Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. РЕГИОН ИССЛЕДОВАНИЙ И ЕГО ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ 9
1.1. Черные земли 10
1.2. Кизлярские пастбища 18
1.3. Пастбища Астраханской области 20
ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМЫ ДЕГРАДАЦИИ АГРОЛАНДШАФТОВ И РОЛЬ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ В ИХ РЕШЕНИИ 27
2.1. Проблема опустынивания и развитие исследований 27
2.2. Фитоиндикация как важнейший способ оценки деградационных процессов в аридных регионах 36
2.3. Фитомелиоративная реконструкция деградированных агроландшафтов 45
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ОСНОВА РАБОТЫ 51
3.1. Программа и задачи исследования 51
3.2. Общие методические положения работы с аэрокосмической фотоинформацией 54
3.3. Методика картографо-аэрокосмического мониторинга деградированных ландшафтов 62
ГЛАВА 4. АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ДЕГРАДИРОВАННЫХ ЛАНДШАФТОВ НА ОСНОВЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА 71
4.1. Оценка экологического состояния и картографирование ключевого участка 75
4.2. Оценка экологического состояния и картографирование ландшафтно-пастбищных комплексов Черных земель и Кизлярских пастбищ 88
4.3. Оценка экологического состояния и картографирование ландшафтно-пастбищных комплексов Астраханской области 104
4.4. Картографирование очагов пожаров по данным аэрокосмической фотоинформации и оценка ущерба 107
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕГРАДАЦИИ ЛАНДШАФТОВ НА ОСНОВЕ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА (НА ПРИМЕРЕ ЧЕРНЫХ ЗЕМЕЛЬ КАЛМЫКИИ) 116
5.1. Экологическая оценка агропастбищных угодий 116
5.1.1. Пастбищные ценозы Черных земель 116
5.1.2. Зависимость продуктивности пастбищных ценозов от плотности проективного травянистого покрытия 120
5.2. Экономическая оценка 127
5.2.1. Влияние агролесомелиоративных мероприятий на состояние пастбищных угодий 127
5.2.2. Эколого-экономическая эффективность пастбищных ценозов при проведении фитомелиоративных работ 130
ВЫВОДЫ 135
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ 137
ЛИТЕРАТУРА 139
ПРИЛОЖЕНИЯ 154
- Черные земли
- Проблема опустынивания и развитие исследований
- Общие методические положения работы с аэрокосмической фотоинформацией
Введение к работе
Северо-Западный Прикаспий по многим показателям является эталоном аридного пояса России. В 70-80-х гг. XX столетия здесь образовалась первая в Европе антропогенная пустыня на площади около 1 млн га (Черные земли и Кизлярские пастбища). В Калмыкии в этот период с административной карты исчезли 25 населенных пунктов [48].
Территория региона исследования характеризуется высоким уровнем деградации в агроландшафтных экосистемах. Это связано, прежде всего, с возросшими антропогенными нагрузками. Основные причины деградации растительного и почвенного покрова, образования массивов подвижных песков - это нерегулируемый выпас скота и необоснованная распашка легких почв под посевы сельскохозяйственных культур.
Но не только антропогенное влияние является причиной экологического неблагополучия. Несовершенство эколого-экономических механизмов регулирования природопользованием и законодательной базы также является причиной неудовлетворительного экологического состояния в регионе исследования [16].
Одним из путей стабилизации процессов разрушения развития деграда-ционных процессов в экосистемах является ландшафтная фитомелиорация [2, 107], которая является наиболее экологичным и экономичным способом борьбы с деградацией.
