нагрузки выпаса скота на территории, прилежащие к местам содержания животных.

Таблица 2 - Площади деградированных земель на тестовом полигоне «Харабали»

Уровень деградации пкс га

норма 5558444 1461,6

риск 4152571 1091,9

кризис 8459360 2224,4

бедствие 1519746 399,6

всего 19690121 5177,6

Рисунок 6 - Распределение площади на тестовом полигоне «Харабали» по уровню деградация растительности»

Выводы. Использование новых геоинформационных методов дает возможность определения с более высокой точностью по сравнению с существующими методами как пространственного положения очагов экологического бедствия, так и уровня их деградации. Результаты наших исследований показали преимущества геоинформационного анализа деградации ландшафтов полупустыни на примере тестового полигона «Харабали» площадью 5109,5 га. За короткое время благодаря космоснимкам с дальнейшим дешифрированием и классификацией полученных данных были установлены реальные размеры территории и уровни деградации почвенного покрова от антропогенных воздействий. Это позволяет оперативно принять решения для устранения выявленных негативных экологических изменений.

Литература:

1. Национальный доклад «Глобальный климат и почвенный покров России: опустынивание и деградация земель, институциональные, инфраструк-турные, технологические меры адаптации (сельское и лесное хозяйством/под редакцией Р.С.-Х. Эдельгериева. Том 2. М.: ООО «Издательство МБА», 2019. 476 с.

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

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

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. Залибеков, З. Г. Процессы опустынивания и их влияние на почвенный покров / З. Г. Залибеков. - Москва, 2000. - 220 с.

6. Харин, Н. Г. Дистанционные методы и охрана природы пустынь / Н. Г. Харин. - М.: Наука, 1980. - 220 с.

7. Стратегия развития защитного лесоразведения в Российской Федерации на период до 2020 года/ К. Н. Кулик, А.С. Рулев, В. Г. Юферев и др. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2008. - 34 с.

8. Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and human wellbeing : Desertifcation synthesis : a report of the millennium ecosystem assessment / core writing team, Zafar Adeel ... [et al.]. / Washington DC: World Resources Institute, 2005. - 36 p.

9. Зонн С. В. Процессы опустынивания на различных континентах // Современные проблемы генезиса и географии почв. М.: Наука . - 1983. - 180 с .

10. Виноградов, Б. В. Прогнозирование пространственно-временной динамики экосистем методом универсального кригинга / Б. В. Виноградов, С. М. Кошель, К. Н. Кулик // Экология. - 2000. - № 5. - С. 323-332.

11. Залибеков З. Г. Новикова Н. М. Научные и прикладные основы планетарной стратегии борьбы с опустыниванием, журнал «Аридные экосистемы» и современные состояние аридных земель мира /Труды института геологии Дагестанского научного центра РАН. Выпуск № 67 - 2106 С. 5-15

12. Дешифрирование космических снимков для целей картографии [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ntsomz.ru/articles/articles_dzz/ deshifr_ kosm _img. Опубликовано: 9. 11. 2004.

Geoinformation Analysis of Semidesert Landscape Degradation

V.G. Yuferev, D.S-Kh.N., director of laboratory; N.A. Tkachenko, K.S-Kh.N., laboratory of geoinformation modeling and cartography of agroforest landscapes -Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS), Volgograd, Russia

The work was carried out with the financial support of the Russian Foundation for fundamental research and the Volgograd region within the framework of the scientific project No. 19-45-340003 «Scientific justification and regularities of changes in the state of landscapes of the «Small Syrt» - the Caspian lowland ecotone in the Volgograd Trans-Volga region»

Annotation. Under natural and anthropogenic influence, landscapes are transformed. In semi-desert climatic conditions, the processes of land degradation and desertification arise and develop as a result of the transformation. A relevance of research is due to a presence of the processes of degradationon within a large area of land. The method of geoinformation analysis of spatial data based on aerospace surveys was used to identify the areas of landscape degradation. We also used methods of geographic statistical assessment of landscape characteristics and determination a correlation of these characteristics with natural and anthropogenic factors. The novelty lies in the fact that a combined database consisting of cartographic thematic layers and attributes is created for the geoinformation assessment of landscape degradation. The integrated use of this data makes it possible to analyze the digital spatial data that reflects the current state, as well as the attribute information about objects reflected on these maps. The space survey data has clear advantages in terms of regularity, repeatability, territory coverage, and economic efficiency. The images are decrypted using computer methods and programs that provide both visual and automated recognition of objects in the image. The object of the study was the «Kharabali» polygon (Astrakhan region, Kharabali district) with a complex environmental situation, configuration and terrain. The applied geoinfomational methods of analysis helped to determine geomorphological, soil characteristics and spatial distribution of the degraded areas by levels: norm, risk, crisis and disaster with the utmost accuracy.

