Оценка сельскохозяйственного использования почв по данным дистанционного зондирования (Пермский край, на примере ООО "Крона-Агро")

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский государственный аграрно-технологический университет имени академика Д.Н. Прянишникова

Оценка сельскохозяйственного использования почв по данным дистанционного зондирования (Пермский край, на примере ООО «Крона-Агро»)

А.Н. Чащин, В.П. Жижилев

614990 Пермь, Российская Федерация

Для оперативной и точной оценки сельскохозяйственного использования почв эффективно использовать дистанционные методы исследований. Целью работы являлось оценить современное сельскохозяйственное использование почв по данным дистанционного зондирования Земли одного из типичных сельскохозяйственных предприятий Пермского края. Выполнена оцифровка крупномасштабной почвенной карты землепользования, оценена интенсивность зарастания почв древесной растительностью. На основе спутниковых данных выделены современные границы обрабатываемых почв. Основой для создания цифровой почвенной карты являлась отсканированная крупномасштабная почвенная карта ООО «Крона Агро» (Бардымский район, Пермский край), из дистанционных материалов использованы данные радиолокационной съемки SRTM и мультиспектральные снимки серии Landsat 5 (март 1988 г.), Landsat 8 (февраль 2018 г.) и Sentinel 2 (июль 2018 г.). Создание картографических материалов и обработка спутниковых снимков выполнялось в полнофункциональной ГИС с открытым кодом Quantum GIS. На территории хозяйства преобладают дерново-мелкоподзолистые почвы, а их площадь составляет 1448,1 га (27,3% от всей площади исследованной территории). В результате исследований установлено, что за период с 1988 по 2018 гг. произошло зарастание земель. Площадь зарастания составила 1575,9 га (29,7%). В залежное состояние перешли дерново-слабоподзолистые (40%), дерново-бурые (50%) и дерновокарбонатные (10%) почвы. В результате анализа разновременной спутниковой информации нами установлена тенденция снижения обрабатываемых земель. Площадь пашни сократилась на 40%, при этом число полей уменьшилось с 35 до 26. В почвенном покрове существующих полей значительна доля почвенного покрова с сильной контрастностью.

A.N. Chashchin, V.P. Zhizhilev

Perm State Agro-Technological University named after Academician D.N. Pryanishnikov, Perm, 614990, Russian Federation

Assessment of the agricultural soil use by remote sensing (Perm Region, on the example of LLC "Krona-Agro")

For rapid and accurate assessment of the agricultural soil use it is effective to use remote sensing methods. The aim of the work was to evaluate the modern agricultural use of soil according to the data of remote sensing of the Earth of one of the agricultural enterprises of Perm region. Digitization of a large-scale soil map of land use was carried out, the rate of soil overgrowing by woody and shrub vegetation was estimated. Based on satellite data, the modern boundaries of cultivated soils are identified. The basis for creating digital soil maps was the "Krone Agro" scanned soil map, the SRTM radar survey data of 2003 and multispectral images of the Landsat 5 series (March 1988), Landsat 8 (February 2018) and Sentinel 2 (July 2018) were used from remote materials. Creation of cartographic materials and processing of satellite images was carried out in a full-featured open source GIS Quantum GIS. Soddy-podzolic soils predominate on the farm territory and their area is 1,448.1 hectares or 27.3%. As a result of study, it was found that over the period from 1988 to 2018, soil overgrowth occurred. The area of overgrowing was 1575,9 of the total area of the studied territory. Sod- brown (50%), sod-calcareous (10%) and sod-weakly podzolic (40%) soils passed into the fallow state. As a result of the analysis of multi-temporal satellite information, we have established a tendency to reduce arable land. The area ofarable land was reduced by 40 percent, while the number of fields decreased from 35 to 26. In the soil cover of existing fields, the proportion of soil cover with a strong contrast ratio is significant.

