Содержание к диссертации
Введение
Анализ и обоснование выбора методов оценки и картографирования опустынивания для целей составления мелкомасштабных карт опустынивания/деградации почвенного покрова 20
Введение. 20
Базовые методы для достижения целей исследования (общая характеристика). 20
Выбор путей адаптации базовой методики (анализ методов ландшафтно-экологического картографирования) 26
Пути адаптации базовой методики. 49
Выбор базовой контурной основы. Выбор и обоснование объектов исследования 49
Причины и направления опустынивания: методические подходы к оценке и проверка подходов на тестовых территориях. Учет взаимодействия естественной и антропогенной эволюции почв и ландшафтов при опустынивании 55
Основные картографируемые параметры опустынивания. 67
Принципы оценки и картографирования параметров опустынивания. Атлас опустынивания/деградации почвенного покрова России 71
Составление списка причин опустынивания/деградации почвенного покрова. 71
Составление перечня основных направлений опустынивания/деградации почвенного покрова 74
Принципы индикации и диагностики основных картографируемых параметров 76
Задачи экспертных систем 76
Индикаторы опустынивания/деградации почвенного покрова. Составление банка данных по индикаторам 77
"Логический ключ" для определения причин и направлений опустынивания. 82
Классификаторы индикаторов опустынивания. Оценка степени проявления актуальных и потенциальных направлений 93
опустынивания / деградации почвенного покрова. Отличия монодоминантных и полидоминантных контуров и способы 100
отражения на картах комплекса причин и направлений опустынивания. Методы отражения на картах параметров опустынивания/деградации почвенного покрова 101
Картографическая база данных. 101
Использование методов геоинформационных систем. 102
Описание Атласа опустынивания/деградации почвенного покрова РФ. 104
Проведение площадной оценки. 108
Оценка территорий, подверженных воздействию причин опустынивания. 109
Оценка потенциальной опасности опустынивания/деградации почвенного покрова 117
Оценка актуальных направлений опустынивания/деградации почвенного покрова 123
Заключение к главе. 127
Критический анализ полученных результатов и постановка задач 2-го этапа работ 129
Разработка методической основы мониторинга опустынивания РФ с использованием космических материалов дистанционного зондирования 132
Подходы к построению контурной основы. 132
Подбор и трансформация материалов дистанционного зондирования (МДЗ). 132
Способы обработки и дешифрирования космических снимков. 133
Автоматизированное дешифрирование МДЗ на базе нейронных сетей. 133
Построение контурной основы. 136
Экспертная корректировка и окончательный выбор контурной основы. 137
Обновление банка индикаторов опустынивания с учетом МДЗ . 138
Отражение параметров опустынивания на карте. 148
Уточнение списка причин опустынивания/деградации земель. 148
Уточнение списка актуальных направлений опустынивания/деградации земель 151
Уточнение списка и способов отражения на карте потенциальных направлений опустынивания/деградации земель 152
Уточнение способов диагностики степени проявления актуальных и потенциально опасных направлений опустынивания 153
Способы генерализации информации о параметрах опустынивания с целью отражения на единых картах. Задачи и принципы генерализации. 153
Ранжирование трендов опустынивания по приоритетам. 158
Ранжирование причин опустынивания по приоритетам. 158
Описание «Карты опустынивания Российской Федерации" (1:1 500 000). 159
Оценка территорий, подверженных воздействию причин опустынивания. 161
Оценка потенциальной опасности опустынивания/деградации почвенного покрова 164
Оценка актуальных направлений опустынивания/деградации почвенного покрова 166
Географическое районирование семиаридной и засушливой зон России по опустыниванию 171
Введение. 171
Принципы районирования. 171
Заключение к главе. 197
Заключение. 198
Выводы. 202
Список использованных литературных и картографических материалов. 204
Приложения. 250
- Выбор путей адаптации базовой методики (анализ методов ландшафтно-экологического картографирования)
- Индикаторы опустынивания/деградации почвенного покрова. Составление банка данных по индикаторам
- Обновление банка индикаторов опустынивания с учетом МДЗ
- Оценка актуальных направлений опустынивания/деградации почвенного покрова
Выбор путей адаптации базовой методики (анализ методов ландшафтно-экологического картографирования)
Методы ландшафтно-экологического картографирования носят общеэкологический характер и не посвящены конкретно процессам опустынивания, хотя почвы относятся к объектам картографирования экологических карт. Так, например, "Мировая карта состояния антропогенно обусловленной деградации почв" (World map..., 1990) географами относится к числу "собственно экологических" ("Оценка качества природной среды..." (1995)).
