ИЗВЕСТИЯ ОРЕНБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АГРАРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 2020 № 5 (85)

УДК 631.459.2:528.88

Динамика линейной водной эрозии на пашне Ставропольского края по результатам дистанционного мониторинга

С.А. Антонов, канд. геогр. наук

ФГБНУ Северо-Кавказский ФНАЦ

Одним из ключевых аграрных регионов по производству продукции растениеводства в Российской Федерации является Ставропольский край, что определяет преобладание в структуре его земельного фонда земель сельскохозяйственного назначения (92,3 %). Основная сельскохозяйственная специализация края – это производство продукции растениеводства. Особое место в структуре производства продукции растениеводства занимает выращивание зерновых и зернобобовых культур. Так, в крае их посевная площадь в 2019 г. составляла 80 % от всех посевных площадей (2523,7 тыс. га), причём 73 % из них заняты озимой пшеницей [1].

Ставропольский край обладает крайне неоднородной ландшафтной структурой, которая определяется комбинацией ландшафтов Русской равнины и Северного Кавказа и представлена лесостепными, степными, полупустынными, среднегорными ландшафтами. Ландшафтная дифференциация территории обусловлена многообразием почвенно-климатических условий, которые имеют чётко выраженную зональность и изменяются с запада на восток. При движении на восток отмечается рост засушливости климата, гидротермический коэффициент вегетационного периода снижается от 1,01 на западе до 0,65 на востоке края, также отмечается изменение в структуре почвенного покрова (на западе преобладают чернозёмные почвы, а на востоке – каштановые) [2].

Начиная с 1968 г., существовавшее в крае агроклиматическое районирование, которое учитывало только агроклиматические условия, было заменено на экономическое, при котором учитывалась ещё и специализация территории. Это позволило выделить на территории края четыре сельскохозяйственные зоны (овцеводческая, зерно-овцеводческая, зерно-скотоводческая, прикурортная), в которых особую роль помимо растениеводства играет производство животноводческой продукции [3].

Одним из важных направлений повышения эффективности растениеводческой отрасли в Ставропольском крае была разработка и внедрение системы «сухого земледелия», в рамках которой было обосновано применение чистых паров с дифференциацией по зонам края. По данным 2019 г., в Ставропольском крае площадь чистых паров составляла 584,5 тыс. га [1, 4].

Важное значение для любого аграрного региона имеет развитие всех отраслей сельского хозяйства, которые должны быть экологически сбалансированы. За последние 30 лет аграрные и рыночные преобразования существенно скорректировали зональную специализацию районов края в направлении увеличения производства продукции растениеводства с ориентацией на производство зерна, что связано с убыточностью животноводческих отраслей и снижением поголовья скота. За период 1990 – 2019 гг. доля товарной продукции животноводства по отдельным районам снизилась более чем в 3 раза [3].

Изменение структуры сельскохозяйственного производства способствовало росту антропогенной нагрузки на агроландшафты Ставропольского края, что увеличивает риск возникновения деградационных процессов. Среди основных драйверов развития деградационных процессов на территории края выступают следующие: интенсификация производства, несоблюдение структуры посевных площадей, климатически необусловленное расширение площади чистых паров, отсутствие адаптации производства к ландашфтным особенностям, неконтролируемая распашка пастбищ и сенокосов и т.д.

Одним из факторов, способствующих развитию деградационных процессов, является выращивание продукции растениеводства на малопригодных землях, на которых ранее располагались пастбища и сенокосы, которые были незаконно распаханы [5, 6].

Объективность официальных данных статистического учёта о площади распаханных земель вызывает сомнения, что приводит к необходимости уточнения статистических данных при помощи материалов космической съёмки и геоинформационных технологий (ГИС-технологий) [7, 8].

В Ставропольском крае значительные площади пашни подвержены различным деградационным процессам. Наибольшее распространение на территории края имеют засоление, солонцеватость, водная эрозия и дефляция.

На основании результатов дистанционного мониторинга линейной водной эрозии на пашне края, проведённого в 2015 г., было установлено, что суммарная её протяжённость составляла 25209 км, из которых 6555 км (26 %) были расположены в крайне засушливой зоне, 11943 км (47 %) – в засушливой зоне, 4736 км (19 %) – в зоне неустойчивого увлажнения и 1975 км (8 %) – в зоне достаточного увлажнения. Выявленные участки водной эрозии пока ещё не достигли стадии оврага, но это может произойти в самое ближайшее время, если не будет разработан комплекс противоэрозионных мероприятий [9, 10].

Использование данных дистанционного зондирования Земли и геоинформационных технологий позволяет создать систему эффективного и регулярного мониторинга за рациональным использованием земель и развитием деградационных процессов [7, 11, 12].

