Опустынивание земель сельскохозяйственного назначения в Черноземельском районе Калмыкии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Опустынивание земель сельскохозяйственного назначения в черноземельском районе Калмыкии

В.Г. Юферев, А.И. Беляев, К.П. Синельникова

Аннотация

Актуальность. Развитие деградации на аридных территориях России в последние годы приобрело устойчивую тенденцию к росту, причем отмечается усиление влияния климатических факторов, в первую очередь увеличение частоты и интенсивности пыльных бурь. Объект. Территория Черноземельского района Калмыкии, выбор объекта обусловлен в первую очередь тем, что результаты систематического многолетнего аэрокосмического мониторинга показали существенное влияние пыльных бурь на состояние земель, сокращение площади кормовых угодий и уменьшение поголовья скота. В работе была поставлена цель определение количественных характеристик изменения площади земель подверженных опустыниванию. Задача исследований - определение параметров и закономерностей изменения площади опустыненных земель в современных условия, выделения главных факторов опустынивания, определение величины и скорости процессов опустынивания. Материалы и методы. Методология основана на использовании геоинформаци- онного анализа космоснимков территории Черноземельского района, подверженной опустыниванию и пространственно-временном подходе к оценке трендов и динамики изменения площадей деградированных участков. Результаты и выводы. Полученные данные свидетельствуют о том, что даже при снижении пастбищной нагрузки в Калмыкии с 2,4 млн голов овец и коз в 2017 году до 1,75 млн голов в 2022 году, идет процесс увеличения площадей участков опустынивания. Только в Черноземельском районе прирост площади участков опустынивания составил 663 тыс. га. Этот процесс вызван в изменениями климатических факторов и в первую очередь увеличением частоты и интенсивности пыльных бурь. Меры противодействия опустыниванию должны быть связаны с восстановлением биоценозов средствами фитомелиорации, широким применением лесомелиорации на лесопригодных почвах с использованием древесных и кустарниковых пород.

Ключевые слова: мониторинг земель, опустынивание земель, космоснимки, гео- информационный анализ, дистанционное зондирование территорий.

Введение.

Опустынивание в Черноземельском районе Калмыкии в последние годы стремительно нарастает, что подтверждается увеличением площади земель с минимальным проективным покрытием травянистой растительности, в том числе и открытых, развеваемых песков. Такая ситуация особенно активно развивается в условиях повышения среднесуточной температуры воздуха и снижения количества осадков в летний период. Особый вклад в увеличение площади земель, подверженных опустыниванию, наносят участившиеся пыльные и песчаные бури, воздействие которых приводит к уничтожению растительности и семян растений, что приводит к уменьшению проективного покрытия как в настоящем, так и в будущем. Что особенно тревожно, что такие явления отмечаются уже три года подряд, причем в 2022 году уже отмечено 2 периода пыльных бурь в мае и августе. Несмотря на сокращение пастбищной нагрузки в Черноземельском районе почти в 2 раза, по официальным данным (https://gks.ru/dbscripts/munst/munst85/DBInet.cgi), с 605 тыс. голов в 2017 году до 316 тыс. голов в 2021 году наблюдается увеличение площади пастбищ с проективным покрытием менее 10 %. Актуальность геоинформационного анализа изменения состояния земель с использованием данных дистанционного зондирования обусловлена тем, что с помощью него можно установить современное пространственное размещение деградированных участков с различным проективным покрытием. Решение задачи картографирования таких участков на основе результата анализа обеспечивает понимание как общего состояния сельскохозяйственных угодий, так и отдельных их участков, а также дает возможность дифференцировать территорию по степени деградации. Особое значение при этом имеет определение изменения площади деградированных участков, проходящих за определенное время, а также сопоставление таких изменений с изменением климатических и антропогенных факторов. Такой подход позволяет определить динамику состояния растительного покрова и выделить условия, которые являются доминирующими на современном этапе развития опустынивания.