Key words: soil map, GIS, remote sensing data, land use soil maps, Perm region

Введение

В структуре сельскохозяйственных угодий Пермского края используются различные типы почв, при этом распаханы в основном дерново-подзолистые [Вологжанина, 1982]. Однако данная географическая информация быстро меняется, а площади обрабатываемых почв сокращаются. Для оперативной и точной оценки распаханности почв эффективно использовать дистанционные методы исследований [Peterson, 2004; Белорусцева, 2012, 2013; Каверин, 2016].

Цель исследований - по данным дистанционного зондирования оценить современное сельскохозяйственное использование почв одного из сельскохозяйственных предприятий Пермского края (ООО «Крона Агро», Бардымский район).

Объектом исследования являются почвы таежно-лесной зоны, части территории Бардымского района Пермского края в границах землепользования ООО «Крона-Агро». Общая площадь исследованной территории составляет 5306,9 га (рис. 1). Согласно Геоботаническому районированию (1989) участок исследований относится к Тулва-Иреньско-Краснокамском округу полосы подтаежных лесов Камско-Печорско-Западноуральской провинции Урало-Западносибирской таежной провинции. Растительность представлена широколиственно-пихтово-еловыми лесами: ель обыкновенная (Picea abies L.), пихта сибирская (Abies sibirica L), во II ярусе древостой липы мелколистной (Tilia cordata L.), клена остролистного (Acer platanoides L.) с травянистым покровом сибирских и уральских трав: борец высокий (Aconitum septentrionale L.), яснотка белая (Lamium album L.), реброплодник уральский (Pleuros permumuralense L). Значительные площади занимают березняки и осинники. Климат характеризуется большим количеством осадков.

В физико-географическом отношении территория расположена на Тулвенско-Прикамской возвышенности, которая является частью Русской равнины. Возвышенность представляет собой плато с хорошо разработанной гидрографической сетью, разделяющей территорию на ряд водоразделов. Отметка высот достигает 250-280 м. Тулвинская возвышенность располагается в междуречье р. Камы, р. Сылвы, р. Ирени и р. Тулвы. Основным геоморфологическим элементом рельефа являются долины рек Тулвы и Барды, включающие широкие и низкие лога. Северные склоны длинные и пологие, южные и восточные - короткие и крутые. В разных направлениях территория пересечена многочисленными логами [Максимович, 1979].

Рис. 1. Расположение ООО «Крона Агро» на территории Пермского края

Fig. 1. Location of Krona Agro in Perm region

По геологическому строению территория представлена отложениями казанского яруса верхней перми, состоящими из красно-бурых и коричнево-бурых пермских глин. Эти коренные породы покрыты толщей четвертичных отложений, верхние горизонты которых являются почвообразующими породами. Покровные некарбонатные глины и суглинки на водораздельных плато и склонах являются материнской породой для дерново-подзолистых почв. Элювии пермских глин на перегибах возвышенностей крутых склонов, где в результате древних эрозионных процессов смыт чехол четвертичных отложений, являются почвообразующими для дерново-бурых почв. Элювий известняков и мергелей встречается отдельными небольшими пятнами на вершинах возвышений, перегибах склонов и является материнской породой для дерново-карбонатных почв [Софроницкий, 1967]. Территория землепользования находится в зоне дерново-подзолистых почв, поэтому почвы подзолистого типа здесь занимают наибольшие площади.

История сельскохозяйственного освоения территории начата в 1938 г. - был организован колхоз «Маяк». Начиная с 2016 г. на данном землепользовании осуществляет выращивание кормовых культур ООО «Крона Агро», которое специализируется на молочном и мясомолочном животноводстве.

Результаты и обсуждение

Векторная почвенная карта ООО «Крона Агро» охватывает площадь 5306 га. При создании данной карты было оцифровано 330 контуров почв. В результате картометрический расчетов установлено, что на территории хозяйства преобладают дерново-мелкоподзолистые почвы, а их площадь составляет 1448,1 га или 27,3% (рис. 2).

Анализ разновременных спутниковых снимков Landsat, сделанных в зимний период, позволяет достоверно выявить покрытие почв древесной растительностью. По полученным данным, территория хозяйства на 50% покрыта древесной растительностью.