В настоящее время существует большая группировка коммерческих спутников, которые позволяют осуществлять непрерывный мониторинг. Следует особо выделить коммерческие спутники, предоставляющие мультиспектральные данные сверхвысокого пространственного разрешения (0,31 – 4 м/пиксель), такие, как Pleiades Geo Eye, Quick Bird, Ikonos, World View 2 – 3. Отличительной особенностью данных с коммерческих спутников является их доступность посредством картографических веб-сервисов, таких, как Google Earth Pro, Яндекс карты, Bingmaps.

Важное значение для проведения регулярного мониторинга деградационных процессов имеют данные ресурсных спутников, которые обладают более низким, но достаточным пространственным разрешением (10 – 30 м/пиксель) и имеют обширный архив мультиспектральных снимков, которые они предоставляют бесплатно. Наиболее распространёнными ресурсными спутниками являются спутники серии Landsat (оператор United States Geological Survey) [13] и серии Sentinel 2 (оператор European Space Agency) [14].

Цель исследования: провести пространственный анализ распаханности и оценить динамику линейной водной эрозии на пашне Ставропольского края.

Материал и методы исследования. Представленные результаты были получены в рамках выполнения тематического плана в лаборатории ГИС-технологий ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный аграрный центр».

Исходными данными для проведения исследования были космические снимки как с коммерческих, так и с ресурсных искусственных спутников Земли. Для дешифрирования пашни использовались космоснимки с ресурсных спутников Sentinel 2a/b, а именно спектральные данные из четырёх каналов (Blue, Green, Red, NIR). Они доступны благодаря проекту The Copernicus Open Access Hub Европейского космического агентства (ESA) [14].

Для дешифрирования линейной водной эрозии были использованы мультиспектральные данные с коммерческих спутников Pleiades 1A/1B пространственного разрешения 0,7 м, доступные посредством картографического веб-сервиса Google Earth Pro.

Мониторинг пашни на территории Ставропольского края был проведён на основании результатов дистанционного анализа, полученных в 2015 г. [10] и в период лета – осени 2019 г.

Для дешифрирования пашни были использованы прямые дешифровочные признаки, такие, как форма, цвет, размер, текстура, структура. Преимущественно использовались комбинации искусственные (красная, зелёная и ближняя инфракрасная зоны спектра)и естественные цвета (красная, синяя, зелёная зоны спектра).

При проведении исследования использовались ГИС-программы, которые распространяются под свободной лицензией.

Первичная обработка данных дистанционного зондирования проводилась в программе SNAP Desktop, дешифрирование и оцифровка пашни – в ГИС-программе Quantum GIS, а линейной водной эрозии – в Google Earth Pro.

Технологическая схема дешифрирования пашни и линейной водной эрозии на основе данных дистанционного зондирования Земли состоит из следующих этапов:

1. Получение космических снимков из архива.

2. Атмосферная и геометрическая коррекция снимков.

3. Выбор оптимальной комбинации спектральных каналов для проведения дешифрирования пашни и линейной водной эрозии.

4. Векторизация пашни и линейной водной эрозии с разделением её по административно-территориальным единицам.

5. Наложение векторных слоёв с контурами пашни, полученных по данным 2015 г. и 2019 г.

6. Определение пространственного положения новых распаханных участков.

7. Расчёт протяжённости линейной водной эрозии на пашне по данным 2019 г.

8. Сравнение протяжённости и интенсивности линейной водной эрозии на пашне по данным 2015 г. и 2019 г.

9. Создание картографических схем динамики пахотных земель Ставропольского края.

Основными методами обработки материалов дистанционного зондирования Земли являлись: создание мозаики космических снимков, синтезирование спектральных каналов, ресемплинг, дешифрирование.

В качестве основных методов ГИС-технологий были использованы: наложение (оверлей) объектов, изменение проекции, расчёт площади полигональных объектов, создание буфера вокруг линейного объекта, пересечение объектов, объединение по пространственному положению, расчёт зональной статистики.

Обработка и представление полученных результатов проводились на базе математико-статистических, графических и картографических методов.

Результаты исследования. Анализ площади пашни в Ставропольском крае по данным дистанционного мониторинга показал, что за период с 2015 по 2019 г. суммарная её площадь увеличилась более чем на 50 тыс. га (+1,2 %) – с 4081,5 до 4132,2 тыс. га (табл. 1).

Динамика площади пашни на территории Ставропольского края неоднородна. Так, прирост площади отмечен в 13 административно-территориальных единицах края. Максимальных значений он достиг в Арзгирском районе (+13718 га) и Нефтекумском городском округе (+9042 га). В некоторых территориальных единицах Ставропольского края отмечено сокращение площади пашни. Так, максимального значения оно достигло в Курском районе – 2688 га, также значительно сократилась площадь пашни в Советском городском округе (–1684 га).

