Борьба с опустыниванием
Опустынивание признано одной из самых серьезных социально-экономических и экологических проблем в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах.
Темы
Деградация земель в результате опустынивания приводит к потере селитебных, сельскохозяйственный территорий и ставит под угрозу биоразнообразие в засушливых областях. Ввиду того, что степные и полупустынные ландшафты обладают невысокой экологической устойчивостью, в этих регионах следует контролировать интенсивность хозяйственной деятельности. Тем не менее, нередко процесс опустынивания инициируется чрезмерно активным природопользованием, например, перевыпас скота или длительная распашка больших площадей земель. Для борьбы с опустыниванием одним из самых эффективных методов является фитомелиорация. Этот метод позволяет, с одной стороны, остановить разрастание очагов опустынивания и, с другой стороны, в долгосрочной перспективе может привести к уменьшению площадей деградированных земель.
Проблема опустынивания актуальна для республики Калмыкия не только из-за природных условий. Интенсивная антропогенная нагрузка, начиная с 1950-1960 гг., уже к 1980-м гг. способствовала трансформации устойчивого травянистого покрова в южной части республики в подвижные пески. Это привело как экономическим, так и экологическим потерям: сократились площади селитебных земель и пастбищ, используемых для нужд скотоводства, а также уменьшилась площадь естественного местообитания зональных типов растений и животных, в частности, сайгака. В результате возникла необходимость создания комплекса мероприятий по борьбе с опустыниванием, главным из которых являлась фитомелиорация. В 1986 г. была принята «Генеральная схема по борьбе с опустыниванием Чёрных земель и Кизлярских пастбищ», направленная на закрепление очагов опустынивания многолетними травами и восстановление естественных ландшафтов на территории республик Калмыкия и Дагестан соответственно. Кроме того, для экологической защиты естественных ландшафтов и сохранения среды обитания животного мира на юге Калмыкии были последовательно образованы следующие особо охраняемые природные территории: заказник «Меклетинский» (основан в 1988 г.), Государственный природный заповедник «Чёрные земли» (основан в 1990 г.) и заказник «Тингута» (основан в 2000 г.). Таким образом, на территории респ. Калмыкия были проведены комплексные многолетние мероприятия по защите и восстановлению земель, подвергшихся опустыниванию.
На примере республики Калмыкия с помощью данных дистанционного зондирования можно оценить динамику проведения фитомелиоративных мероприятий в течение длительного времени, текущее состояние земель и сделать выводы об эффективности фитомелиорации.
Для оценки состояния земель, на которых проводилась фитомелиорация, был выбран ключевой участок в Черноземельском и Яшкульском районах Республики Калмыкия, включающий в себя Государственный природный заповедник «Чёрные земли», заказники «Тингута» и «Меклетинский».
Ниже вы можете увидеть местоположение исследуемой области интереса площадью 1191,2 тыс. га в пределах географических координат 45° 28' 0" в.д. 46° 17' 56" с.ш. до 45° 19' 40" с.ш., 46° 53' 8" в.д.
Местоположение исследуемой территории
Методика исследования
В качестве основных данных для оценки проведения фитомелиорации были использованы спутниковые снимки Ландсат 4, 5 и 8 с пространственным разрешением от 15 до 60 м/пикс. (среднее и низкое разрешение соответственно). Для более детального анализа использовались китайские снимки Jilin и Hyperscan (разрешением 0,5 и 5 м/пикс соответственно). Так как климатические условия в регионе значительно меняются в течение года, за контрольный месяц принят июнь.
Деградация земель в результате опустынивания в основном характеризуются изменением растительной биомассы, ландшафтного рисунка и микрометеорологических условий. Поэтому для оценки состояния деградированных земель до и после проведения фитомелиорации выбраны три индикатора, отражающие эти изменения и рассчитывающиеся на основе снимков Landsat:
-
вегетационный индекс MSAVI (SAVI) (для количественной оценки фитомассы), который имеет преимущество для территорий со скудной растительностью, так как минимизирует влияние открытой почвы
-
индекс MSDI, который доказанно является надежным индикатором для оценки неоднородности ландшафта при деградации земель
-
индекс альбедо земной поверхности, который отражает изменение микрометеорологических условий. Увеличение альбедо свидетельствует о более высокой степени деградации земель. В работе использован показатель широкополосного альбедо, которое является комбинацией узкополосного альбедо, рассчитанного для каждого канала Landsat (обозначен буквой B), кроме 6. Расчёт альбедо производился для данных нескольких типов сканеров спутников Landsat: TM и OLI.
