ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 5, с. 597-604
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.47
СПУТНИКОВАЯ ОЦЕНКА ДЕГУМИФИКАЦИИ ПАХОТНЫХ ПОЧВ
В САРАТОВСКОМ ПОВОЛЖЬЕ*
© 2015 г. Е. Ю. Прудникова1, И. Ю. Савин1, 2
Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 119017, Москва, Пыжевский пер., 7 2Российский университет дружбы народов, 119817, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 8/2
е-mail: kiryan4ik@mail.ru Поступила в редакцию 08.12.2014 г.
Проведен анализ возможностей, предоставляемых спутниковыми данными для оценки процессов деградации, протекающих на пахотных почвах в Саратовском Поволжье. На основе разработанной регрессионной модели, описывающей связь между содержанием гумуса в поверхностном слое пахотных почв региона исследований и их спектральной отражательной способностью, по спутниковым данным Landsat TM-5 была проведена оценка процессов дегумификации, протекающих на пахотных почвах региона исследований. Выявлено, что за период с 1988 по 2011 гг. на 36.3% земель тестовых полей содержание гумуса уменьшилось на 1—2%. Вследствие эрозионных процессов содержание гумуса на склонах сократилось на слабосмытых почвах от 1.4—1.6 до 2.5%; на средне-смытых — от 1.8—2 до 2.8%. При этом за рассматриваемый период времени площадь слабосмытых земель возросла почти вдвое, среднесмытых — втрое. Наибольшее уменьшение содержания гумуса произошло на почвах, сформировавшихся на песчаных, супесчаных и легкосуглинистых почвооб-разующих породах. Отмечено увеличение содержания гумуса в нижних частях склонов тестовых полей (13.44% площади земель тестового участка), которое могло произойти за счет наноса почвенного материала с более высоким содержанием гумуса с верхних частей склона.
Ключевые слова: дегумификация пахотных почв, Landsat, спектральная отражательная способность почв, чернозем обыкновенный (Haplic Chernozem), чернозем южный (Calcic Chernozem), солонец (Mollic Solonetz).
DOI: 10.7868/S0032180X1505007X
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день одной из важных проблем сельскохозяйственного производства является деградация почв пахотных земель. Деградация почв представляет собой совокупность природных и антропогенных процессов, приводящих к изменению функций почв, ухудшению их состава, свойств и режимов, уменьшению природно-хозяйственной значимости земель [14, 17]. Деградация приводит к необратимым изменениям количественного и качественного состава земельных ресурсов, а в некоторых случаях вызывает разрушение и уничтожение почвенного покрова.
Проведенная в 1990-х гг. в рамках проекта ОЬА8ОЭ глобальная оценка антропогенной деградации показала, что более 80% всех деградированных почв Мира эродированы [26].
В России эрозионными процессами затронуто до 56% общей площади сельхозугодий. В течение
*Работа выполнена при поддержке РНФ (грант 14-38-00023, все исследования кроме анализа спектральной отражательной способности) и гранта по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН.
последних 20 лет темпы прироста эродированных земель каждые 5 лет составляют 6—7%, то есть до 1.5 млн га/год [10].
В Саратовском Поволжье преобладающими формами деградации являются дегумификация и водная эрозия. Процессами дегумификации затронуты практически все пахотные земли региона. Доля эродированных земель достигает 57.2% от общей площади сельскохозяйственных угодий [12].
Среди основных причин активности этих процессов в Саратовском Поволжье можно выделить следующие: высокая распаханность территории (более 75% от сельскохозяйственных угодий), преобладание склонов, несоблюдение научно обоснованных норм агротехники (вспашка и посев культуры вдоль склона) и землеустройства.
Ежегодно площадь эродированной пашни в Саратовской обл. увеличивается на 11.1 тыс. га [4].
Существуют различные подходы к выявлению, оценке и мониторингу деградации пахотных почв [8, 13, 18, 22—25, 30, 32]. Разработан ряд методических руководств по картографированию дегра-
0 50 100 200 км САрАТОВСКАЯ ОБЛАС1Ъ .......I_I
Рис. 1. Географическое положение тестового участка.
дационных процессов, протекающих на сельскохозяйственных землях [4, 5, 9, 27]. Однако методы оценки деградации почв очень трудоемки. В свою очередь, внушительные масштабы распространения процессов деградации на пахотных землях обуславливают необходимость разработки таких методов их оценки и мониторинга, которые бы позволили получать актуальную информацию о современном состоянии почвенного покрова и своевременно принимать меры по предотвращению или минимизации негативных последствий деградации и, кроме того, не требовали бы значительных затрат трудовых, временных и материальных ресурсов.
Основой таких методов может стать спутниковая информация. За последние годы ее доступность и качество (временное и пространственное разрешение) значительно улучшились. Кроме того, доступны многолетние архивы спутниковых данных, которые предоставляют широкие возможности по мониторингу пахотных почв и выявлению протекающих деградационных процессов.