Большая площадь территории, высокая динамичность процессов деградации, отсутствие единой методики комплексной оценки экосистем, а также снижение финансирования проектно-изыскательских работ по улучшению пастбищ ограничили применение традиционных наземных методов исследований. Поэтому в настоящее время перспективным является картографо-аэрокосмический мониторинг состояния ландшафтов, который, наряду с ма-тематико-картографическим моделированием деградационных процессов и планированием противодеградационных фитомелиоративных мероприятий,
должен составлять методологическую основу агролесомелиорации деградированных территорий. Используя данные аэрокосмоснимков (АКФ), можно осуществить оценку природно-экономического потенциала территории в 3-4 раза быстрее при затратах в 12-15 раз меньше, чем при наземных методах [15].
Обследования ландшафтных комплексов при помощи аэрокосмических методов имеют преимущества по сравнению с наземными исследованиями в периодичности и повторяемости и сравнимы по эффективности с пунктами постоянного наблюдения, а по охвату площади поверхности ему нет равных.
Вследствие большого объема информации возникают ряд трудностей в проведении картографо-аэрокосмического мониторинга. Использование же информационных технологий для обработки картографических и аэрокосмических данных позволяет объединить пространственный анализ, методы математического моделирования и компьютерного картографирования в единый процесс, тем самым в значительной степени повысить качество и адекватность получаемой информации.
Объект исследований - Северо-Западный Прикаспий, а именно территории Черных земель и Кизлярских пастбищ и пастбищные экосистемы Астраханской области. Этот объект является эталоном для аридных зон, поэтому полученные картографо-математические модели на основе дешифрирования АКФ могут быть экстраполированы при агролесомелиоративном обустройстве ландшафтов в других аридных регионах РФ, а также в ближнем и дальнем зарубежье.
Целью исследований являлась разработка методики компьютерного агролесомелиоративного картографирования пастбищных агроландшафтов на основе аэрокосмической фотоинформации, технологии картографо-аэрокосмического мониторинга агроландшафтов и эколого-экономическая оценка процессов деградации и восстановления земель.
Исследования проводилась в процессе научно- исследовательских работ по тематическому плану отдела ландшафтного планирования и аэрокосмиче-
ских методов исследований ВНИАЛМИ (№ Госрегистрации - 01.2.00 109312).
Научная новизна работы заключается в разработке новой компьютерной технологии дешифрирования АКФ, для оценки состояния агроландшаф-тов, подверженных деградации практической реализации при выполнении научных исследований и картографических работ (патент РФ на изобретение №2265839) и новой методики эколого-экономической оценки деградированных земель на основе дистанционного мониторинга.
Обоснованность и достоверность результатов исследований обеспечена комплексностью проработки темы с использованием методов математической статистики и подтверждается современным научно-методическим уровнем; проведением полевых исследований, что позволило получить проверенные временем результаты и дать рекомендации производству.
Практическая значимость работы заключается в том, что впервые составлены космофотокарты региона исследования с выделенными уровнями деградации и очагами опустынивания; определена существующая продуктивность пастбищ и рассчитаны прибавки урожая при проведении фитомелиора-тивных мероприятий; проведена оценка ущерба и картографирование очагов пожаров по данным аэрокосмической фотоинформации; проведена эколого-экономическая оценка эффективности фитомелиоративных работ на основе дистанционного мониторинга.
Результаты исследований использованы ФГУ «Управление по восстановлению Черных земель и Кизлярских пастбищ» Республики Калмыкия для оценки состояния пастбищных угодий на территории Черных земель и Кизлярских пастбищ, а также научного обоснования новых инвестиционных вложений на борьбу с опустыниванием. Разработанная методика исследований была применена на ландшафтах-аналогах на территории Республики Монголия.
Результаты работы использовались при составлении научных отчетов по гранту Российского фонда фундаментальных исследований (проект №04-05-96505).
Материалы диссертационной работы используются на кафедре "Землеустройства, кадастров и геодезии" Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии для чтения лекций и проведения лабораторно-практических занятий по курсу "Фотограмметрия и дистанционное зондирование территорий".
