Применение информационных технологий при обследовании земель после ливневых дождей и местной ветровой эрозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ставропольский НИИ сельского хозяйства

Применение информационных технологий при обследовании земель после ливневых дождей и местной ветровой эрозии

Лютяев П.В.

Аннотация

Установлено, что с помощью информационных технологий можно оперативно фиксировать проявление водной и ветровой эрозии, определять размеры потерь почвы и факторы устойчивости почв к эрозионным процессам. Наблюдения показали, что наименьшую устойчивость к ветровой и водной эрозии имеют участки с чистым паром и отвальной обработкой.

Ключевые слова: информационные технологии, ветровая эрозия, водная эрозия, чистый пар, отвальная обработка

Основная часть

информационный технология мониторинг земля

При выполнении задач мониторинга земель, подверженных эрозионным процессам, возникает необходимость в оперативном и точном определении фактических потерь почвы. Определение фактических потерь почвы от водной эрозии позволяет определить устойчивость природного и агротехнического ландшафта к размыванию, разработать способы ликвидации эрозионно-опасных участков. Известно множество способов определения потерь почвы от водной эрозии, в частности:

- метод стоковых площадок [1];

- фотограмметрический метод определения потерь почвы от смыва [2];

- способ определения потерь почвы при эрозии на основе полевого измерения и расчета промоин (струйчатых размывов вдоль учетных линий в различных частях склона) [3];

- фотопрофилирование поверхности эродированной почвы с помощью реечного профилографа в виде деревянного или пластикового бруска длиной 1,5 м с параллельными отверстиями через 2 см [4].

Указанные способы имеют как достоинства, так и ряд существенных недостатков: они весьма трудоемки, дорогостоящи и требуют много времени для подготовки, не позволяют определить потери почвы с достаточной точностью, для некоторых из них необходимо сложное оборудование, а большинство непригодно для полевого обследования земель, подверженных эрозии на обширной территории.

Информационные технологии, сохраняя все плюсы перечисленных методов, лишены большинства описанных недостатков.

В нашем исследовании были поставлены следующие задачи:

- показать возможность применения информационных технологий при обследовании земель после ливневых дождей и местной ветровой эрозии;

- показать преимущества информационных методов исследования по сравнению с существующими;

- собрать информацию для дальнейшей разработки методики определения с помощью информационных технологий потерь почвы после ветровой и водной эрозии.

Для решения поставленных задач был выделен ключевой участок на платообразном поднятии центральной части Ставропольской возвышенности. Такой выбор был сделан по следующим причинам:

- на данном участке были зафиксированы агрономические фоны с нарушениями агротехнических требований, часто встречающиеся в производственных условиях края;

- участок разделен на 6 отдельных частей (участков);

- на полигоне присутствовали следующие агрономические фоны: пар, пропашные культуры, зерновые культуры, травостой, что давало возможность выявить особенности развития эрозии на различных фонах;

- сравнительно небольшой размер полигона позволял оперативно и без больших затрат проводить мониторинг участка после проявления водной эрозии.

Материально-техническая база исследования состояла из фотоаппарата, линейки, ленты с двумя колышками, компьютера на базе Pentium IV 2.8 GHz, HDD 250Gb, RAM 2GB с программным обеспечением: Adobe Photoshop CS3 Extended, MS Power Point, MS Word.

Схема участка была составлена на основе космических снимков, полученных с интернет-портала Google Maps [5]. Участок расположен на склоне северной экспозиции с крутизной от 1 до 1,5 ⁰. Почвы - чернозем обыкновенный среднемощный среднесуглинистый. Площадь ключевого участка составляет 59 га, длина - 1,45 км. Участок разбит на 6 частей (полос) шириной от 180 до 250 м. Все части разделены между собой рубежами в виде полевых дорог, которые являются препятствиями для развития стока осадков.

С помощью информационных технологий была составлена схема развития водной эрозии на ключевом участке. Информационные технологии включали: фотофиксацию смыва почвы, фотокомпьютерное профилирование поверхности почвы, компьютерное определение потерь почвы, компьютерное определение проективного покрытия поверхности почв и учет количества послеуборочных остатков. Схема была создана на основе данных, полученных после ливневых дождей 6 июля (сумма осадков 20,5 мм) и 14 июля (сумма осадков 34,3 мм) 2010 года. Данные были зафиксированы полевым обследованием через несколько часов после выпадения дождей, затем обработаны на компьютере и нанесены на схему (рис. 1).