В основном на картах экологических ситуаций система оценок ориентирована на человека и, прежде всего, на его здоровье и хозяйственную деятельность. Вместе с тем, в проанализированных ниже методиках заложены основные принципы оценки и картографирования негативных природных процессов, к которым относятся и такие, как опустынивание и деградация почвенного покрова. Методика комплексного экологического картографирования по созданию карт экологических ситуаций (Котляков В.М. и др., 1990).
Этот метод позволяет выявлять экологические проблемы, т.е. негативные изменения окружающей природной среды, вызванные антропогенной деятельностью и определять их пространственную локализацию.
Основное преимущество методики заключается в том, что она позволяет представлять исходную информацию в картографической форме, как при наличии количественных данных, так и при их отсутствии. Это является очень важным моментом при адаптации, т.к. в мелком масштабе зачастую трудно найти исчерпывающую информацию о состоянии окружающей среды или генерализовать имеющуюся для отдельных контуров. В других же случаях анализ только количественных данных становится недостаточным для определения параметров опустынив ания.
Другим не менее важным преимуществом является возможность использования в работе практически всего масштабного ряда (от 1:100 000 до 1: 8 000 000).
В случае недостаточного информационного обеспечения операционной единицей является выдел использования земель, а при формализованных оценках - природный территориальный комплекс, выявленный картографически. Оба варианта оценок включают сопряженный анализ карт состояния компонентов окружающей природной среды, карт антропогенных нагрузок и воздействий, ландшафтных карт и др. Важно отметить, что такой подход позволяет использовать не только ландшафтные контуры (или почвенные, или геоботанические и др.) в качестве операционных единиц контурной основы, но и контуры "земель" или ПТК, или какие-либо другие, выделяемые картографически, что особенно важно, как это будет показано при описании второго этапа нашей работы, при составлении карт на основе материалов дистанционного зондирования.
По данной методике (методом формализованных оценок) составлена карта "Экологические ситуации Аральского региона" в масштабе 1: 2 500 000. Границы ареалов экологических ситуаций на этой карте проводятся по распространению экологической проблемы или их сочетанию, а также в соответствии с изменением остроты экологической ситуации и природных условий территории. Для целей нашей работы применение этого подхода позволяет также составлять не только карты современного состояния опустынивания по используемым индикаторам, но и отражать на картах распространение причин опустынивания или рискообразующих условий. Действительно, определяемые в данной методике экологические ситуации, по сути, соответствуют выделяемым в базовой методике причинам опустынивания.
Далее в методике Котлякова В.М. с соавт. предлагается использовать семь основных принципов и индикаторов при оценке степени критичности экологической ситуации:
1) состояние природы, населения, хозяйства того или иного района;
2) степень (глубина) изменения природы, населения, хозяйства (абсолютная и относительная);
3) направленность процесса;
4) темпы изменений;
5) время, в течение которого наблюдались негативные процессы;
6) сочетание различных экологических проблем;
7) возможность стабилизации и улучшения ситуации.
Как следует из перечисленных выше параметров, авторы в своей работе используют параметры, сходные с теми, которые приняты в практике оценки и картографирования опустынивания, например, направленность процесса, степень (глубина) и темпы изменений. Важно отметить, что в данной работе выделяется такой параметр, как возможность стабилизации и улучшения ситуации, который непосредственно указывает на возможность прогнозирования развития экологической ситуации в направлении стабилизации состояния окружающей среды. С точки зрения нашей работы это обусловило необходимость ввести такой параметр как проградационные явления, который отражает развитие того или иного процесса в направлении улучшения свойств почв и структуры почвенного покрова в целом. В Российской Федерации явления этого характера в последние 15 лет достаточно широко распространены и, в основном, связаны с восстановлением естественной растительности на забрасываемых сельскохозяйственных землях. Вместе с тем, проградационные явления отмечаются и при рассолении орошаемых площадей.