Используемыми в сельскохозяйственном производстве почвами являются: дерново-слабо- и мелкоподзолистые, дерново-бурые, дерново- глееватые. За период с 1988 по 2018 год произошло зарастание почв на площади 1575,6 га (рис. 3).

Рис. 2. Оцифрованная почвенная карта ООО «Крона Агро»

Fig. 2. Digitized soil land use map of «Krona Agro»

Рис. 3. Оценка интенсивности зарастания земель древесной растительностью: a - покрытие древесной растительностью в 1988 г. (2334,6 га); b - покрытие древесной растительностью в 2018 г. (3910,2 га); с - выявленная территория зарастания (1575,6 га)

Fig. 3. Estimation of the intensity of overgrowing land use by woody-shrubby vegetation: a - coverage with woody vegetation in 1988 (2334.6 ha); b - coverage of woody vegetation in 2018 (3910.2 ha); c - identified area of overgrowing (1575.6 ha)

В результате совмещения почвенной карты и выявленных по спутниковым снимкам участков зарастания древесной растительностью, проведена оценка динамики зарастания в разрезе различных типов почв (рис. 4, табл. 1). Установлено, что этот процесс особенно выражен на комплексах дерново-подзолистых с дерновыми намытыми почвами, а также на дерново-мелкоподзолистыхпочвах. В основном зарастание пахотных земель вызвано тем, что они расположены на неудобных для механизированной обработки территориях: крутые склоны, склоны логов, участки овражно-балочного рельефа. Таким образом, в результате спутникового мониторинга установлено, что за 30 лет пахотные почвы хозяйства заросли на 40%.

Рис. 4. Карта лесной растительности и территорий зарастания

Fig. 4. Map of forest vegetation and overgrown territories

Таблица 1 Интенсивность зарастания земель в разрезе почвенных контуров [The intensity of land overgrowing in the context of soil contours]

Процесс естественного зарастания в основном происходит следующими видами деревьев: ель обыкновенная (Picea abies L.), береза пушистая (Betula pubescens L.), рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.), черемуха обыкновенная (Prunus padus L.). При зарастании почв может происходить изменение их морфологических признаков, физических и физико-химических свойств в верхнем пахотном горизонте. Возможно, что будет происходить накопление гумуса и улучшение показателей структурно-агрегатного состава в верхнем слое. На заброшенной пашне при восстановлении естественной растительности возникают почвы, которые могут отличаться от почв зонального типа и от обрабатываемых почв. Наиболее существенные изменения отмечаются в особенностях иллювиально-элювиального дифференцирования профиля дерновоподзолистых почв.

В результате анализа разновременной спутниковой информации нами выявлена тенденция снижения обрабатываемых земель. Площадь пашни сократилась на 40%, при этом число полей уменьшилось с 35 до 26. Поэтому оценка сельскохозяйственного использования почв по данным дистанционного зондирования была проведена для обрабатываемых в хозяйстве территорий по 26 объектам (рис. 5).

Анализ рельефа обрабатываемых полей (рис. 6) показал преобладание на них небольшого уклона в 1-3°, однако на полях 21, 23, 24 средний уклон в 4-5 градусов может усиливать эрозию при неправильной обработке почв. Экспозиция склонов в пределах полей значительно варьирует, но выделяются поля преимущественно южной экспозиции (12, 23, 25), которые раньше других будут готовы к весенним полевым работам. Рассчитанный на основе цифровой модели рельефа топографический индекс влажности (TWI) свидетельствует о неблагоприятных водно-физических свойствах почв полей 1,2, 6-8, 10 и 14. На данных полях встречаются контуры дерново-глееватых почв. Большинство почв территории согласно TWI относится к автоморфным. землепользование растительность спутниковый почвенный

Характеристика структуры почвенного покрова сельскохозяйственных полей проведена с использование коэффициента контрастности почвенного покрова [Скрябина, 2007] и представлена в табл. 2. Большинство полей характеризуются среднеконтрастным почвенным покровом, но при этом доля сильноконтрастных участков значительна (10 из 26 полей). Крайне контрастный почвенный покров наблюдается на поле 13. Внутри этого поля встречаются почти все таксономические единицы почв ООО «Крона Агро».