Личный вклад соискателя. Диссертантом получены экспериментальные данные, данные полевых исследований, осуществлена их статистическая обработка и произведен анализ, обобщены данные литературных источников, получены основные научные результаты, сформулированы выводы и предложения производству.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика компьютерного агролесомелиоративного картографирования пастбищных агроландшафтов.
Технология агролесомелиоративного картографирование деградированных пастбищных ландшафтов.
Математические модели процесса деградации - восстановления аг-роландшафта, прогнозирование процессов деградации в агроландшафтах.
Эколого-экономическая оценка продуктивности пастбищных ландшафтов в аридных зонах при проведении фитомелиоративных работ.
Апробация результатов исследования. Результаты исследований докладывались на ежегодных заседаниях НТС отдела ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследований и ученого совета ВНИАЛМИ (2002-2007 гг.), а также международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах, круглых столах: "Эколого-экономическая оптимизация природопользования" (Волгоград - ВолГУ 2004), "Оптимизация агроландшафтов, проблемы и перспективы развития агролесомелиорации и защитного лесоразведения" (Волгоград - ВНИАЛМИ, 2004), "Адаптивно-ландшафтные системы земледелия для засушливых условий Нижнего Поволжья" (Волгоград - НВ НИИСХ, 2005), "Агролесомелиорация наука и дисциплина" (Саратов, 2005), "Перспективные технологии для современного сель-
скохозяйственного производства" (НВ НИИСХ, 2006 г.), "Степи северной Евразии" (Оренбург, 2006). На всероссийском конкурсе инновационных проектов аспирантов и студентов по приоритетному направлению "Рациональное природопользование" (Ярославль, 2006) за данную работу был получен диплом и грант.
По результатам исследования получен диплом РАСХН за лучшую завершенную научную разработку 2006 года "Агролесомелиоративное картографирование деградированных пастбищ на основе дистанционного мониторинга".
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 17 научных работ, в т.ч. одна в ведущем рецензируемом журнале. Получен патент № 2265839 РФ "Способ определения состояния почвы, подверженной деградации". Общий объем публикаций 3,6 п.л., лично соискателю принадлежит 2,5 п.л.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и предложений производству, библиографического списка, включающего 156 наименований, в том числе 8 иностранных авторов, 29 приложений на 53 страницах. Основной текст изложен на 138 страницах стандартного компьютерного набора, иллюстрирован 24 таблицами, 39 рисунками и графиками. Общий объем работы составляет 207 страниц.
Автор выражает искреннюю благодарность за большое содействие и помощь в проведении исследований научному руководителю академику РАСХН Кулику К. Н., к. т. н. Юфереву В. Г., д. с.-х. н. Рулеву А. С; при оформление диссертации инженеру-картографу Дзугаеву А. А., Рыбальченко Ю. В., а также всему коллективу отдела ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследований. Кроме того, автор выражает свою признательность академику РАСХН Петрову В. И., д. с.-х. н. Манаенкову А. С, к. с.-х. н. Богуну А. П. за внимание и помощь при работе над диссертацией.
Черные земли
В результате аэрокосмического мониторинга ВНИАЛМИ было установлено, что в Прикаспийском регионе имеется несколько центров опустынивания с катастрофическими величинами, из которых наиболее крупным являются Черные земли, представляющие собой типичную модель антропогенного и природного опустынивания.
Физико-географическое районирование. Черные земли (центр 46 с.ш., 46 в.д.) расположены в основном в пустынной зоне черноземельской физико-географической провинции [102]. С юга район ограничен р. Кумой, с востока Каспийским морем, с севера р. Волгой, а с запада его граница проходит по изогипсе Ому подножья Ергеней. А. Г. Доскач [59] на этой территории выделяет шесть природных районов: Астраханская перевеянная низменная равнина; район бэровских бугров и подстепных ильменей; Центрально-Черноземельская сна :ая равнина; Нарын-Худукский озерный бессточный район; Прикумская грядово-ложбинная равнина; Приморская песчано-солончаковая низменная равнина.
