ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОЦЕНКА ЗАСОРЕННОСТИ АНТРОПОГЕННЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ (НА ПРИМЕРЕ АМБРОЗИИ ПОЛЫННОЛИСТНОЙ) © 2014 г. О. Е. Архипова1, 2, 3*, Н. А. Качалина1, 3, Ю. В. Тютюнов1, 2, 3, О. В. Ковалев4
Институт аридных зон Южного научного центра РАН, Ростов-на-Дону 2НИИмеханики и прикладной математики им. И.И. Воровича Южного федерального университета,
Ростов-на-Дону
3Факультет высоких технологий Южного федерального университета, Ростов-на-Дону 4 Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург *E-mail: arkhipova@ssc-ras.ru Поступила в редакцию 06.02.2014 г.
Представлены результаты дешифрования космических снимков среднего разрешения спутников Landsat, позволившие идентифицировать очаги амброзии полыннолистной (Ambrosia artemisiifolia) в агрофитоценозах Юга России на основе использования стандартного вегетационного индекса NDVI. Отсутствие на полученных картах протяженных участков высокой засоренности подтверждают выводы полевых исследований о долгосрочной эффективности работ по интродукции североамериканского насекомого — амброзиевого листоеда (Zygogramma suturalis), — проведенных в период 1978—1990 гг. Ретроспективный анализ архивных космических снимков, сделанных во второй половине 1980-х годов, показал сокращение в этот период площадей, покрытых сорной растительностью. Более сильная засоренность систематически отмечается на краях полей и по обочинам дорог.
Ключевые слова: амброзия полыннолистная, дистанционное зондирование, вегетационные индексы, NDVI
DOI: 10.7868/S0205961414050017
ВВЕДЕНИЕ
Являясь прямым следствием увеличения антропогенной нагрузки на экосистемы, инвазии заносных видов способствуют дальнейшей деградации как естественных, так и искусственных биоценозов. Угнетая и вытесняя местную растительность, адвентивные сорные растения способны занимать господствующее положение в фитоценозах, образуя протяженные однородные очаги зараженности и на годы блокируя сукцесси-онный процесс (Kovalev, 2004; Миркин, Наумова, 2012). Характерным примером таких разрушительных инвазий является всемирная экспансия амброзии полыннолистной (Ambrosia artemisiifolia L.) — агрессивного и пластичного североамериканского растения (рис. 1), засоряющего агроценозы, особенно поля, занятые овощными и пропашными культурами, луга, пастбища, полезащитные лесные полосы, а также урбанизированные территории.
Амброзия полыннолистная легко приспосабливается к новым условиям и обладает способностью к массовому инвазионному засорению антропогенно-нарушенных экосистем (MacDonald, Kotanen, 2010). Агрессивность и вредоносность
этого растения, в полной мере обладающего признаками "идеального" сорняка, обусловлены его биологическими особенностями (Ковалев, 2010; Ковалев, Тютюнов, 2014). Распространение амброзии на огромных территориях во всем мире рассматривается как биологическое загрязнение (Ковалев, 1989; Auda et al., 2011; Ngom, Gosselin, 2013). В настоящее время она распространена в Европе, Азии, Южной и Северной Америке, Африке, Австралии, встречается на территориях более чем 35 государств (Ковалев, 1989; Galzina et al., 2010; Gladieux et al., 2011; Palmer, MacFadyen, 2012). В Россию семена амброзии проникли через черноморские порты в начале XX в. (Ковалев, 1989). На территории Ставропольской опытной станции амброзия была впервые отмечена в 1918 г. (Матишов и др., 2011). В Ростовской обл. амброзия полыннолистная впервые обнаружена в Новочеркасском р-не в 1951 г. (Безрученко, Чуко-рин, 1956). В послевоенные годы распространение этого сорняка на Юге Украины и России на нарушенных военными действиями местообитаниях имело характер экологического взрыва, повлекшего значительные потери урожая возделываемых зерновых и пропашных культур (Ковалев,
Рис. 1. Амброзия полыннолистная в период цветения.
1989; Ковалев и др., 2013). Фитомасса сорняка достигала 10 т/га, а концентрация семян амброзии в почве — 24000 шт/м2. Характерные для этого периода ландшафтные снимки засоренных овощных полей приведены на рис. 2а, б. Оценивая экономический ущерб от инвазии амброзии, следует учитывать, что ее вредоносность проявляется не только в массовом засорении естественных и антропогенных фитоценозов, но и в сильной аллер-генности пыльцы этого растения - одного из ведущих факторов развития сезонной аллергии (поллиноза, аллергического ринита) у населения (Остроумов, 1989; Матишов и др., 2011).