Анализ изменения площади пашни в разрезе сельскохозяйственных зон показал, что её увеличение зафиксировано в крайне засушливой зоне (+42228 га)и зоне неустойчивого увлажнения (+10867 га). При этом в засушливой зоне площадь пашни практически не изменилась, а в зоне достаточного увлажнения отмечено её снижение (–2226 га). Таким образом, в результате проведённого пространственного анализа в половине административно-территориальных единиц Ставропольского края выявлен прирост площади пашни на 60,4 тыс. га, в то время как на остальной территории произошло её сокращение (на 9,6 тыс. га).

Значительный прирост площади пахотных земель выявлен в крайне засушливой зоне Ставропольского края. Это происходит за счёт неконтролируемой распашки сенокосов и пастбищ, что способствует развитию водной эрозии и дефляции.

Масштаб проблемы неконтролируемой распашки пастбищ и сенокосов в Ставропольском крае удалось объективно оценить только с активным внедрением ГИС-технологий и данных дистанционного зондирования Земли.

Для объективной оценки площади пашни в Ставропольском крае был проведён её сравнительный анализ на основании данных дистанционного зондирования Земли и официальной статистической информации, предоставляемой управлением Федеральной службы государственной статистики по Северо-Кавказскому федеральному округу [1]. По данным дистанционного мониторинга, суммарная площадь пашни в Ставропольском крае в 2019 г. составляла 4132,2 тыс. га, что на 394 тыс. га (10,5 %) больше, чем по данным статистического учёта (табл. 2). Наибольшее отклонение фактической площади пашни от данных статистики отмечается в крайне засушливой (+143,3 тыс. га) и засушливой (+165,8 тыс. га) зонах края, что составляет 71 % от всего прироста.

При этом в отдельных муниципальных образованиях возникла катастрофическая ситуация с увеличением площади пашни.Так, в Туркменском районе прирост площади пашни составил 45 тыс. га, или 32 % от всей площади пашни в районе (рис. 1).

Рис. 1 – Отклонение площади пашни в Ставропольском крае по результатам дистанционного мониторинга 2019 г. в сравнении с данными статистики

Прирост площади пашни на территории Ставропольского края значительно увеличивает риск возникновения деградационных процессов, а в частности, может привести к развитию водной эрозии. На основании ранее проведённого дистанционного мониторинга установлено, что суммарная протяжённость линейной водной эрозии на пашне Ставропольского края в 2015 г. составляла 25209 км [10].

Дистанционный мониторинг линейной водной эрозии в Ставропольском крае по данным 2019 г. показал, что суммарная её протяжённость в крае увеличилась на 1138 км, или на 4,5 %, в сравнении с оценкой, полученной по данным 2015 г. Анализ протяжённости линейной водной эрозии по административно-территориальным единицам позволил выявить территории, на которых отмечается некоторое снижение её протяжённости или незначительный рост. Такая ситуация в основном характерна для зоны неустойчивого и достаточного увлажнения. Согласно данным, представленным в таблице 3, наибольшее увеличение протяжённости водной эрозии наблюдалось в крайне засушливой и засушливой зонах: +5,9 % и +4,9 % соответственно. Причём 22 % прироста протяжённости линейной водной эрозии происходило за счёт дополнительно распаханных территорий, что свидетельствует о неконтролируемой и крайне опасной тенденции использования земель не по их назначению. Это приводит к увеличению площади деградированных земель.

Выводы. На основании показателей дистанционного мониторинга, проведённого на территории Ставропольского края, доказана эффективность использования данных дистанционного зондирования Земли и ГИС-технологий для контроля рационального использования земель и мониторинга развития деградационных процессов.

В результате проведённого мониторинга в Ставропольском крае за период 2015 – 2019 гг. выявлен фактический прирост площади пашни, который превышает 50 тыс. га. При этом суммарная площадь неучтённой пашни в Ставропольском крае превышает 10 % от суммарной площади, и сосредоточена она в основном в восточных районах (крайне засушливая и засушливая зоны).

Проведённый дистанционный мониторинг развития водной эрозии в крае позволил выявить увеличение протяжённости линейной водной эрозии в Ставропольском крае за период 2015 – 2019 гг. на 4,5 %, при этом 22 % этого прироста было обеспечено за счёт территорий, которые были необоснованно распаханы за этот же период. В Ставропольском крае отмечается тревожная тенденция развития водной эрозии, которая происходит на фоне незаконной распашки сенокосов и пастбищ.

Представленные подходы и полученные результаты могут стать основой для разработки системы регулярного дистанционного контроля за использованием земель и анализа развития деградационных процессов не только в Ставропольском крае, но и в любом аграрном регионе.

DOI 10.37670/2073-0853-2020-85-5-12-17

Аннотация

Опубликовано Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 5 (85), стр. 12-17