Материалы и методы. Дистанционная оценка опустынивания земель сельскохозяйственного назначения в Черноземельском районе Калмыкии проводится с использованием геоинформационного картографического анализа данных дистанционного зондирования участков опустынивания. Динамика прошедших изменений площади участков опустынивания проводится с использованием актуальных и архивных космоснимков, получаемых от сервиса Earth Explorer (https://earthexplorer.usgs.gov). Оценка степени опустынивания основывается на геоинформационной оценке результатов дистанционных исследований участков опустынивания [3]. Критерием степени деградации для земель сельскохозяйственного назначения выбрано проективное покрытие участков территории с градациями «норма», «риск», «кризис» и «бедствие» [8], так как при дешифрировании космоснимков оно является прямым признаком деградации и достоверно классифицируется как визуально, так и в режиме автоматической классификации [5].

Для оценки динамики опустынивания на территории исследований проводится исследование изменений площади участков опустыненных земель на основе данных дистанционного мониторинга [12] с использованием серии архивных космоснимков спутников серии Landsat и Sentinel 2 [2, 14]. По полученным данным проводится статистический анализ с разработкой уравнений регрессии.

Математическая и статистическая обработка результатов в программе Statistica 6 дают возможность выявить функциональные связи изменения площади опустынивания по времени и определить корреляцию изменений площади опустынивания и действующих природных и антропогенных факторов, что обеспечивает разработку модели таких изменений [10, 13].

Методология исследований основана на том положении, что изображение на снимке соответствует определенным параметрам исследуемого объекта. Геоинформа- ционный анализ результатов съемки с применением программного комплекса QGIS 3.24 дает возможность разработать векторные контуры участков опустынивания, выявить их степень деградации и определить пространственное положение [6, 7].

По результатам геоинформационного анализа архивных космоснимков выбранного полигона исследований выделяются близкие по времени характеристики съемки (период съемки, облачность, влажность почвы) и создаются картографические слои опустынивания. Созданные слои используются для сравнения изменений на полигоне исследований и определения степени деградации. Точность полученных пространственных данных об опустынивании земель в основном определена характеристиками аппаратуры съемки и позиционирования спутника [1, 9].

Полевое эталонирование участков, подверженных опустыниванию, проводится с целью повышения достоверности интерпретации результатов съемки [15].

Выбор полигонов для определения степени деградации опустыненных земель проводится в процессе геоинформационного анализа территории исследования. пыльный буря опустынивание кормовой

При этом опустыненным участкам в условиях аридного климата относят участки, подверженные дефляции с разреженным растительным покровом с проективным покрытием менее 10 % от зонального; территории, используемые для производства сельскохозяйственной продукции, подверженные различным видам деградации со степенью «бедствие» и «кризис»; территории, подверженные проявлениям засух и пыльных бурь, способствующих передвижению песков и гибели растительного покрова; территории с преобладанием слабогумусированных песчаных массивов; засоленные земли со степенью «бедствие» и «кризис» [4, 11].

Для общей оценки опустынивания земель с использованием геоинформацион- ных технология и на основе данных дистанционного зондирования создается обзорная карта территории исследований, дающая возможность выявить координаты участков опустынивания, в масштабе 1 : 1000000, 1 : 2000000. На такую карту наносят координатную сетку, границы полигонов исследований и атрибутивную информацию.

Для выявления вида опустынивания и количественной оценки площадей участков, подверженных опустыниванию, разрабатываются карты с масштабом 1 : 10000, 1 : 25000. Векторные слои контуров участков опустынивания разрабатываются на основе геоинформационного анализа космоснимков высокого и сверхвысокого разрешения.

Таким образом, применение геоинформационных технологий для картографирования опустынивания земель дает возможность использовать дистанционные зондирования для разработки крупномасштабных карт деградированных участков в условиях аридного климата. На таких картах представлены пространственные данные и количественная оценка участков опустынивания; рельеф контуров опустыненных участков; контуры почв, контуры растительных фитоценозов; виды и степень опустынивания земель.