AlbedoTM = 0.356*B1 + 0.130*B3 + 0.373*B4 + 0.085*B5 + 0.072*B7 − 0.0018
AlbedoOLI = 0.356*B2 + 0.130*B4+ 0.373*B5 + 0.085*B6+ 0.072*B7 − 0.0018
(Источник)
Эти индикаторы и их комбинации были использованы для оценки степени опустынивания до и после проведения мероприятий по фитомелиорации на двух срезах в 1988 г. и в 2022 г. соответственно. Для интегральной оценки эффективности фитомелиорации, основанной на комбинации индикаторов, выбрано 5 классов, характеризующих степень риска опустынивания на территории: отсутствие опустынивания, слабое опустынивание, среднее опустынивание, сильное опустынивание и очень сильное опустынивание (открытый песок/пустыня). Для разделения классов был разработан алгоритм в виде дерева решений (DT – Decision Tree) – рекурсивного разделения пространств признаков набора данных на более однородные классы на основе критерия разделения. Классификация DT широко используется для картирования растительности, экологического моделирования, картирования почвы и в сфере дистанционного зондирования.
Дерево решений для классификации степени опустынивания
Результаты исследования
Состояние на 1988 год
На снимке Landsat в комбинации каналов ближний инфракрасный-красный-зеленый, на котором растительность представлена красной окраской, а открытые пески – светлыми тонами, можно увидеть, что центральная часть ключевого участка в 1988 г. представляла собой слабозаросшие и незаросшие пески.
Изображение спутникового снимка в комбинации каналов ближний инфракрасный-красный-зеленый от 9 июня 1988 года.
Состояние растительности характеризует начало проведения мероприятий по фитомелиорации.
Фактор чрезмерного выпаса скота и интенсивного животноводства может оказывать негативное влияние на проведение фитомелиорации, из-за вытаптывания скотом и нарушения сплошности травянистого покрова, который закрепляет подвижные пески и препятствует разрастанию очагов опустынивания. Особый интерес представляет оценка эффективности фитомелиорации на фоне усиления этого негативного фактора с течением времени.
Проведение мероприятий по фитомелиорации может быть осложнено местными климатическими условиями. Влияние этого фактора на эффективность фитомелиорации оценено с помощью использования информации об осадках и средних температурах в июне за период 1986-2022 гг.. Информация получена из открытых данных пятого поколения реанализа глобальных атмосферных наблюдений ERA5, которые предоставлены Европейским центром среднесрочных прогнозов (ECMWF). Реанализ предоставляет непрерывные ряды метеорологических данных за период с 1950 г. По спутниковым данным ERA5 были построены карты среднего количества осадков и средних температур в июне за период 1986-2022 гг., а также построены графики с динамикой количества осадков в июне и средних температур за период исследования.
Карта среднего количества осадков в июне за период 1986-2022 гг.
Карта средних температур в июне за период 1986-2022 гг.
График изменения количества осадков в июне, мм (красная линия – сумма месячных осадков в каждом конкретном году)
График средних температур, °C (красная линия – средние температуры за месяц)
Карта осадков демонстрирует характерное для этого засушливого региона низкое количество осадков. На карте температур (рис. 5б) видно, что центральная часть ключевого участка, представляющая собой слабозаросшие и незаросшие пески на период начала анализа, нагревается в среднем на 3 градуса сильнее окружаеющей территории. Следовательно, высаженным растениям сложнее приживаться на песках с высокой температурой поверхности. Фактор сильного нагревания поверхности подвижных песков также осложняет проведение фитомелиорации, особенно в пределах крупных очагов опустынивания.
Для количественной оценки фитомассы в начале срока мониторинга фитомелиорации на ключевом участке рассчитан индекс SAVI.
Значения индекса количественной фитомассы SAVI в пределах ключевого участка на спутниковом снимке от 9 июня 1988 года
Низкие значения индекса, обозначенные красными оттенками, характеризуют низкую фитомассу и полное отсутствие растительности. На снимке от 9 июня 1988 года на ключевом участке выделяется 163,2 тыс. га песков с полным отсутствием растительности и 829,4 тыс. га слабозаросших песков.
Состояние на 2022 год
На снимке от 30 мая 2022 года в комбинации каналов ближний инфракрасный-красный-зеленый видно, что центральная часть ключевого участка представляет собой область, полностью покрытую растительностью
Изображение спутникового снимка в комбинации каналов ближний инфракрасный-красный-зеленый от 30 мая 2022 года
Сравнение снимков за два временных среза показало эффективность проведения фитомелиорации в центральной части ключевого участка.