В физико-географическом отношении Черные земли - это полупустыня, сформировавшаяся на молодой супесчаной равнине. Неоднократная смена природных условий, в том числе из-за глубоких морских вторжений, способствовали формированию на этой территории специфического гидроклиматического режима и почвенного покрова, которые в свою очередь создали особую среду обитания растений и животных. Из-за исключительной равнинно-сти и слабого развития процессов денудации сложился микрорельеф, едва ли не целиком определяющий облик ландшафтов Западного Прикаспия [97] - ортогональная сеть из западин и ложбинообразных понижений между небольшими повышениями и плоскими участками.
Современные ландшафты Черноземельской равнины, сформировавшиеся на песчаных отложениях верхнехвалынского возраста (длительность континентального развития территории примерно 9-Ю тыс. лет), подвергались в более позднее время неоднократному перевеванию. Развитие эоловых процессов происходило на фоне колебаний климата и изменения засоленности территории [29,51,101].
В южной части территории обычно не бывает снежного покрова. Весной наблюдается быстрое нарастание температуры воздуха, а в осенние месяцы - постепенное и медленное ее понижение. Неблагоприятными природными факторами в этой части Черных земель являются часто повторяющиеся засухи с сильными ветрами, сопровождающимися пыльным бурями и переходящими порой в шторм (апрель - май). Самый жаркий месяц - июль, самый холодный - январь. Осень на Черных землях наступает во второй половине сентября. Начало осени характеризуется устойчивой теплой погодой, почти без ветра, с умеренной высокими температурами днем и прохладными ночами.
В течение второй декады октября температура воздуха переходит через 10 в сторону понижения - заканчивается активная вегетация сельскохозяйственных культур. Примерно в этот же период отмечаются заморозки. В конце октября - первой половине ноября прекращается вегетация сельскохозяйственных культур. Продолжительность осени составляет - 80 дней.
В конце ноября, первой декаде декабря наступает зима. Самым холодным месяцем является январь. Средняя температура января -7 -$С. Абсолютный минимум температуры по региону составляет -36С. Достаточно суровая малоснежная зима (отсюда и название Черные земли) влечет за собой промерзание почвы на глубину до полутора метров.
Характерной особенностью зимы являются оттепели. Наблюдаются они ежегодно, особенно в декабре. Резкие перемены погоды в этот период иногда приводят к образованию гололедицы, из-за которой гибнет много домашнего скота и диких животных.
Погодные условия региона в значительной мере определяются направлением и скоростью господствующих ветров. За зиму наблюдается от 12 до 20 дней с сильным ветром (более 15 м/с) восточных направлений, обусловливающих интенсивность метельной деятельности. Обычно отмечается 6-9 дней с метелью в течение зимы. Наиболее часты метели в январе - феврале.
С конца февраля по начало мая отмечается изменение холодных восточных ветров на юго-восточные, увеличивается повторяемость западного потока воздуха. В конце марта температура воздуха устойчиво переходит через +5, а в середине апреля через +10. В апреле резко увеличивается число ясных дней, идет быстрое высыхание верхних слоев почвы. Весны отличаются засушливостью. В отдельные годы засухи продолжаются в течение 2 месяцев. Восточные ветры в период засух носят характер суховеев. В это время возникают пыльные и песчаные бури. В конце мая - начале июня средняя суточная температура воздуха переходит через +20 и сохраняется выше этого предела 90-100 дней. Максимальные температуры в этот период достигают +38...+40, а в отдельные годы температура поднимается до +44. Поверхность почвы нагревается до +70. Облачность летом резко уменьшается, дни без солнца отсутствуют.
Летние осадки носят преимущественно ливневый характер, сопровождаются грозами и выпадением града. Число дней с грозой составляет 14-18, а с градом - не превышает обычно 3. Количество осадков за теплый период составляет 110-130 мм. Типичной особенностью лета является частая повторяемость суховеев.