Рис. 5. Идентификация динамики распаханности земель: a - маска снимка Landsat 5 в границах хозяйства, 1985 г. (общая площадь полей - 2763,5 га, количество полей - 35); b - маска снимка Sentinel 2 в границах хозяйства, 2018 г. (общая площадь полей - 2763,5 га, количество полей - 26)

Fig. 5. Identification of the dynamics of plowing land use: a - a mask of the Landsat 5 image within the farm, 1985 (total field area - 2763.5 ha, number of fields - 35); b - mask of the Sentinel 2 image within the boundaries of the holding, 2018 (total field area - 2763.5 ha, number of fields - 26)

Рис. б. Геоморфологические условия обрабатываемых полей по данным SRTM 90:

Fig. 6. Terrain conditions of cultivated fields according to SRTM 90: a - slope steepness (field average); b - exposure of the slope; c - topographic wetness index

Таблица 2 Структура почвенного покрова обрабатываемы полей ООО «Крона Агро»

[The structure of the soil cover of the cultivated fields of Krona Agro]

Выводы

На основе дистанционных и картографических материалов проведен анализ сельскохозяйственного использования почв одного из типичных хозяйств Пермского края. За период с 1988 по 2018 г. произошло зарастание почв на площади 1575,9 га.

В залежное состояние перешли в основном дерново-слабоподзолистые (40%) и дерново-бурые (50%) почвы. Кроме этого, значительная часть весьма ценных для данной территории дерново-карбонатных почв (10%) оказалась покрыта лесной растительностью и выбыла из сельскохозяйственного оборота. При этом происходит интенсивное использование преобладающих дерново-мелкоподзолистых почв - по дистанционным материалам они обрабатываются ежегодно. Несмотря на неблагоприятные водно-физические свойства, о которых свидетельствуют повышенные значения топографического индекса влажности, некоторые дер- ново-глееватые почвы также продолжают обрабатываться.

Площадь пашни сократилась на 40%, при этом число полей уменьшилось с 35 до 26. В почвенном покрове существующих полей значительна доля почвенного покрова с сильной контрастностью, что обусловлено сложным рельефом и пестротой почвообразующих пород. На каждом «сильноконтрастном» поле рекомендуется провести почвенное обследование в детальном масштабе и на основе полученных карт выполнить агроэкологическую типизацию земель. Выделение агроэкологических групп позволит разделить поля с сильной контрастностью почв на производственные участки небольших размеров с рациональным набором агротехнических мероприятий.

Библиографический список / References

1. Анализ взаимосвязи почвенных условий и характера стихийного облесения земель сельскохозяйственного назначения на территории Республики Мордовия с использованием спутниковых снимков LANDSAT / Каверин А.В., Вдовин Е.С., Василькина Д.Н., Левашкина О.М. // Материалы Международной конеренции «ИнтерКарто. ИнтерГИС». 2016. Вып. 22. Ч. 2. С. 103-112. [Kaverin A.V., Vdovin E.S., Vasilkina D.N., Levashkina O.M. Analysis of the relationship between soil conditions and the nature of spontaneous afforestation of agricultural land in the Republic of Mordovia using satellite imagery LANDSAT. Proceedings of the International Conference “InterCarto. InterGIS”. 2016. Vol. 22. Part 2. Pp. 103-112. (In Russ.)]

2. Белорусцева Е.В. Мониторинг земель сельскохозяйственного назначения Нечерноземья с применением ГИС-технологий: Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. М., 2013. [Belorustseva Ye.V. Monitoring zemel selskokhozyaystvennogo naznacheniya Nechernozemya s primeneniem GIS-tekhnologiy [Monitoring of agricultural land of non-chemozem region with the use of GIS technologies]. PhD theses. Moscow, 2013.]