Слабозаросшие и незаросшие пески светлых оттенков заместились красными оттенками сплошной растительности, что говорит об эффективном применении фитомелиорации в период 1988-2022 гг. Высокодетальная съёмка позволяет более подробно оценить проведение фитомелиорации.
Зарастание песчаного аккумулятивного тела по данным спутникового снимка от 1 октября 2022 г. Стрелкой показаны линии, по которым высаживалась растительность
Полностью заросшие песчаные аккумулятивные тела на спутниковом снимке от 8 октября 2022 г. Стрелкой показан рельеф песчаной ряби, который сохранился в неизменном виде за счёт закрепления растительностью и полного зарастания поверхности аккумулятивного тела
Однако в пределах участка всё ещё сохраняются отдельные активные очаги опустынивания
Активные очаги опустынивания на спутниковом снимке от 8 октября 2022 г.
Для ключевого участка был также рассчитан индекс SAVI для количественной оценки фитомассы в конце срока мониторинга фитомелиорации.
Значения индекса количественной фитомассы SAVI в пределах ключевого участка на снимке от 30 мая 2022 года
Индекс демонстрирует повышенные значения фитомассы в центральной и восточной частях ключевого участка. Сравнение данных за два срока подтверждает зарастание крупных очагов опустынивания, выявленных на участке в 1988 г. на основе спутниковых данных
Сравнение значений индекса SAVI в пределах ключевого участка на снимках от 9 мая 1988 г. и 30 мая 2022 года.
Ситуация в целом по участку изменилась в лучшую сторону. Площадь песков без растительности сократилась до почти в 10 раз – до 17,2 тыс. га. Площадь слабозаросших песков сократилась в 11 раз – до 75,0 тыс. га.
Результаты фитомелиорации
На основе трёх выбранных индикаторов деградации земель (индексов SAVI, NDSI, альбедо земной поверхности) и алгоритма дерева решений представлена классификация подстилающей поверхности по степени опустынивания за два временных среза: 9 июня 1988 г. и 30 мая 2022 г.
Результат классификации наглядно показывает эффективность применения фитомелиорации для борьбы с опустыниванием. На ключевом участке площадь территорий со слабой степенью опустынивания или его отсутствием увеличилась в 10 раз (с 35,7 тыс. га до 399,6 тыс. га). Кроме того, в центральной части участка территории пустыни подверглись практически полному зарастанию и восстановлению.
Более подробное изучение динамики степени опустынивания и, как следствие, эффективности фитомелиорации с помощью классификации снимков Landsat в семи временных срезах с 1988 по 2022 гг. отражено на графике.
Следует отметить, что для данной природной зоны (сухие степи и полупустыни) средняя степень опустынивания является нормальной, свойственной естественным климатическим условиям.
В результате фитомелиорации к 2022 г. увеличилась площадь территорий со средней степенью опустынивания, которая является нормой в данной природной зоне. По сравнению с 1988 г., значительно возросла площадь земель со слабой и средней степенью опустынивания, в основном за счёт направленного проведения фитомелиорации на крупных очагах опустынивания в центральной части ключевого участка.
Выводы исследования
Таким образом, в пределах ключевого участка на юге республики Калмыкия выявлен успешный пример проведения многолетних мероприятий по фитомелиорации в период с 1986 по 2022 гг. Несмотря на сложность микроклиматических условий и активную антропогенную нагрузку в последнее десятилетие, в пределах ключевого участка удалось сократить площади пустыни в 10 раз, с 163,2 тыс. га до 17,2 тыс. га, а площади территорий с сильным опустыниванием – в 11 раз, с 829,4 тыс. га до 75,0 тыс. га. Также заметно возросла площадь территорий со средней степенью опустынивания, которая является нормальной для естественных ландшафтов этого региона (с 162,9 тыс. га до 699,3 тыс. га). Положительная динамика фитомелиорации на очагах опустынивания прослеживается и по данным высокодетальной съёмки. Однако полностью ликвидировать очаги опустынивания не удаётся. При чрезмерном выпасе скота происходит вытаптывание растительного покрова, что не позволяет ликвидировать очаг опустынивания полностью и, при дальнейшем увеличении поголовья скота, может привести к резкому разрастанию очага. Кроме того, растительный покров в местах пересечения дорог также подвергается интенсивному антропогенному воздействию и не подлежит полному восстановлению при сохранении текущего уровня нагрузки. Для успешной борьбы с опустыниванием и восстановления естественных ландшафтов в регионах с недостаточным увлажнением необходимо дальнейшее внедрение метода фитомелиорации с целью многолетнего применения. Но для его эффективного внедрения в первую очередь необходим контроль выпаса и поголовья скота.