Проблема опустынивания и развитие исследований
Опустынивание является серьезной экологической и социально-экономической проблемой деградации земель не только аридного региона РФ и России в целом, но и для всего мира. Уже двенадцать лет, с 1994 года, при ООН действует Международная конвенция по борьбе с опустыниванием, которая объединила более 170 государств.
В научной литературе термин "опустынивание" был введен французским ботаником А. Обревиллем [149], как "превращение плодородных земель в пустыню в результате антропогенного воздействия".
Более позднее понятие "опустынивание" было сформулировано в конце 1970-х гг. как "процесс биолого-социально-экономической деградации экосистем" [151]. Базовое определение понятия опустынивания [155] оценивало его как "сокращение и разрушение биологического потенциала земель, что может привести, в конечном счете, к пустынно-подобным условиям". При этом "ухудшение" экосистем, понималось как "уменьшение и разрушение биологического потенциала, т.е. растительной и животной продукции для многоцелевого использования в то время, когда увеличение продукции необходимо для поддержания возрастающего населения".
Б. В. Виноградов [46] предложил понятие динамического опустынивания "как длительновременные климатогенные сукцессии экосистем, в течение которых субаридные полупустынные, степные и саванные ландшафты сменяются пустынными, так и более кратковременные антропогенные сукцессии, при которых в этих зонах происходит разрушение сложных и высокоорганизованных пустынных экосистем и образование на их месте примитивных комплексов с преобладанием минеральных арен".
Мировая наука также [151 и др.] подчеркивала экологическую сущность определения опустынивания как "процесса обеднения аридных, субаридных и даже субгумидных экосистем совместным воздействием человека и засухи, что приводит, в первую очередь, к уменьшению продуктивности растительности и разрушению почв".
Во многих научных работах [12, 60, 62, 126 и др.] дано определение опустыниванию, как "изменение почв, включая водные ресурсы, природной растительности, сельскохозяйственных посевов".
С точки зрения экологического подхода наиболее подходящим является понятие опустынивания, принятой Конвенцией ООН по борьбе с опустыниванием 17 июня 1994 года, определяющее это явление, как "деградацию земель в засушливых, полузасушливых и сухих субгумидных районах в результате действия различных факторов, включая изменение климата и деятельность человека" [72].
В 1995 г. UNEP расширила программу деятельности по контролю за опустыниванием, включив в нее экосистемы засушливых земель (Dryland Ecosystems) [150].
Российскими исследователями [38, 40, 82, 114 и др.] были выявлены основные антропогенные факторы опустынивания аридных территорий юга России:
- перевыпас и сбой пастбищ;
- неоправданная распашка непригодных для земледелия почв;
- неправильное орошение почв, в особенности без необходимого дренажа;
- истощение, загрязнение и засоление местных вод и иссушение источников питьевой воды;
- вырубка и угнетение ветро- и водозащитной древесной и кустарниковой растительности;
- повышение аридности климата, повышение частоты, силы и продолжительности почвенных и атмосферных засух;
- затопление и подтопление, засоление и заболачивание почв как следствие неоправданного и неэффективного водного строительства в аридных районах;
- техногенное опустынивание (транспортная нагрузка, буровые и земляные работы, промышленное и водное строительство);
- промышленное загрязнение воздуха, почв и вод, связанное с химическими производствами, добычей полезных ископаемых.
В настоящее время существуют разработки, связанные с изучением проблем опустынивания, концептуально-методологическими основами, подходами, определением стратегии, тактики и системы мер по борьбе с опустыниванием, воспроизводством и рациональным использованием земель аридных территорий.
Большого внимания заслуживают исследования Института пустынь АН Туркмении. Именно здесь находился центр исследований по комплексной проблеме освоения пустынь.