Предлагаемый метод оценки критичности экологических ситуаций, как и базовая методика Г.С.Куста с соавт. (1995), во многом основан на анализе ландшафтно-динамических рядов и соответствующих им индикаторов. Однако, набор индикаторов в случае составления карты "Экологические ситуации Аральского региона" строго специфичен для данной территории, что требует для целей нашего исследования использовать иные индикаторы или их расширенный набор.
Идея о рядах трансформации природных ландшафтов высказывается также и в "Методике составления карт эколого-географических ситуаций" (Шестаков А.С., 1995).
Эта методика основана на выявлении природно-антропогенных трансформаций ландшафтов с последующим определением и районированием по классам остроты эколого-географических ситуаций (ЭГС).
Степень остроты ЭГС оценивается по следующим основным критериям:
1) степень и характер трансформации природных ландшафтов;
2) тип и уровень освоенности территории;
3) состояние социально-экономических структур;
4) уровень развития и напряженности техногенных перестроек;
5) характер и уровень развития противоречий природопользования;
6) последствия трансформации окружающей среды для общества. Обоснованная автором возможность выделения для обзорного картографирования в масштабе 1: 6 000 000 пяти классов эколого-географических ситуаций: удовлетворительные, конфликтные, кризисные, бедственные, катастрофические позволяют нам применить для обзорных целей аналогичную шкалу для оценки степени опустынивания, а ряд из использованных А.С.Шестаковым критериев остроты ЭГС использовать также и при оценке трендов и причин опустынивания.
С точки зрения обоснования единиц картографирования следует отметить Методику по выявлению и районированию природно-хозяйственных конфликтов экологического значения (ДончеваА.В. и др., 1989, 1990).
При использовании данной методики проводится дифференциация территорий на районы, сходные по условиям и последствиям взаимодействия природы и общества. Она имеет практическое значение для управления (эколого-географического обоснования размещения объектов и отраслей хозяйства).
Операционной единицей являются районы, сходные по условиям и последствиям взаимодействия природы и общества, выделяемые в рамках природного или хозяйственного районирования. Используемые масштабы - 1: 8 000 000 и крупнее. Применяемый здесь подход имеет для целей нашей работы важное значение для объединения почвенных или выделяемых на основании дешифрируемых космоснимков ландшафтных контуров в более крупные выделы, а также при районировании опустынивания.
Индикаторы опустынивания/деградации почвенного покрова. Составление банка данных по индикаторам
Индикаторами опустынивания называются разнообразные физические, биологические и социальные параметры состояния территории, служащие целям диагностики и мониторинга опустынивания (Руководство ФАО-ЮНЕП..., 1984).
Для разработки логического ключа возможно использование некоторого набора индикаторов, позволяющих при пошаговой диагностике определяемых и характеристик на качественном уровне разделить характеристические параметры - в данном случае параметры опустынивания. При этом, как показало практическое применение этого подхода, оказывается возможным использовать качественные и даже неформализованные индикаторы, например - текстовые описания состояния какой-либо территории.
