Исследование Земли из Космоса, 2023, № 2, стр. 54-60

ВВЕДЕНИЕ

Исследования состояния земель в переходных природно-географических зонах показывают, что в настоящее время площади деградированных участков растет. На территории Волгоградского Заволжья отмечается тенденция роста площадей деградированных земель, что объясняет актуальность исследования. Единая направленность расширения деградированных, а также безлюдных территорий прослеживается в южных ареалах Волгоградского Заволжья (Рулев, 2012; Ткаченко, 2014).

В связи с этим основной задачей работы является мониторинг изменения площадей участков подверженных деградации в переходной природно-географической зоне Волгоградского Заволжья.

Наиболее эффективным методом изучения состояния земель является аэрокосмический мониторинг, позволяющий за короткое время провести исследования на больших территориях и существенно снизить экономические затраты (Guo, et al., 2017). Аэрокосмический мониторинг проведен с использованием спутниковых данных за двадцатилетний период. Использование геоинформационных технологий дает возможность провести картографическую оценку пространственного положения и площадей деградированных земель (Виноградов, 1984).

Деградация земель на территории Волгоградского Заволжья обусловлена климатическими и почвенными условиями, а также нерегламентированной хозяйственной нагрузкой. В связи с тем, что территория исследований расположена в переходной зоне от Малого Сырта к Прикаспийской низменности здесь отмечается существенное изменение почвенных условий каштановых почв (от темно-каштановых в северной части до светло-каштановых в южной), широко распространены солонцы, особенно в бессточной части. В связи с этим опустынивание обусловлено такими видами деградации как: водной эрозией в северной части территории исследования, засолением на всей территории и дефляцией на равнинных участках. Сумма среднегодовых осадков за последнее двадцатилетие составляет 286 мм при испаряемости до 1000 мм в год. Среднегодовая температура воздуха составляет 7°С, перепад между максимальной и минимальной температурой составляет порядка 80°С (Сажин, Кулик, Васильев, 2010). В переходной природно-географической зоне развитие процессов деградации, таких как засоление, дефляция и эрозия усугубляют сложные условия для развития хозяйственной деятельности (Рулев, Канищев, Шинкаренко, 2016).

В результате исследования установлена цикличность изменения площадей деградированных земель и зависимость площади деградации от количества выпадающих осадков, являющимся доминирующим фактором в переходной природно-географической зоне “степь–полупустыня” Волгоградского Заволжья.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Мониторинг состояния земель в переходной природно-географической зоне был проведен по методике использования результатов дешифрирования данных дистанционного зондирования территории Волгоградской Заволжья и геоинформационного картографирования подстилающих поверхностей на основе программного комплекса QGIS. В работе использованы космоснимки спутников Landsat 7 (до мая 2003 г.) и Landsat 8 полученных с сервиса https://earthexplorer.usgs.gov. Снимки для анализа выбирались с периода 2003 по 2013 гг. без пропущенных полос в весенне–летний период.

Состояние земель Волгоградской Заволжья определяется по космоснимкам на основании установления значений проективного покрытия растительности исследуемой территории, так как проективное покрытие с высокой точностью (ошибка менее 20%) определяется по данным дистанционного зондирования земли (Виноградов, 1993). Для выявления пространственного распределения контуров растительности проводится геоинформационный анализ пространственного распределения проективного покрытия и составляются соответствующие картографические слои (Кулик, Рулев, Юферев, 2013, 2015).

На основании анализа пространственного распределения проективного покрытия осуществляется векторизация полученных данных и создаются векторные контуры, а в соответствии с методическими рекомендациями по выявлению деградированных и загрязненных земель, где определены для зоны полупустыни соответствующие степени деградации земель (Kulik, Petrov, Yuferev, Tkachenko, Shinkarenko, 2020).

В нашей работе рассмотрена крайняя степень деградации земель (бедствие) (Виноградов, 1993), для выявления очагов возможного опустынивания территории (Zonn, Kust, Andreeva, 2017).

Для классификации опустынивания по изображению на космоснимках выбрано значение проективного покрытия 0–10% от зонального. Классификация растрового изображения проводилась в программном комплексе QGIS. Для охвата всей территории исследования были использованы отдельные каналы спектрозональной съемки № 2 (В), № 3 (G), № 4 (R), № 8 (Panchrom), на основе которой созданы цветосинтезированные снимки с разрешением 15м. Для анализа использовались спектрозональные снимки территории Волгоградского Заволжья с пространственным разрешением 30 м и точностью позиционирования 12 м (Кузнецов, Пошехонов, Рыжиков, 2015).

Объединение полученных снимков позволило разработать космокарту на территорию исследования.

Исследования деградации и опустынивания в переходных природно-географических зонах проводились Б.В. Виноградовым, К.Н. Куликом, В.И. Петровым и В.Г. Юферевым и др. В их работах были определены причины негативных явлений, связанных с опустыниванием.