Рисунок 1 - Обзорная комокарта Черноземельского р-на Р. Калмыкия (Sentinel 2, 24.08.2022 г.)

Результаты и обсуждение. Черноземельский район расположен на юге Калмыкии и граничит с территорией Левокумского района Ставропольского края и Ногайского района республики Дагестан (рисунок 1).

Развитие геоинформационных технологий и данные дистанционной информации высокого разрешения со спутников Sentinel 2 позволили определить площади опустыненных территорий. Для исследований динамики изменения площадей опустынивания на землях сельскохозяйственного назначения был выбран период с 2017 года по настоящее время. Выбор этого периода обусловлен резким изменением климатических условий, обусловленным увеличением частоты и количества пыльных бурь (рисунок 2).

Рисунок 2 - Пыльная буря 28 августа 2022 г (сервис Worldview

Если до 2020 года частота пыльных бурь на территории северо-западного При- каспия составляла в среднем одна буря в 5 лет, то начиная с 2020 года такое явление проявляется уже три года подряд, а в 2022 году отмечены пыльные бури в конце мая и в конце август,а по данным спутника Аqua со спектрорадиометром MODIS.

Опустынивание земель сельскохозяйственного назначения в Черноземельском районе Калмыкии оценивалось по результатам космической съемки территории спутником Sentinel 2 в период 2017-2022 год с разрешением 20 м и с точностью привязки 12 м (рисунок 3).

Рисунок 3 - Космоснимки территории Черноземельского района с выделенными участками опустынивания, спутник Sentinel 2 (2017-2022 год)

Дешифрирование космоснимков и применение геоинформационных технологий для классификации из изображения дает возможность выделить территории, подверженные опустыниванию, в нашем случае учитывались все площади, подверженные засолению, дефляции, антропогенной деградации, а также слабозаросшие пески.

Результаты определения опустынивания земель представлены на рисунке 4. Регрессионный анализ результатов исследования показал, что нарастание опустынивания на территории Черноземельского района Калмыкии в последние 5 лет идет по экспоненте и может быть описано уравнением 1 с коэффициентом детерминации R2 = 0,995, где Sоп - суммарная площадь опустыненных участков, t - время от начала исследований, год:

Рисунок 4 - Изменения площади опустыненных земель в 2017 -2022 г.

Для выявления динамики опустынивания за последние 6 лет (рисунок 4) получена первая производная уравнения 1, представленная уравнением 2 с коэффициентом детерминации R2 = 0,995, где Vоп - скорость нарастания суммарной площади опустыненных участков, t - время от начала исследований, год:

Установлено, что начиная с 2017 года идет увеличение суммарной площади участков опустынивания, к маю 2022 года отмечено увеличение этой площади в 4,9 раза с 169 тыс. га до 831 тыс. га. Выявлено увеличение скорости опустынивания земель Черноземельского района с 185,9 тыс. га/год в 2017 году до 708,5 тыс. га/год в 2022 году.

Выводы

Можно отметить, что доминирующими факторами, способствующими опустыниванию, в последнее время становятся климатические факторы, и в первую очередь увеличение количества и интенсивности пыльных бурь. Проявление пыльных бурь в мае 2020 года привело к резкому увеличению площади опустынивания, что обусловило снижение площади земель, пригодных для выпаса скота и, как следствие, снижению поголовья овец и коз с 2,41 млн голов в 2017 г. до 1,75 млн голов на 1 августа 2022 г. Пыльные бури в мае и августе 2022 г. еще более ухудшили общее состояние пастбищ на территории Черноземельского района. Воздействие пыльных бурь привело не только к увеличению площади открытых подвижных песков, но и резко уменьшили продуктивность и видовой состав фитоценозов пастбищ за счет наиболее ценных бобовых и злаковых кормовых растений. Таким образом, опустыненные участки на территории Черноземельского района к 2022 году охватили 58,5 % территории. Меры по предотвращению опустынивания земель в условиях изменения климатических условий, безусловно, должны быть связаны с восстановлением фитоценозов и созданием насаждений средствами фитомелиорации из устойчивых в существующих условиях полукустарников, полукустарничков и трав, широким применением лесомелиорации на лесопригодных почвах - с использованием древесных и кустарниковых пород.