В нашей работе для определения параметров опустынивания и при составлении логического ключа использовались следующие формализованные и неформализованные индикаторы:
1. Преобладающие почвы (по картам разных лет);
2. Сопутствующие почвы, в т.ч. комплексы и сочетания (по картам разных лет);
3. Процентное содержание солонцов и/или засоленных почв в контуре;
4. Гранулометрический состав почв и почвообразующих пород;
5. Тип почвообразующих пород;
6. Галохимические особенности почв (% солей, химизм);
7. Климатические особенности (среднегодовая температура, коэффициент увлажнения и др.);
8. Грунтовые воды (уровень залегания, минерализация, химизм);
9. Растительность (преобладающие сообщества, проективное покрытие, севообороты);
10.Рельеф (тип, расчлененность, дренированность территории и др.);
11 .Эродированность;
12.Гидрографическая сеть (водные объекты, качество вод, плотность сети);
13.Тип хозяйственного использования территории;
14.Дороги (плотность, качество покрытия); 15.Специфические дополнительные данные:
содержание гумуса в слое 0-20 (30, 50, 100) см;
снижение содержания гумуса за 20- 25 (50) лет %;
солонцовые комплексы в % от площади с/х угодий;
месторождения полезных ископаемых;
с/х угодья в % к общей земельной площади;
пашня в % от общей площади с/х угодий;
уд. вес пашни в % от всей площади;
использование водных ресурсов;
пастбища в % от всей площади;
промышленность;
сенокосы в % от всей площади;
лесистость в % от всей площади;
категория пашни;
пастбищная нагрузка в головах/га (кв.км).
Как видно из списка, нами учитывались различные группы индикаторов, которые использовались не только для прямой диагностики картографических параметров, но и (особенно в случае недостаточной исходной информации по некоторым контурам) для подтверждения установленных картографируемых параметров и для косвенной экспертной оценки. Так, например, прямыми для установления опасности и актуальной деградации почв послужили индикаторы преобладающих и сопутствующих почв в контуре, установленных по картам разных лет. Дополнительными в данном случае выступают такие индикаторы как: процентное содержание солонцов и засоленных почв, данные по содержанию гумуса, эродированность почвенного покрова, галохимические особенности почв. Для косвенной экспертной оценки существенную роль часто играют показатели состояния растительности, рельефа, гидрографической сети.
Для установления причин деградации прямым индикатором является тип хозяйственного использования территории, а при экспертной оценке привлекаются такие характеристики природно-территориальных комплексов как количество и качество дорог, наличие месторождений полезных ископаемых, площадь и категория с/х. угодий и пашни, промышленность, типы, количество и возраст оросительных систем, площадь лесов и сенокосов, пастбищная нагрузка.
Информация по всем индикаторам была собрана в составленный по единой схеме "банк данных", в котором для каждого из 2077 контуров картографической основы собиралась вся информация из доступных картографических, литературных и фондовых материалов (см. "Список использованных литературных и картографических материалов"). Фрагмент "банка" приведен ниже.
Как видно из приведенного примера, этот "банк данных" не является полностью формализованным. Причины две. Первая связана с чрезвычайно большим объемом хотя и родственной для разных территорий информации, но представленной в разных номинативных и числовых шкалах с разными единицами измерения, с разной степенью детализации, а зачастую просто противоречащих друг другу. Вторая причина состоит в резком недостатке доступной требуемой информации для ряда рассматриваемых регионов, поэтому некоторые позиции в "банке" остаются незаполненными.
Обновление банка индикаторов опустынивания с учетом МДЗ
Дешифрирование космических снимков позволило расширить содержание составленного на 1-ом этапе исследований банка данных по индикаторам опустынивания. С этой целью информация, вносимая в банк данных, структурировалась по следующим блокам:
1 блок индикаторов: Информация, получаемая непосредственно по МДЗ:
1-1. тип хозяйственного использования земель (пашня, пастбища, естественные угодья),
1-2. границы орошаемых территорий,
1-3. водохозяйственные объекты и сооружения,
1-4. признаки линейной и плоскостной эрозии,
1-5. признаки засоления и опасности засоления,
1-6. признаки осолонцевания,
1-7. признаки дефлированности и разбивания поверхностей,
1-8. информация о геохимически сопряженных объектах.
Этот блок индикаторов является приоритетным при диагностике параметров опустынивания.
По МДЗ получают и другую информацию, которая служит дополнительной для диагностики причин и процессов опустынивания: контрастность границ хозяйственных объектов (полей, пастбищ и т.д.); текстура и структура фотоизображения, характерная для разной динамики ведущих процессов опустынивания; геоморфологическая и гидрохимическая сопряженность территорий и т.д.