3. Белорусцева Е.В. Мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий Нечерноземной зоны Российской Федерации // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 1. С. 57-64. [Belorustseva Ye.V. Monitoring of the state of agricultural lands in the Non- chemozem zone of the Russian Federation. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. 2012. Vol. 9. No. 1. Pp. 57-64. (In Russ.)].

4. Вологжанина Т.В., Москвитин М.В., Бутенко В.Ф. Почвенно-географическое районирование и структура почвенного покрова Пермской области // Научные основы повышения плодородия почв: Межвуз. сб. науч. тр. Пермь, 1982. С. 3-8. [Vologzhanina T.V., Moskvitin M.V., Butenko V.F. Soil-geographical zoning and soil cover structure of the Perm Region. Nauchnye osnovy povysheniya plodorodiya pochv. Perm, 1982. Pp. 3-8. (In Russ.)]

5. Геоботаническое районирование Нечерноземья европейской части РСФСР / Отв. ред. В.Д. Александрова, Т.К. Юрковская. Л., 1989. [Geobotanicheskoye rayonirovaniye Nechernozem'ya Evropeyskoy chasti RSFSR [Geobotanical zoning of the non-chemozem region of the European part of the Russian Soviet Federative Socialist Republic]. V.D. Aleksandrova, T.K. Yurkovskaya (eds.). Leningrad, 1989.] Документация QGIS 2.0. URL: http://docs.qgis.org/2.0/ru/docs/index.html (дата обращения: 14.10.2018) [QGIS 2.0 Documentation. URL: https://www.qgis.org/ en/docs/]

6. Дубинин М. Получение бесплатных космических снимков Landsat TM, ETM+ через Glovis. 2011. URL: http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html (дата обращения: 14.10.2017). [Dubinin M. Poluchenie besplatnykh kosmicheskikh snimkov Landsat TM, ETM+ cherez Glovis [Obtaining free satellite images of Landsat TM, ETM+ via Glovis]. 2011. URL: http://gis-lab.info/qa/landsat-glovis.html]

7. Максимович Г.А. Геоморфологическая карта Пермской области // Информационный листок ЦНТИ. Пермь, 1979. № 179. [Maksimovich G.A. Geomorphological map of Perm Region. Informatsionnyy listok TSNTI. Perm, 1979. No. 179. (In Russ.)] Суттон Т., Дассау О., Суттон М. Краткое введение в ГИС / Пер. А. Еськова. URL: https://gis-lab.info/qa/gentle-intro-gis.html (дата обращения: 17.09.2019). [Sutton T., Dassau O., Sutton M. Kratkoe vvedenie v GIS [A Gentle Introduction to GIS]. A. Eskov (translation into Russian). URL: https://gis-lab.info/qa/gentle-intro-gis.html] Скрябина О.А. Структура почвенного покрова, методы ее изучения: Учебное пособие. Пермь, 2007. [Skriabina O.A. Struktura pochvennogo pokrova, metody yeye izucheniya [The structure of the soil cover, methods of its study]. Tutorial. Perm, 2007.] Софроницкий Т.А. Геологический очерк // Химическая география вод и гидрохимия Пермской области. Пермь, 1967. С. 26-41. [Sofronitsky T.A. Geological feature article. Khimicheskaya geografiya vod i gidrokhimiya Permskoy oblasti. Perm, 1967. Pp. 26-41. (In Russ.)]

8. Шихов А.Н., Черепанова Е.С., Пьянков С.В. Геоинформационные системы: методы пространственного анализа: Учебное пособие. Пермь, 2017. [Shikhov A.N., Cherepanova E.S., Pyankov S.V. Geoinformatsionnye sistemy: metody prostranstvennogo analiza [Geographic information systems: Spatial analysis methods]. Tutorial. Perm, 2017.]

9. Peterson U., Pussa K., Liira J. Issues related to delineation of forest bound aeries on Landsat Thematic Mapper winter images. International Journal of Remote Sensing. 2004. Vol. 25. No. 24. Pp. 5617-5628.

Размещено на Allbest.ru