Введение к работе
Актуальность исследования. Проблема исследования влажности почв в семиаридных условиях юга России имеет явно выраженные теоретические и практические аспекты. В теоретическом плане актуальность изучения почвенной влаги определяется недостаточными знаниями ее свойств на исследуемой территории. Насущной методико-теоретической задачей является обоснование и разработка приемов оперативной оценки распределения влажности почвы по данным дистанционного зондирования. Одна из сторон решения этой задачи - моделирование поля анализируемого показателя почвы на основе установления функциональных и статистических связей влажности почвы с факторами ее формирования.
В прикладном смысле актуальность изучения влажности почвы необходимо рассматривать в агрометеорологической и сельскохозяйственной плоскости. Краснодарский край - один из наиболее продуктивных аграрных комплексов России, в котором растениеводство играет ключевую роль. Выращивание зерновых культур весьма требовательно к запасам продуктивной влаги в почве. Режим влажности почв выступает одним из элементов агропотенциала территории.
Естественные взаимодействия в системе почва- вода нарушаются по причине повсеместной антропогенной трансформацией почв в регионе. Признаки антропогенной трансформации - перераспаханность, дегумификация (минерализация) и пр. - находят свое отражение в модификации территориальной структуры влажности почвы. Подобные изменения заслуживают внимания и в связи с тем, что влаж-ностные характеристики почв относятся к критическим индикаторам ландшафтов.
Изученность проблемы. Опубликованные сведения о влажности почв на территории Западного Предкавказья исчерпываются справочной информацией. Накопленные за последние десятилетия данные измерений влажности почвы, выполняемых гидрометеорологической службой, до настоящего времени не получили должного обобщения. Целенаправленные исследования почвенной влаги с последующим пространственно-временным анализом регионального уровня не проводились. Можно констатировать, что изученность территориальной и временной структуры влажности почвы явно не отвечает природной (климатической, водно-балансовой) и хозяйственной значимости почвенной влаги.
Существующие пространственные обобщения 1970-1980-х гг., представленные в форме районирования и карт запасов продуктивной влаги в почве (С.А. Ве-риго, Л.А. Разумова, Е.Н. Романова, Л.С. Кельчевская и др.), относятся к макро-масштабному или зонально-географическому уровням.
Современные спутниковые данные и геоинформационные технологии предоставляют возможность развить традиционные методы исследований почвенной влаги и перейти от дискретного анализа (по наблюдениям на пунктах) к континуальному моделированию исследуемого показателя.
Цель диссертации - на основе обширного эмпирического материала описать территориальную структуру и динамику поля влажности почвы в степной зоне Западного Предкавказья, а также теоретически обосновать и разработать методику анализа и оперативного моделирования пространственного распределения запасов продуктивной влаги в почве. Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:
1. раскрыть физико-географическую обусловленность территориальной структуры и временного распределения почвенной влаги как климатического (метеорологического) и водно-балансового компонента;
-
исследовать сезонную и многолетнюю динамику влажности почвы посредством расчета статистических параметров многолетней изменчивости и установления закономерностей режима увлажнения почвы;
-
описать территориальную структуру поля влажности почвы в корнеобитаемом слое на исследуемой территории в связи с метеорологическими факторами ее формирования;
-
на основе ГИС-технологий разработать новые подходы к территориальному анализу и картографированию влажности почвы;
-
дать теоретическое обоснование и разработать методику оперативной оценки и картографирования влажности почвы на территории Западного Предкавказья по данным спутников AQUA и TERRA;
-
по данным спутниковых снимков выполнить статистическое исследование связей между территориально распределенными показателями влажности почвы и ее индикаторами - альбедо, температурой подстилающей поверхности, нормализованным вегетационным индексом.
Основным объектом исследования являются почвы степной зоны Западного Предкавказья в границах Краснодарского края и республики Адыгея. Предметом исследования выступает территориальная структура и динамика поля влажности почвы.