Поскольку механические и химические методы подавления сорняка, несмотря на свою дороговизну, могут иметь лишь локальный эффект, ограничивающийся территорией их непосредственного применения, с 1960-х годов в СССР начались разработки биологических методов борьбы с амброзией полыннолистной — поиск, отбор и целенаправленная интродукция специализированных фитофагов амброзии полыннолистной с родины растения (Ковалев, 1970; 1989). В частности, в 1978 г. О.В. Ковалевым (1989) были завезены из Канады и выпущены в окрестностях г. Ставрополь 1500 особей полосатого амброзиевого листоеда (Zygogramma зШыгаШ Е, СкгузотгШаг). Жук-листоед хорошо освоился с климатическими и погодными условиями Юга России, многократно увеличив свою численность в следующих поколениях (Ковалев, Вечернин, 1986). В течение всего лишь десяти лет после интродукции листоед зна-
чительно расширил свой ареал, расселившись по всему Черноморскому бассейну. Натурализовавшийся фитофаг разрушил сплошные очаги амброзии, что способствовало повышению урожайности с.-х. культур, резкому снижению плотности семян амброзии в почве и восстановлению естественной периодичности сукцессии в фитоценозах (Коуа1еу, 2004; Ковалев и др., 2013).
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Полевые исследования (анализ банка семян, плотности проростков, определение площадей засоренности, ботанические описания) показывают, что в результате выполнения работ по интродукции фитофагов амброзии полыннолист-ной в период 1978—1990 гг. была достигнута основная цель интродукции — подавление сорняка в агрофитоценозах (Ковалев, Вечернин, 1986; 1989; Коуа1еу, 2004; Ковалев и др., 2013). Этот сохраняющийся более 30 лет эффект необходимо учитывать при разработке методов подавления амброзии на современном этапе, когда, утратив положение доминирующего с.-х. сорняка в агро-ценозах, амброзия по-прежнему представляет опасность как синантропный аллергенный вид на антропогенно-трансформированных территориях. За прошедшие после распада СССР десятилетия изменилась структура агроценозов, появились необрабатываемые земли, бесхозные участки, и, что особенно важно, амброзия расселяется в населенных пунктах, где амброзиевый листоед
Рис. 2. Сплошная засоренность амброзией овощных полей Ставропольского края в 1980 г.: а — картофельное поле, б — кабачковое поле (фото О.В. Ковалева).
регулярно уничтожался карантинными службами вместе со скашиваемой по обочинам дорог и окраинам городов амброзией. Значительные участки засоренности амброзией полыннолист-ной ежегодно отмечаются в Краснодарском и Ставропольском краях, Ростовской обл. и ряде республик Северного Кавказа.
В целях своевременного выявления очагов произрастания амброзии полыннолистной и ее уничтожения государственными инспекторами Управления Россельхознадзора проводится карантинное фитосанитарное обследование территории. Однако выезды специалистов на местность требуют больших экономических и временных затрат, поскольку довольно трудно составить исчерпывающее представление о размерах зараженной местности даже при наличии большого количества локальных проб и регулярных маршрутных осмотров. В результате данные карантинной инспекции о размерах, положении очагов и степени зараженности местности, как правило, не только лишены пространственной детальности, но могут оказаться либо субъективно завышенными, либо неполными. Это обстоятельство существенным образом снижает эффективность принятия решения о выборе наиболее подходящего метода подавления сорняка (механического, химического, биологического или их комбинации) в каждом конкретном случае. Кроме того, отсутствие полной пространственной картины не позволяет оценить результативность мероприятий по борьбе с сорной растительностью.
Методы дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) имеют существенные преимущества перед традиционными наземными и авиационными методами по возможности мгновенного обзора больших территорий, в том числе удаленных и труднодоступных, а также по регулярности съемок исследуемых объектов и территорий. Уникальные возможности космических съемок в различных диапазонах электромагнитного спектра позволяют обеспечить цифровую многозональную съемку, тепловую ИК-съемку, а также всепогодную съемку, большой потенциал заложен в возможности использования спутниковых данных для с.-х. проблем.
Однако задача использования ДЗЗ для определения очагов распространения амброзии более сложна, чем традиционная задача определения типов с.-х. культур и их урожайности. Культивируемые растения занимают достаточно большие и однородные территории и обладают выраженными спектральными характеристиками в пределах одного вида. В отличие от них, амброзия сегодня неоднородно произрастает в пределах одного поля, и ее спектральные характеристики сильно зависят как от типа основной культуры, так и от степени зараженности обследуемого участка.
Впервые идея использования ДЗЗ для обнаружения зарослей амброзии была выдвинута Ассе-лин и Мопин (Asselin, Maupin, 1998). Они протестировали гиперспектральный сенсор, но из-за технических проблем не добились своей цели. Позднее, используя спектрорадиометр, Мопин и Бойвин (Maupin, Boivin, 2001) составили базу данных спектров растений и минеральных пород. Сегодня дистанционные методы обнаружения амброзии активно используются исследователями Франции и Австрии (Auda et al., 2011). С 2004 г. при помощи дешифрования космических снимков высокого и среднего разрешения ведется мониторинг амброзии в Венгрии (Csornai et al., 2011).
Цель настоящего исследования — оценка засоренности амброзией полыннолистной территории Юга России. Предмет исследования — разработка методики дешифрирования спутниковых снимков д
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.