Библиографический список

1. Афанасьев В. С. Использование геоинформационных технологий в прикладных задачах мониторинга сельскохозяйственных земель // Геоинформатика. 2022. № 2. С. 12-17.

2. Бочка Л. А., Кашницкий А. В. Макет потоковой обработки данных Sentinel-2 // Вестник Тверского Государственного университета. Серия: география и геоэкология. 2018. № 3. С. 40-56.

3. Геоинформационный анализ опустынивания Северо-Западного Прикаспия / К. Н. Кулик, В. И. Петров, В. Г. Юферев, Н. А. Ткаченко, С. С. Шинкаренко // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26. № 2 (83). С. 16-24.

4. Золотокрылин А. Н. Глобальное потепление, опустынивание, деградация и засухи в аридных регионах // Известия Российской академии наук. Серия географическая. 2019. № 1. С. 3-13.

5. Классификация космоснимков Sentinel-2 Байкальской при-родной территории / И. В. Бычков, Г. М. Ружников, Р. К. Федоров, А. К. Попова, Ю.В. Авраменко // Компьютерная оптика. 2022. Т. 46. No 1. С. 90-96.

6. Комарова И. А., Иванцова Е. А. Геоинформационная оценка агроландшафтов на тестовом полигоне «Черные Земли» // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. 2021. № 1 (61). С. 452-460.

7. Кресникова Н. И., Васильевых Н. А. Применение данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий для обеспечения территориального планирования // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Т. 62. № 2. C. 212-217.

8. Куст Г. С., Андреева О. В., Лобковский В. А. Нейтральный баланс деградации земель - новая глобальная концепция и методология исследования засушливых регионов на национальном уровне // Аридные экосистемы. 2020. Т. 26. № 2 (83). С. 3-9.

9. Титкова Т. Б., Золотокрылин А. Н. Мониторинг подверженных опустыниванию земель Республики Калмыкия // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 130-141.

10. Шинкаренко С. С. Пространственно-временная динамика опустынивания на Чёрных землях // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16. № 6. С. 155-168.

11. Assessing soil degradation in northern Eurasia / P. Krasilnikov, O. Makarov, I. Alyabina, F. Nachtergaele // Geo- derma Reg. 2016. No 7 (1). P. 1-10.

12. Desertification et systeme terre: de la (re)connaissance a l'action / M. Akhtar-Schuster, M. Bernoux, Martial Chotte, Jean-Luc Stringer, Lindsay Custovic, Hamid Pietragalla, Vanina. // La revue Liaison Energie-Francophonie. 2017. № 105. P. 31-35.

13. Desertification Information Extraction Based on Feature Space Combinations on the Mongolian Plateau / Haishuo Wei, Juanle Wang, Kai Cheng, Ge Li, Altansukh Ochir, Davaadorj Da- vaasuren, Sonomdagva Chonokhuu // Remote Sens. 2018. V. 10 (10). P. 1614.

14. Satellite Monitoring the Spatial-Temporal Dynamics of Desertification in Response to Climate Change and Human Activities across the Ordos Plateau, China / Q. Guo, B. Fu, P. Shi, T. Cudahy, J. Zhang, H. Xu // Remote sensing. 2017. Vol. 9. No. 6. P. 255.

15. Yuferev V. G., Tkachenko N. A., Sinelnikova K. P. Spectral Characteristics of Desertified Black-Earth Pastures // Arid Ecosystems. 2022. Vol. 12. No. 1. P. 54-60.

Размещено на Allbest.ru