2 блок индикаторов:
Информация, получаемая из других источников:
2-1. Климатические особенности (среднегодовая температура, коэффициент увлажнения и др.)
2-2. Тип хозяйственного использования территории
2-3. История хозяйственной деятельности
2-4. Рельеф (тип, расчлененность, дренированность территории и др.)
2-5. Преобладающие почвы (по картам разных лет)
2-6. Сопутствующие почвы, в т.ч. комплексы и сочетания (по картам разных лет)
2-7. Процентное содержание солонцов и/или засоленных почв в контуре
2-8. Гранулометрический состав почв и поверхностных отложений
2-9. Тип поверхностных отложений
2-10. Галохимические особенности почв (% солей, химизм)
2-11. Грунтовые воды (уровень залегания, минерализация, химизм)
2-12. Растительность (преобладающие сообщества, проективное покрытие, севообороты, данные разных лет)
2-13. Эродированность и дефлированность
2-14. Гидрографическая сеть (водные объекты, качество вод, плотность сети)
2-15. Месторождения полезных ископаемых
2-16. Дороги (плотность, качество покрытия) Кроме этой информации, в качестве дополнительной в ряде случаев для диагностики опустынивания полезными оказывались специфические дополнительные данные (3 блок индикаторов):
3-1. Содержание гумуса в слое 0-20 (30, 50, 100) см
3-2. Снижение содержания гумуса за 20- 25 (50) лет %
3-3. С/х угодья в % к общей земельной площади
3-4. Пашня в % от общей площади с/х угодий
3-5. Уд. вес пашни в % от всей площади
3-6. Использование водных ресурсов
3-7. Пастбища в % от всей площади
3-8. Промышленность
3-9. Сенокосы в % от всей площади
3-Ю. Лесистость в % от всей площади
3-11. Категория пашни
3-12. Пастбищная нагрузка в головах/га (кв.км) Второй и третий блоки индикаторов соответствуют индикаторам, которые были использованы на первом этапе работ, однако содержание банка данных по ним было существенно расширено в соответствии с увеличившимся количеством базовых контуров основы.
Комплексное использование всей собранной информации при дешифрировании МДЗ, обработанных с помощью нейронных сетей, позволило не только уточнить содержание некоторых контуров, но и в значительной степени дополнить созданную автоматическим комплексом ландшафтную основу новыми данными и контурами, уточнить границы ряда выделов, провести обоснованное дешифрирование картографируемых параметров опустынивания.
Отражение параметров опустынивания на карте. Уточнение списка причин опустынивания/деградации земель.
Анализ новой информации, полученной в ходе дешифрирования МДЗ, увеличение масштаба карты и расширение банка данных по индикаторам показали, что первоначальный список причин опустынивания при отсутствии принципиальных отличий может быть уточнен и дополнен. В приводимом ниже списке причин изменения, внесенные по сравнению с картой, составленной на первом этапе, показаны курсивом.
Подъем уровня грунтовых вод как результат строительства водохозяйственных сооружений (распространение воздействий, повышающих риск засоления и\или осолонцевания и подтопления)
Подъем уровня грунтовых вод в результате длительного орошения или расширения орошаемых площадей (распространение воздействий, повышающих риск засоления и/или осолонцевания и подтопления)
Подъем уровня грунтовых вод в результате естественных геологических и/или климатических процессов (распространение воздействий, вызывающих подтопление, изменение степени засоления и/или осолонцевания почв)
Орошение минерализованными водами (распространение воздействий, повышающих риск засоления и/или осолонцевания)
Геохимическая миграция солей к периферии орошаемых массивов (распространение воздействий повышающих риск засоления и/или осолонцевания почв).
Снижение геохимической отточности территории в результате заиливания русел (распространение воздействий повышающих риск засоления и/или осолонцевания почв).
Иссушение поверхности, вызванное опусканием уровня грунтовых вод в результате искусственного зарегулирования стока рек или строительства дренажных систем (распространение воздействий, повышающих риск засоления и/или осолонцевания почв, снижения продуктивности естественной растительности)
Иссушение поверхности, вызванное опусканием уровня грунтовых вод в результате естественных геологических и/или климатических процессов (распространение воздействий, повышающих риск засоления и/или осолонцевания почв, снижения продуктивности естественной растительности)
Оценка актуальных направлений опустынивания/деградации почвенного покрова
Оценка распространения актуальных направлений опустынивания приведена в таблице 17.