Рис. 1 Схематичное изображение полигона с обозначением агрономических фонов и направления развития водной эрозии

1 - участки с травянистым покрытием;

2 - участки с посевами пшеницы;

3 - участки, оставленные с паровой или зяблевой обработкой;

4 - участки с посевами подсолнечника;

5 - участки с посевами кукурузы;

6 - участки с посевами картофеля.

Фотофиксация поверхности участков позволяла выявить в полевых условиях начало возникновения и дальнейшее развитие водных потоков. Фотокомпьютерное профилирование поверхности почвы обеспечивало быстрое и точное определение потерь почвы, выраженных в т/га.

В результате установлено, что существенное значение в развитии водной эрозии имеет наличие водных потоков, исходящих с вышерасположенных частей водосбора. Благодаря широкому и глубокому эрозионному углублению вдоль лесной полосы в восточной части ключевого участка была отведена основная часть потока, идущего сверху. Указанное эрозионное углубление шириной от 12 до 14 метров и глубиной от 55 до 95 см образовалось на территории выбранного ключевого участка в течение 45 лет. Смыв почвы в данном эрозионном углублении составил от 3141 т/га до 6509 т/га. Таким образом, в связи с наличием водоотводящих эрозионных углублений происходило существенное сокращение катастрофических потерь почвы на агротехнических фонах с весьма низкой устойчивостью против водной эрозии (обработка, культивация и посев вдоль склона, выровненная и распыленная поверхность с отвальной обработкой).

Отчетливо выражалось самостоятельное формирование потоков с разрушительным действием по распыленной поверхности чистого пара с культивацией вдоль склона. С помощью фотокомпьютерного профилирования поверхности почвы вычислено с точностью до десятых, что потери почвы на участках с чистым паром составляли от 46,2 до 212,4 т/га (табл. 1). Установлено, что водные потоки с водосборных площадей могут, аккумулируясь, набрать силу и возрасти в несколько раз, оставляя после себя большие промоины с катастрофическим уроном почвенному покрову.

Таблица 1

Показатели противоэрозионной устойчивости агротехнических фонов после водной эрозии с количеством осадков: 6 июля 2010 года - 20,5 мм, 14 июля - 34,3 мм

Пропашные культуры не защищают в достаточной мере почву от водной эрозии, если не оставлять на поверхности послеуборочные остатки. Установлено, что на участках с кукурузой и картофелем с расположением рядков вдоль склона потери почвы составили 45,4 и 42,5 т/га, соответственно. Полную устойчивость к водной эрозии проявили агротехнические фоны со стерней и разбросанной соломой после уборки, а также с многолетними травами при проективном покрытии 97,3 и 94,2 % (вычислено при помощи фотофиксации поверхности участков), соответственно (табл. 1).

Дороги, проложенные между полями, способствуют развитию водных потоков, которые начинают свое развитие на дороге, а, набрав силу, перемещаются на участки с посевами или оставленные под пар. Эрозионные углубления по границам участка вдоль дорог и лесных полос имеют явную тенденцию к оврагообразованию. Культивация поверхности поля, проведенная после проявления на нем водной эрозии, не гарантирует защиту от эрозии. При следующем сильном дожде водные потоки идут по тем же маршрутам, что и раньше. Поля с отвальной глыбистой обработкой в достаточной степени защищают почвенный покров от размывания по сравнению с распыленной поверхностью.

Примечательно, что 7 и 9 июля в короткий период между ливневыми дождями с проявлением водной эрозии 6 и 14 июля отмечалась местная ветровая эрозия на участках с паровой обработкой. Ветровая эрозия отмечалась при восточном ветре со скоростью 10-12 м/с при температуре 32-35 ⁰С. Выдуванию подвергались частицы, образовавшиеся после водной эрозии. Фотофиксацией установлено, что выдувание частиц происходило на поверхности чистого пара с культивацией поперек эрозионного ветра и начиналось после полосы с посевами озимой пшеницы, имевшими высоту до 75 см, на расстоянии 1-3 метра от них.

На почвах легкого гранулометрического состава выдувание частиц на размытой поверхности участка с паровой обработкой наблюдалось также поперек ветра даже на подветренном склоне крутизной 2-2,5 ⁰. Фотофиксацией установлено, что образование пылевато-воздушного потока происходило на расстоянии от 1 до 5 метров после травянистого покрова и лесных насаждений высотой 2,5 метра. При порывах ветра от 12 до 14 м/с происходило лавинообразование пылеватого потока, которое полностью прерывалось при начале травянистого покрова.