Данная статья посвящена анализу возможностей предоставляемых спутниковыми данными для оценки процессов деградации, протекающих на пахотных почвах в Саратовском Поволжье.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Тестовый участок, выбранный для исследования, расположен в Саратовском Поволжье на северо-востоке от поселка Татищево (рис. 1). В состав тестового участка входят три поля площадью соответственно 334 га (тестовое поле 1), 167 га (тестовое поле 2) и 134 га (тестовое поле 3) (рис. 2).
Территория исследований характеризуется умеренно засушливым, умеренно жарким клима-
Рис. 2. Схема полей тестового участка.
том (гидротермический коэффициент Г.Т. Селя-нинова составляет 0.6—0.8). Среднегодовое количество осадков 385 мм. Наибольшее количество осадков приходится на теплый период (апрель-октябрь) — 255-270 мм.
По схеме геоморфологического районирования Саратовской обл. тестовый участок расположен в области верхней поверхности денудации Приволжской возвышенности на общем водоразделе рек Колышлей—Идолга.
Рельеф территории холмистый с преобладанием склонов, рассеченных сетью ложбин. Преобладают склоны с уклонами 3°—8° (на пашне — 2°—5°). Абсолютные высоты изменяются в районе тестовых полей от 150 до 250 м. Относительные высоты составляют 50—60 м.
Почвообразующие породы представлены элювием опок и песчаников, покровными отложениями, а также песками и супесями. Покровные глины и тяжелые суглинки слагают наиболее выровненные элементы рельефа — слабоволнистые плато, пологие и покатые склоны водоразделов. Элювий коренных пород залегает на слабоволнистых водоразделах и их склонах. Также встречаются делювиальные отложения нижних частей склонов, балок, пролювий конусов выноса, аллювиальные отложения рек и ручьев.
Из-за сложного геологического строения и маломощного чехла четвертичных отложений территория характеризуется достаточно контрастным почвенным покровом. В качестве фоновых компонентов в почвенном покрове исследуемого региона выступают черноземы обыкновенные
(Haplic Chernozems)1 и южные (Calcic Chernozems) на глинах и суглинках. Сопутствующими компонентами почвенных комбинаций являются солонцы (Mollic Solonetz) на глинах и суглинках, черноземы обыкновенные на элювии опок и песчаников, черноземы южные на песках и супесях, выходы почвообразующих пород.
Следует отметить, что возможности дешифрирования и картографирования содержания гумуса
1 Названия почв в скобках даны в соответствии с [31].
по данным дистанционного зондирования изучаются уже много лет [1, 2, 11, 15, 19—21, 29]. При этом обычно указывается, что эффективность такого дешифрирования сильно зависит от исследуемого региона и анализируемых типов почв [1, 7].
Для установления связей между содержанием гумуса и спутниковыми индикаторами в регионе работ нами использовался следующий подход.
На тестовых полях на местах заложения разрезов проводился отбор почвенных образцов с поверхности (0—5 см). Всего было отобрано 50 образцов. Содержание гумуса определялось в лабораторных условиях по методу Тюрина (ГОСТ 26213-91).
В солнечную малооблачную погоду проводилась съемка спектральной отражательной способности (СОС) отобранных почвенных образцов прибором HandHeld 2, который проводит измерения в диапазоне длин волн от 325—1075 нм. Точность прибора ±1 нм. Во время съемки спек-трорадиометр располагался перпендикулярно поверхности образца на высоте 20 см.
Затем в ходе корреляционного анализа, осуществляемого в программном пакете STATISTICA, оценивалось наличие связи между СОС исследуемых почв и содержанием гумуса. После этого анализировалась потенциальная информативность каналов спутниковых данных для определения содержания гумуса.
Использовались данные Landsat TM-5. Архивные данные Landsat TM-5 находятся в открытом доступе с 1982 г. Для анализа были отобраны сцены Landsat TM-5, на которых поверхность почвы тестовых полей открыта для наблюдения (свободна от растительности). Покрытые растительно -стью участки были замаскированы. Сцены выбирались в рамках одного сезона съемки. Таким образом, для анализа было выбрано две сцены Landsat TM-5 от 30.09.1988 и от 18.09.2011 гг.
После подбора необходимых спутниковых изображений был разработан набор спутниковых индикаторов с учетом спектральных характеристик съемочной системы Landsat TM-5 и особенностей СОС поверхностного горизонта исследуемых почв.
Также рассчитывались спектральные индексы NDVI (NDVI = (ближний ИК - красный)/(ближ-ний ИК + красный)) [28] и GSI (GSI = (красный — — синий)/(красный + синий + зеленый)) [33].
После этого была построена регрессионная модель, на основе которой строились карты содержания гумуса в поверхностном горизонте пахотных почв региона исследований для 1988 и 2011 гг. Затем определяли разницу между содержанием гумуса в анализируемые годы, которая принималась за величину дегумификации, а также рассчитывали площади земель, на которых произошло уменьшение содержания гумуса.
Коэффициент отражения
00000000000000000000 mVOONM'/IOO^^H^OcnvOOMNl'lOO^'^f^O нм
Рис. 3. Кривые спектральной отражательной способности растертых образцов: 1 — ступенька на участке 510—550 нм, 2 — микроперегиб при 610 нм,
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.