Главными актуальными направлениями опустынивания/деградации почвенного покрова на рассматриваемой территории являются водная эрозия почв (на площади 532593 км2) и формирование незакрепленных и развеваемых поверхностей (на площади 290958 км2). В обоих случаях преобладают территории, подверженные опустыниванию в умеренной степени.
Крайняя степень проявления водной эрозии отмечается на 3.1% территории, что соответствует 48649 км . Формирование незакрепленных и развеваемых поверхностей в очень сильной степени происходит на площади 5448 км . Кроме этого, надо отметить, что на территории 2093 км в настоящее время сформировались развеваемые пески.
Следующими по распространению надо отметить процессы осолонцевания, которые охватывают 9.8% территории (154080 км2) и засоления - 6.5% (103396 км2) соответственно. Осолонцевание на рассматриваемой территории наиболее выражено в умеренной степени (на площади 67072 км ). В равных долях - около 2.5% территории -отмечено распространение процессов осолонцевания в слабой и сильной степени. Крайняя степень проявления осолонцевания охватывает 8628 км , что составляет 0.5% территории.
Аналогичная тенденция отмечается и для актуальных процессов засоления. Также в основном преобладает засоление в умеренной степени - 46788 км2, примерно в равных долях представлены слабое и сильное засоление - 1.6% и 1.4% соответственно. Однако лишь небольшая часть территории достигает состояния солончаковых пустынь -засоление в очень сильной степени отмечено на 0.5% территории.
Снижение продуктивности естественной растительности было отмечено на 5% территории, что составляет 78228 км .
В меньшей степени проявляются процессы подтопления и техногенеза (они отмечены на 0.92%) и процессы уплотнения почв, которые распространены на 1687 км2, что составляет 0.11% территории.
Наряду с процессами опустынивания нами были отмечены территории, на которых наблюдались следующие проградационные явления:
- Восстановление степной растительности;
- Восстановление лесной растительности;
- Рассоление и/или рассолонцевание.
Наибольшую площадь занимают территории, подверженные восстановлению лесной растительности - они составляют 74550 км . Меньшую площадь занимают территории, подверженные рассолению и/или рассолонцеванию. Восстановление степной растительности было отмечено только на 0.1% территории, что соответствует 1900 км2.
В целом на рассматриваемой территории актуальное опустынивание распространено более чем на 75%, при этом преобладает умеренная и слабая степень опустынивания. Более 4% территории юга России подвержено опустыниванию в очень сильной степени, а на площади 2093 км2 сформировались массивы развеваемых песков.
Сопоставление данных Атласа и Карты показывает, что водная эрозия является основным направлением опустынивания/деградации почвенного покрова на территории России.
Таким образом, проведенный обзор показал, что примерно 7% от общей площади России подвержено воздействию опустынивания, а актуальные процессы опустынивания в разной степени охватывают более 75% засушливой территории России. Около 10% территории входят в так называемую область риска, где пока интенсивность антропогенных воздействий не превысила критический уровень устойчивости почв и ландшафтов.
При этом наиболее распространенным (около 38% территории) воздействием является распашка почв. Вторым по значимости воздействием является пастбищное животноводство (более 25%). Третьим - сведение лесов (9%). Вместе с тем, на территории около 80000 кв. км (или 6% от общей исследованной площади) отмечаются проградационные явления, связанные в основном с восстановлением естественной растительности.
Важно отметить, что из деградирующих земель большая часть представлена слабой и умеренной степенью деградации (более 50%), а очень сильной деградации подвержено менее 5%. Наиболее значимым направлением деградации является водная эрозия (более 33%), затем следует формирование незакрепленных поверхностей (в основном связанных с ветровой эрозией) - более 18%, затем осолонцевание и засоление (около 9% и около 7% соответственно).
