Морфометрический анализ агроландшафтов переходной зоны южных черноземов и темно-каштановых почв Волгоградской области

DOI:

Цитирование. Мелихова А. В. Морфометрический анализ агроландшафтов переходной зоны южных черноземов и темно-каштановых почв Волгоградской области // Природные системы и ресурсы. – 2022. – Т. 12, № 4. – С. 26–33. – DOI:

В последние годы геоинформационные технологии все активнее применяются в сельском хозяйстве, в том числе, для картографирования угодий различных типов, ретроспективного анализа их используемости и продуктивности, планирования и сопровождения обработок. В связи с этим точность электронного карт пашни как основной тематической составляющей геоинформационных систем (ГИС) может оказывать прямое влияние на рациональность использования угодий [2]. Развитие качества таких ГИС и увеличение оперативности картографирования и обновления имеющихся данных о распаханных участках и их морфометрических характеристиках является одной из приоритетных задач современного сельского хозяйства. Данные о морфометрии каждого отдельного поля позволяют более точно планировать мелиоративные мероприятия и оценивать риск деградации и эрозии почвы.

Цель работы заключалась в геоинфор-мационном картографировании посевных площадей (как используемых, так и залежей) с использованием данных дистанционного зондирования Земли и проведении морфометрического анализа распаханных участков. Объект исследования – пашня на территории Михайловского района Волгоградской облас- ти (см. рис. 1). Пашня является одним из видов агроландшафта. Площадь данного административного района составляет 3 660 км2, он располагается в северо-западной части Волгоградской области и граничит с Алексеевским, Новоаннинским, Киквидзенским, Еланским, Даниловским, Фроловским, Сера-фимовичским и Кумылженским районами. Михайловский район имеет, преимущественно, растениеводческую сельскохозяйственную специализацию, почвы на данной территории представлены черноземами южными маломощными на севере и темно-каштановыми маломощными – на юге.

Большая часть исследуемой территории распахана, но существующие статистические и картографические данные не дают четкого представления о расположении и конфигурации каждого отдельного поля.

Материалы и методы

Для картографирования пашни применялись мультиспектральные спутниковые снимки высокого разрешения «Sentinel-2» (пространственное разрешение 10 м) за 2021 год. Картографирование проводилось методом визуального дешифрирования с использованием композитного изображения «естественные цвета» (сочетание, красного, зеленого и синего спектральных каналов). Визуальное дешифрирование обеспечивает большую точность, чем применение автоматических или полуавтоматических методов [1].

Для отделения залежей применялось визуальное дешифрирование космических снимков «Landsat-5» (пространственное разрешение 30 м) за 1986 год. Поле считается залежью, если не используется более года, но ретроспективное картографирование за 35 лет позволяет оценить изменение структуры землепользования в районе. Наличие дополнительных статистических данных может позволить определить причины прекращения использования поля в качестве пашни и позволить сохранить современные используемые поля [5].

Выявленные в результате дешифрирования поля вносились в векторный слой с присвоением атрибутов, позволяющих при последующем анализе отделить пашню от залежей. Также была автоматически рассчитана площадь каждого полученного объекта. К пашне также был отнесен чистый пар в связи со сложностью выделения его в отдельный класс объектов с помощью только дистанционных методов картографирования.

Выявление морфометрических характеристик проводилось с использованием цифровой модели рельефа «SRTM3» (пространственное разрешение 1 секунда, высотное разрешение 10 м). Присвоение каждому векторному объекту данных о средней крутизне поверхности проводилось с использованием инструмента «Зональная статистика» по условию «среднее», что позволило определить средний для поля уклон как среднее арифметическое для разницы высот соседних пикселов цифровой модели рельефа [3]. Уклон поверхности поля влияет на степень водной эрозии, поэтому выявление потенциально опасных участков является важной частью морфометрического анализа [6]. Присвоение объектам данных об экспозиции (ориентации относительно сторон света) проводилось с использованием инструмента «Зональная статистика» по условию «большинство», что позволяет определить ориентацию поля в пространстве по 8 румбам как пространственную ориентацию уклонов между соседними пикселами цифровой модели рельефа [4].

Для определения достоверности результатов дешифрирования и картографирования были получены статистические данные муниципальных образований (по состоянию на 2006 год) о площадях пашни и залежей [10].

Картографирование, обработка растровых материалов, оверлейные операции с векторными слоями и составление результирующих картографических материалов проводились в программной среде «QGIS». Статистическая обработка проводилась с использованием «MS Excel».

Рис. 1. Современное состояние пашни на территории Михайловского района (по состоянию на 08.08.2022; 50.1040 с.ш., 43.124 в.д.)

Результаты и обсуждение. В результате дешифрирования картографировано 2 248 объектов общей площадью 229 848,5 га, что составляет 62,5% от площади Михайловского района. Из них 228 827 га составляет площадь пашни, включающей 2 201 контур, 1 021,5 га – площадь залежей, включающая 47 объектов. Эти данные в достаточной степени соотносятся со статистическими данными по состоянию на 2006 год (табл. 1).