Исходные материалы представлены: 1. данными регулярных декадных измерений влажности почвы на 19 метеостанциях Краснодарского края (1969-2004 гг.); 2. данными стандартных метеорологических измерений показателей, определяющих режим почвенной влаги (осадки, температура и влажность воздуха и др.) (1969-2004 гг.); 3. космическими снимками спутников AQUA и TERRA; 4. данными дешифрирования космических снимков в виде численных значений ячеек растра с показателями влажности почвы, температуры поверхности, вегетационного индекса NDVI, альбедо.
Методы исследования. При разработке теоретических аспектов диссертации автор опирался на общеметодологические подходы в исследовании почвенной влаги, сформированные представителями отечественной школы почвоведения и агрометеорологии Г.Н. Высоцким, А.А. Роде, Н.Г. Иовенко С.А. Вериго, Л.А. Ра-зумовой, Л.С. Кельчевской и др. Исследования ряда авторов в области климатологии, агрометеорологии, ландшафтоведения, почвоведения и смежных дисциплин (Л.С. Кельчевская, Л.О. Карпачевский, И.И. Лебедева, В.П. Самсонова, А.А. Исаев, Э.Г. Коломыц, Ю.Г. Пузаченко, Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова и др.) оказали влияние на постановку задач и объяснение полученных результатов. В процессе обработки агрометеорологических и спутниковых данных широко использовались статистические методы - регрессионный и корреляционный анализ, тренды.
Картографическое обеспечение анализа поля влажности почв по данным наземных и спутниковых наблюдений опиралось на методику ГИС-картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов и др.). При использовании спутниковых снимков для моделирования метеорологических полей автор опирался на зарубежный опыт (Wagner, 1998; Lakhankar et al, 1998; Galantowicz et al, 2001; Zhan et al, 2002; McBratney et al, 2003 Hutchinson et al, 2006; и др.).
Основу программного обеспечения при статистической обработке информации составил пакет SPSS, а при геоинформационном моделировании и обработке спутниковых снимков - пакет ArcGIS (ESRI Inc., США).
Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:
-
установлены закономерности сезонного хода, многолетней вариабельности и пространственной корреляции влажности почв в корнеобитаемом слое на исследуемой территории;
-
с использованием комплекта построенных карт запасов продуктивной влаги в почве и сопутствующих метеорологических показателей раскрыта их территориальная структура на региональном уровне;
-
разработана структура, определено содержание и создана специализированная ГИС, предназначенная для анализа и картографирования запасов продуктивной влаги в почве, а также других агрометеорологических показателей;
-
обоснована и реализована методика оперативной оценки и картографирования влажности почв Краснодарского края;
-
выполнен многомерный статистический анализ влажности почв и ее индикаторов (температуры земной поверхности, альбедо, вегетационного индекса).
Научная и практическая значимость. Создание единой базы данных для хранения всей доступной информации по влажности почвы и сопутствующих данных усовершенствовало информационное обеспечение агрометеорологических исследований в Краснодарском крае. Разработанная методика картографирования запасов продуктивной влаги в почве применяется Краснодарским краевым центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (КЦГМС) в оперативной деятельности. Технология использования спутниковых снимков позволила дополнить данные наземных наблюдений континуальной информацией о полях влажности и сопутствующих агрометеорологических показателях. Построенные карты развивают представления о структуре поля запасов продуктивной влаги в почвах.
Диссертационное исследование в значительной мере связано с выполнением научно-исследовательских работ по гранту РФФИ (проект 04-05-65307-а), в котором диссертант являлся одним из исполнителей.
Апробация. Основные теоретические положения и практические результаты докладывались и обсуждались на X Всероссийском форуме «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2003); XVII и XVIII межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2004, 2005); научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Гузерипль, 2006); конференциях грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Туапсе, 2006, 2007); конференции «Проблемы гидрометобеспечения отраслей экономики и населения горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Архыз, 2007), а также на ежегодных студенческих конференциях в КубГУ (2003-2006). Результаты исследования неоднократно обсуждались на научно-методических семинарах и расширенных заседаниях кафедры геоинформатики КубГУ (2006-2009).
По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 работ.
Объем и структура работы. Диссертация объемом 208 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников (111 наименований, в том числе 29 иностранных). Работа содержит 70 иллюстраций, 15 таблиц, 17 приложений.