Исследования таких авторов, как А. Г. Бабаева [8, 11], С. Б. Байрамова [9], И. С. Зонна [61] и других посвящены изучению и оценке природы пустынных территорий, водных, земельных и биологических ресурсов, а также разработке научных и прикладных основ охраны, воспроизводства и их рационального использования.
Н. Т. Нечаева [98, 100], 3. Ш. Шамсутдинов, Г. М. Мухамедов [99] свои исследования посвятили экологическому мониторингу биоты пустынных экосистем, определению нагрузок в зависимости от потенциала пастбищной дигрессии.
Б. В. Виноградов [42, 43], Н. Г. Харин, Н. А. Орловский и др. [142, 143] разрабатывали методические основы картографии процессов опустынивания и прогноз состояния аридных земель.
Отдельно необходимо отметить исследования С. В. Зонна [60, 63] по обоснованию типов и стадий проявлений опустынивания.
Общие методические положения работы с аэрокосмической фотоинформацией
В современных условиях научно-технического прогресса антропогенное воздействие на природные ландшафты носит нарастающий характер, создавая реальную опасность нарушения экологического равновесия территорий. Это связано с тем, что ежегодно без учета экологической емкости все больше используются природные ресурсы, что приводит к нарушению экосистемы и расширению площадей деградации и опустынивания. Масштабы нарушения так велики и продолжительны, что требуют постоянного наблюдения с целью выявления очагов экологического бедствия, т. е. требуется ведение постоянного мониторинга.
На современном уровне для получения и переработки информации о земле, ее ресурсах и состоянии, проведения мониторинга привлекаются новейшие методы. Одним из таких методов является применение аэрокосмического мониторинга. Использование космической фотоинформации может оказать существенную помощь для выявления очагов дефляции, стихийных бедствий, снижение биопродуктивности пастбищных земель и анализа современного состояния почвенного и растительного покрова. С их помощью можно четко и точно определить распространение различных ареалов деградации и опустынивания. С целью обеспечения экологической безопасности территории, подвергающейся антропогенному воздействию, особенно при проведении работ, связанных с нарушением природных экосистем необходим постоянный мониторинг.
Главная цель мониторинга деградации и опустынивания экосистем -проследить процесс деградации почв, растительного и животного мира.
Комплексный подход в обработке и интерпретации аэрокосмической информации дает наиболее эффективные результаты при исследовании природных ресурсов и, прежде всего, их изменении в направлении опустынивания. Аэрокосмический мониторинг опустынивания дает возможность наблюдать за развитием опустынивания в различных природных зонах, а также помогает изучить общие региональные закономерности природных условий.
Методика работ по применению аэрокосмических методов разработана с учетом изученных и обобщенных материалов литературных источников, и базируется на дешифрировании АКФ и минимальном наземном обследовании.
Данные дистанционного зондирования территорий являются наиболее быстрым и относительно дешевым путем получения оперативной и точной информации о состоянии наземных экосистем, их структуры и компонентов. На их основе возможно проведение как крупномасштабного анализа обширных территорий, так и детального - для локальных (ключевых) участков и объектов.
В основе аэрокосмических методов лежит дешифрирование АКФ, представляющий собой анализ фотоинформации с целью извлечения сведений о поверхности и недрах Земли (других планет, их спутников), расположенных на поверхности объектах, происходящих на поверхности и в близповерхност-ном пространстве процессах [26,145].
В процессе дешифрирования на АКФ можно выделить десятки цветных тонов, определяющих развитие процесса опустынивания. По фототону можно определить четкие контуры ареалов распространения опустынивания, разнообразие и изменчивость растительного покрова с учетом факторов размещения выпасов, грунтового увлажнения и состояния экосистемы. На черно-белых снимках фототон может изменяться в зависимости от полноты покрова растительности и степени деградации территории.
На снимках объекты распознают по прямым (форма, рисунок, размер, тон (цвет), тень изображения объектов) и косвенным (природные, антропогенные и природно-антропогенные) дешифровочным признакам.