Таблица 1 Площади сельскохозяйственных угодий по данным статистики и дешифрирования

Год	Площадь пашни (га)	Площадь залежей (га)
2006	228 757	348
2021	228 827	1 021,5
Соотношение	100,03 %	293,4 %

Площадь пашни за 15 лет увеличилась несущественно, таким образом, различия между фактическими и статистическими данными почти отсутствуют, а динамика незначи- тельна. Это свидетельствует о достаточной достоверности применяемой методики картографирования с использованием визуального дешифрирования материалов дистанционного зондирования Земли высокого разрешения [7]. Площадь полей, относящихся к залежам, увеличилась почти в 3 раза. Это свидетельствует о выходе пахотных земель из сельскохозяйственного оборота по каким-либо причинам, наиболее вероятно, связанным с деградацией или истощением почв [8].

Распределение полей по экспозиции и уклонам поверхности, внесенное в таблицу атрибутов, было использовано для создания карты-схемы (рис. 2–3).

Распределение полей по ориентации относительно сторон света неравномерное (табл. 2). Наибольшее количество объектов (22,4 %) представляют собой поля с западной экспозицией. Наибольшую площадь пашни занимают поля с юго-западной и северо-восточной экспозицией (19,1 % и 18,7 % соответственно). Наименьшее распространение в количественном отношении получили поля с се-

Рис. 2. Карта-схема крутизны полей на территории Михайловского района

верной ориентацией (2,8 %), в площадном отношении – пашня с юго-восточной ориентацией (5,1 %).

Наибольшая площадь залежей относится к западной экспозиции (13,3 % от общей площади залежей), наименьшую площадь занимают залежи с восточной экспозицией (2,6 %).

Общее распределение полей по крутизне достаточно равномерное, рельеф местности относительно ровный, максимальный средний уклон поверхности поля составляет 4° (табл. 3).

Наиболее крутые участки находятся вблизи русла р. Медведица и у склонов балок.

В количественном отношении абсолютное большинство полей имеют уклон поверхности от 0,5 до 1,5° (58,9 % от общего количества объектов). Наименьшее количество объектов имеет уклон поверхности от 3,5 до 4,0° (0,1 %). Наибольшая площадь пашни располагается на полях со средним уклоном от 0,5 до 1,5° (66,3 % от общей площади пашни), наименьшую площадь распаханных земель

Рис. 3. Карта-схема экспозиции полей на территории Михайловского района

Таблица 2

Распределение полей по экспозиции

Экспозиция	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З	СЗ
Кол-во объектов	63	427	327	159	258	423	503	158
Площадь пашни (га)	31 231	42 976	22 531	11 715	22 079	43 967	29 094	24 479
Площадь залежей (га)	93	106	27	106	25	131	136	112

Таблица 3

Распределение полей по крутизне уклонов поверхности

Крутизна (°)	до 0,5	0,5–1,5	1,5–2,0	2,0–2,5	2,5–3,0	3,0–3,5	3,5–4,0
Кол-во объектов	656	1 324	133	81	40	14	3
Площадь пашни (га)	55 050,7	151 672,4	11 361,8	6 881,6	1 972,9	865,9	222,3
Площадь залежей (га)	382,6	227,4	82,6	–	47,3	–	–

занимают поля с уклоном от 3,5 до 4,0° (0,1 %). Такое распределение связано с развитием опасности водной эрозии при распахивании крутых склонов, а также особенностями водно-эрозионной сети на территории Михайловского района, представляющей собой развитую сеть оврагов и балок [9].

Наибольшая площадь залежей находится на землях с уклоном до 0,5° (37,5 %), наименьшая – на полях со средним уклоном от 2,5 до 3,0° (4,6 %). На полях со средним уклоном от 2,0 до 2,5° и более 3,0° залежи отсутствуют.

Если принимать в расчет средний размер полей (как отношение общей площади категории к количеству вошедших в нее объектов), то поля наибольшего размера имеют северную экспозицию (средняя площадь объекта составляет 495,7 га). Самые мелкие поля располагаются на склонах с юго-восточной экспозицией (средняя площадь составляет 45,4 га). Также наиболее крупные поля располагаются на землях со средним уклоном от 0,5 до 1,5° (средняя площадь составляет 114,5 га), поля наименьшего размера занимают территории с уклоном от 2,5 до 3,0°.

Заключение

Использованная методика картографирования с применением визуального дешифрирования мультиспектральных космических снимков высокого разрешения показала достаточную точность. Она позволяет существенно сократить временные и трудовые затраты на картографирование пахотных земель, а также проводить ретроспективный анализ динамики площади распаханных земель и залежей. Полученная в результате работы электронная карта является достаточно точной, позволяет проводить оперативное обновление и присваивать контурам, отображающим конфигурацию границ полей, различные атрибуты.

Морфометрический анализ полей на основе данных дистанционного зондирования Земли показал, что пахотные земли на территории Михайловского района находятся, преимущественно, на участках с небольшим уклоном (до 1,5°) и с юго-западной и северовосточной экспозицией.

Полученные данные могут стать основой для планирования агролесомелиоративных мероприятий, в том числе, создания полезащитных лесных полос для полей, имеющих большие уклоны.