На участках среднего механического состава зафиксировано начало выдувания почвы на расстоянии 15 метров от лесных насаждений. На отдельных участках с паровой обработкой и размытой поверхностью с многочисленными промоинами, образованными после дождей 6 июля, фотофиксация показала начало образования пылевато-воздушного потока на сильноэродированной каменистой почве после лесных полос высотой 15 метров на расстоянии 5 метров от них.

После ливневого дождя 14 июля также отмечалось выдувание на полях с паровой обработкой 23 и 24 июля 2010 года при скорости ветра от 8 до 12 м/с и температуре 34-36 ⁰С. 14-15 августа при скорости ветра 10-12 м/с и температуре 37⁰С также наблюдалась местная ветровая эрозия на участках, поврежденных водной эрозией.

Результаты сухого рассева (табл. 2) показывают, что на поверхности почвы после водной эрозии создается опасная ситуация для проявления ветровой эрозии. Размытые и раздельные частицы, оставшиеся на поверхности, подвергаясь быстрому высыханию при температуре 32-37 ⁰С, легко поддаются выдуванию даже при их расположении в рядках культивации поперек ветра. Содержание эрозионно-опасных частиц менее 1 мм на поверхности составляло от 64,7 до 89,8 %. При этом сильное распыление (30,3-43,2 %) отмечалось и в слое 0-5 см.

Таблица 2

Результаты сухого рассева почвенных частиц в период проявления ветровой эрозии (7-9 июля 2010 г.) на участках после водной эрозии

Результаты рассева частиц в наносах свидетельствуют о том, что выдуванию подвергались, преимущественно, частицы диаметром менее 1 мм, их содержание в наносах составляло 92,9%. Следует отметить, что после сдувания частиц менее 1 мм с поверхности местная ветровая эрозия прекращалась. Дальнейшему развитию ветровой эрозии способствовало также кратковременное и несильное проявление ветра. При более продолжительном действии и большей скорости ветра могло наблюдаться катастрофическое развитие ветровой эрозии, поскольку участки с паровой, отвальной обработкой находились в неустойчивом состоянии. Таким образом, на участках с чистым паром и отвальной обработкой существует опасность катастрофического развития и водной, и ветровой эрозии. В связи с тем, что чистый пар с отвальной обработкой на Ставрополье применяется на сотнях тысяч гектарах, количественные и качественные показатели потерь почвы в результате эрозионных процессов, являясь индикаторами таких процессов, могут стать основанием для проведения последующих противоэрозионных мероприятий. Применение же информационных технологий позволяет более оперативно и точно определять данные показатели.

Все вышеизложенные выводы и результаты были сделаны на основе данных, полученных фотофиксацией состояния поверхности почвы, а также фотокомпьютерным профилированием поверхности почвы. Таким образом, применение информационных технологий при оперативном полевом обследовании земель показало возможность фотофиксации состояния поверхности почвы, а также определения потерь почвы сразу, через несколько часов после водной или ветровой эрозии, что практически невозможно при использовании указанных в начале статьи методов. Также информационные технологии позволяют исследовать обширные территории за короткий промежуток времени без потери точности результата. Основным достоинством представленных технологий в настоящий момент являются малые финансовые затраты для получения точных результатов (необходимо иметь только цифровой фотоаппарат и компьютер).

Поэтому применение информационных технологий в сельском хозяйстве, как показывают в том числе наши исследования эрозионных процессов, является очень перспективным, получает большое развитие в последние годы (ГИС-технологии, технологии точного земледелия и т.д.) и заслуживает пристального внимания со стороны как работников сельскохозяйственной сферы, так и ученых.

Список использованных источников

1. Сурмач Г.П. Водная эрозия и борьба с ней. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 252 с.

2. Welch, R. A photogrammetric technique for measuring soil erosion / R. Welch, T.R. Jordan, S.A. Thomas // J. Soil Water Conserv. 1984. V. 39. №3. P. 191-194.

3. Соболев С.С. Защита почв от эрозии и повышение их плодородия. М.: Сельхозиздат, 1961. 232 с.

4. Егоров И.Е. Полевые методы изучения почвенной эрозии. Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2009, № 1. С. 157-170.

5. Карты Google [Электронный ресурс] // http://maps.google.ru/?ie=UTF8&ll= 5.131044,42.064247&spn=0.010324,0.023067&t=h&z=16. 2011.

Размещено на Allbest.ru