Особенностью переходных природно-географических зон является периодическое изменение климатических условий, характерных как для степной, так и для полупустынной зоны и соответствующей реакции растительного покрова на это изменение (Kulik, Petrov, Rulev, Kosheleva, Shinkarenko, 2018). Разработки, связанные с изучением деградации и опустынивания, определили подходы к выявлению негативных явлений и установления масштабов и пространственного распределения их степени (Lyu, et al., 2020).

Для верификации данных дистанционного зондирования земли были разработаны фотоэталоны деградации земель. На фотоэталонах были получены средние значения тона изображения и вычислено стандартное отклонение, путем анализа пикселей растра подстилающей поверхности выделены участки, подверженных деградационным процессам. Фотоэталонирование позволяет получить данные по доли очагов опустынивания в исследуемом регионе.

Методика дешифрирования заключается в полуавтоматической классификации изображения космоснимка основанная на выделении тона изображения растительности с различным проективным покрытием. В нашем случае для установления степени деградации использовался диапазон тона пикселей, соответствующий проективному покрытию менее 10%.

Для проведения мониторинга состояния земель (Юферев, 2007) был применен метод пространственно-временного анализа космокарт, разработанных на период с 2000 по 2020 гг. на которых выделялись контуры, соответствующие степени деградации бедствие.

Оценка динамики площади деградации земель на территории исследования проводилась с использованием регрессионного анализа с разработкой уравнения регрессии и определения коэффициентов аппроксимации и определением корреляционной связи расчетных и фактических данных (Кузьмина, Трешкин, 2014).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Мониторинг состояния земель в переходной природно-географической зоне Волгоградского Заволжья проведен на основе данных дистанционного зондирования спутников Landsat 7, 8 в период 1984–2020 гг.

Фотоэталонирование тестовых участков позволило выявить значения фототона изображения для характерных участков деградированных земель.рис. 1

Рис. 1.

Фотоэталоны с проективным покрытием: а – 25%, б – 10%.

Для проведения исследований были отобраны репрезентативные тестовые участки территории Волгоградского Заволжья, на которые были получены спектрозональные снимки и разработаны космокарты территории Заволжья. В результате классификации снимков по проективному покрытию были получены контуры участков, со степенью деградации “бедствие” и разработаны космокарты деградации по годам исследования (рис. 2).

Рис. 2.

Космокарты деградации земель Волгоградского Заволжья по годам исследований.

В табл. 1 приведены значения площадей деградированных земель (степень деградации “бедствие”) и количество осадков по годам исследования.

На рис. 3 данные за весь период исследований, вместе с моделью – уравнением связи площади опустынивания с временем от начала исследований.

Рис 3.

Площади деградированных земель и количество годовых осадков по годам исследования.

Корреляционный анализ данных проведен по годам исследований начиная с 1984 года (первый год исследования) по 2020 год в течение 37 лет показал отрицательную связь между суммарным количеством осадков и площадью опустынивания (рис. 3).

В связи с тем, что площадь очагов опустынивания изменяется во времени, то можно на основании многолетних изменений такой площади разработать модель ее изменений на основании ретроспективного анализа.

Закономерность изменения площадей очагов подверженных опустыниванию (S_оп), по времени от начала исследований (t = 1–37) можно описать уравнением регрессии.

Коэффициент корреляции значения модели площади опутывания по данным 1984 г. с фактическим изменением площадей опустынивания R = 0.53.

Проведенный мониторинг территории Заволжья Волгоградской области за 37 лет с использованием данных дистанционного зондирования по материалам спутниковых снимков позволил определить изменение площади очагов опустынивания и сумм атмосферных осадков за период с 1984 по 2020 гг.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате космического мониторинга изменения площадей опустынивания на территории Волгоградского Заволжья было установлено, что площадь опустынивания в основном зависит от количества выпадающих осадков. Установлено, что в связи с цикличностью выпадения осадков наблюдается цикличность изменения площади опустынивания. Определена тенденция к снижению количества выпадающих осадков за исследуемый период (на 80 мм). Данные дистанционного зондирования земли дают возможность выявить участки опустынивания, выделить их контуры и определить площади. За последние годы просматривается тенденция к стабилизации площади опустынивания, не смотря на снижение количества выпавших осадков. Однако в 2020 г. отмечено резкое увеличение площади, обусловленное засухой. Циклическая функция, представленная в работе уравнением дает возможность прогнозировать с определенной достоверностью вероятные изменения площади опустынивания в последующие годы.

Таким образом для сохранения и восстановления экосистем в условиях аридного климата на территории Заволжья Волгоградской области необходимо проведение фитомелиоративных мероприятий по реабилитации деградированных земель, для повышения продуктивности естественных пастбищ.