Keywords: degradation centers, desertification, soil, vegetation, satellite images, satellite map Translation of Russian References:

1. Nacional'nyj doklad «Global'nyj klimat i pochvennyj pokrov Rossii: opustynivanie i degradaciya zemel', institucional'nye, infrastrukturnye, tekhnologicheskie mery adaptacii (sel'skoe i lesnoe hozyajstvo)» [National report « Global climate and soil cover of Russia : desertification and land degradation, institutional, infrastructural , technological adaptation measures (agriculture and forestry)»] / edited by R. S.-H. Edelgeriev. Volume 2. Moscow: LLC "IBA Publishing house", 2019. - 476 Pp.

2. Vinogradov, B. V. Osnovy landshaftnoj ekologii [Fundamentals of land-scape ecology] / B. V. Vinogradov. -Moscow: GEOS, 1998. - 418 p.

3. Kulik, K. N. Agrolesomeliorativnoe kartografirovanie i fitoekologicheskaya ocenka aridnyh landshaftov [Agroforestry cartography and phytoecological assessment

of arid landscapes] / K. N. Kulik. - Volgograd: VNIALMI, 2004. - 248 p.

4. Kulik, K.N. Geoinformacionnyj analiz ochagov opustynivaniya na territorii Astrahanskoj oblasti [Geoinformation analysis of desertification hotspots in Astrakhan oblast] / K. N. Kulik, A. S. Rulev, V. G. Yuferev // Aridnye ekosistemy [Arid ecosystems]. Vol. 19. - 2013. - No. 3(56). - Pp. 87-94.

5. Zalibekov, Z. G. Processy opustynivaniya i ih vliyanie na pochvennyj pokrov [Processes of desertification and their influence on soil cover] / Z. G. Zalibekov. - Moscow, 2000. - 220 p.

6. Kharin, N. G. Distancionnye metody i ohrana prirody pustyn' [Remote methods and nature protection of deserts] / N. G. Kharin. Moscow: Nauka, 1980. - 220 p.

7. Strategiya razvitiya zashchitnogo lesorazvedeniya v Rossijskoj Fede-racii na period do 2020 goda [Strategy of development of protective afforestation in the Russian Federation for the period up to 2020]/ K. N. Kulik, A. S. Rulev, V. G. Yuferev et al. - Volgograd: VNIALMI, 2008. - 34 p.

8. The Millennium Ecosystem Assessment. Ecosystems and human wellbeing : Desertifcation synthesis : a report of the millennium ecosystem assessment / core writing team, Zafar Adeel ... [et al.]. / Washington, DC: World Resources Institute, 2005. - 36 p.

9. Sonn S. V. Processy opustynivaniya na razlichnyh kontinentah [Processes of desertification on various continents] // Sovremennye problemy genezisa i geografii pochv [Modern problems of soil genesis and geography]. Moscow: Nauka . 1983. - 180 p .

10. Vinogradov, B. V. Prognozirovanie prostranstvenno-vremennoj dinamiki ekosistem metodom universal'nogo kriginga [Prediction of spatial-temporal dynamics of ecosystems by the universal kriging method] / B. V. Vinogradov, S. M. Koshel, K. N. Kulik // Ecology. - 2000. - No. 5. - Pp. 323-332.

11. Zalibekov Z. G. Novikova N. M. Nauchnye i prikladnye osnovy planetarnoj strategii bor'by s opustynivaniem, zhurnal «Aridnye ekosistemy» i sovremennye sostoyanie aridnyh zemel' mira [Scientific and applied bases of the planetary strategy against desertification, journal «Arid ecosystems» and modern state of arid lands of the world] / Trudy instituta geologii Dagestanskogo nauchnogo centra RAN [Proceedings of the Institute of Geology of the Dagestan scientific center of the Russian Academy of Sciences]. Issue No. 67 - 2106 S. 5-15

12. Deshifrirovanie kosmicheskih snimkov dlya celej kartografii [Decryption of satellite images for cartography purposes] [Electronic resource]. - Access mode: http:// www.ntsomz.ru/articles/articles_dzz/ deshifer_ com _img. Published: 9. 11. 2004.