CC BY
16
АНАЛИЗ ПОГЛОЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ В АГРОЦЕНОЗЕ _НА МАТЕРИАЛАХ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ_
Березин Леонид Владимирович
Государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина. Омск. Россия Доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик Международной академии экологии IAELPS
Аннотация: Показано значение кластеризации по величине светоотражения мультиспектральных космических снимков при почвенно-агрохимическом обследовании земель сельскохозяйственного назначения и определена величина диапазонов спектра поглощения энергии солнечной радиации. Это сокращает трудоемкость и сроки почвенного картирования и позволяет разгруппировать обследованные массивы по сложности мелиоративного освоения.
Ключевые слова. Почвенный покров, дистанционное зондирование, диапазон съемки, поглощение солнечной радиации агроэкосистемами
ANALYSIS OF ABSORPTION OF SOLAR RADIATION IN AGROCENOZE ON MATERIALS
OF COSMIC INFORMATION
L. V.Berezin, Omsk State Agrarian University Institutskaya Sq., 2, Omsk, 644008, Russia
Abstract
The value of shooting range for an assessment of a soil cover quality is studied on the basis of the graphic-analytical and statistical analysis of a range of the reflected solar radiation on multispectral space pictures of the grain crops. The results of calculations of solar radiation components absorption of a soil cover after their clustering in light reflection size prior to field works show that labor input and terms of soil mapping can be significantly reduced. Also the studied massifs were groupped according to their meliorative development complexity.
Keywords. Soil cover, remote sensing, shooting range
Введение. Новый этап почвенной науки XXI века характеризуется широким использованием материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в целях мониторинга плодородия земель сельскохозяйственного назначения, уточнения местоположения ареалов почв низкого плодородия, земель различной степени деградации, а также изучения динамики свойств почв в опытах по повышению плодородия почвы.
В этих целях все большей популярностью пользуются мультиспектральные оптико-электронных системы высокого и сверхвысокого разрешения. Они позволяют оперативно получать информацию о всех изменениях состояния земных объектов, упрощают и облегчают планирование различных работ, необходимых для жизнедеятельности человека с высокой точностью «привязки», на основе анализа поглощения солнечной радиации без нарушения экологически сбалансированной окружающей среды [2, 4].
В конце XX века практически все страны Мира использовали снимки космических аппаратов (КА) Landsat (США), имеющих разрешение на местности 30 м на пиксель. [1, 15-18]. Прорыв был сделан Индией. Благодаря запуску КА высокого разрешения IRS-1 (6 м/пикс.), а затем IRS-5 (Cartosat-1), запущенного в 2005 г., стала возможной разработка почвоведами всех стран цифровой модели рельефа (ЦМР). [2, 10, 12, 15]. Теоретической основой этого способа является одно из основных положений учения В.В. Докучаева о прямой связи почвенного покрова (I II I) с рельефом местности.
Однако, эта методика не применима в равнинных регионах, таких как Западная Сибирь России и ряд стран Европы и Африки. Рядом исследователей было рекомендовано в подобных случаях дополнять анализ связи ПП и рельефа анализом спектра отражения солнечной радиации биогеоценозами [10]. Почвоведами Омского агроуниверситета была установлена связь дефицита гумуса с изменением длинноволновой части спектра солнечной радиации и предложен способ расчета нормы внесения органических удобрений в целях восстановления их продуктивности по материалам космической информации [13].
Цель проведенных исследований - изучить на основе материалов космической съемки высокого разрешения характер отражения-поглощения солнечной радиации агроэкоценозами в качестве научно-обоснованной базы состояния и использования экосистем в различных ландшафтных условиях и в первую очередь как при сельскохозяйственном использовании, так и в залежном состоянии.
Объекты м методы исследования.. Объектами исследований последних лет с помощью мультиспектральных снимков германского аппарата RapidEye высокого разрешения (5 м) были посевы зерновых культур в степной и лесостепной зонах Юга Западносибирской равнины на солонцово-черноземных почвенных комплексах вдоль долины бывшей реки Камышловки, а также залежные массивы, расположенные на почвах черноземно-солон-цового комплекса Западной Барабы по Правобережью Иртыша.
48
В работе использовался программный комплекс ENVI, обеспечивающий кластеризацию усредненных показателей светоотражения выделенного массива по модулю K-Means. По этим данным метод позволяет косвенно охарактеризовать уровень плодородия почвы и продуктивность биогеоценоза [5].
Данная методика принципиально отличается от стандартной методики почвенного картирования на основе дешифрирования материалов аэрофотосъемки [и даже от более современной методики оценки почвенного покрова после создания цифровой модели рельефа [10, 12].
Стандартная методика применяется на полях лишенных растительного покрова, а оценка полей с растительностью на основе цифровой модели рельефа позволяет прогнозировать изменение состава почв по элементам макро- и мезорельефа, исходя из ранее установленных общих закономерностей связи почв и рельефа. При этом трудно ожидать объективной оценки состояния изучаемых экосистем, каждая из которых имеет свои характерные особенности и несопоставимый состав компонентов экосистем.
Результаты исследования и их обсуждение. Известно, что в конце XX века многие ведущие страны Мира стали сокращать площади посева большинства продовольственных культур. В России после 1990 г. площадь пашни сократилась на 40 млн. га - больше, чем было освоено в восточных регионах России и СССР за три этапа широкого освоения новых земель в XX веке [6].
В последние годы принимаются определенные меры по восстановлению в пашне ранее используемых массивов. Однако упразднение в России в конце XX в. почвенной службы привело к тому, что хозяйства не имеют качественных почвенных карт, соответствующих реальному состоянию ПП. Для обеспечения землепользователей оперативной информацией о состоянии земельного фонда в этих условиях оптимальный путь -использование материалов ДЗЗ.
В отличие от аэрофотоснимков, современные мультиспектральные снимки космических аппаратов, создаются одновременной работой нескольких съемочных камер, каждая из которых показывает состояние земных объектов в определенном диапазоне солнечного спектра [9]. Благодаря комбинации снимков, изучаемых объектов в разных диапазонах спектра и цветовых каналах компьютеров, можно получить до 1500 вариантов изображения изучаемых объектов. Задачей почвоведов является обоснование оптимального и статистически значимого варианта синтезирования, и при этом оценить информативность каждого из диапазонов съемки.
Примером информации о специфических особенностях почвенного покрова полей севооборота, которые достаточно полно выявляются за счет различной комбинации снимков разного диапазона космической съемки, являются результаты съемки КА Landsat-7 полей опытного хозяйства Сиб-НИИСХ [4]. Солонцеватость почв наиболее четко проявилась при синтезировании спектра отражения
солнечной радиации в системе RGB по типу R50G40B10 и практически не обнаруживается при синтезировании спектра по варианту сочетания диапазонов съемки R30G10B70. Но снижение контрастности ПП на последнем варианте компенсируется более четким выделением полей севооборота и, соответственно, информацией о возделываемых полевых культурах.
Детальное изучение роли диапазонов съемки агроценозов южной лесостепи при последовательном изменении соотношения доли длинноволновой (красной и инфракрасной) и коротковолновой части (синей и зеленой) солнечной радиации проводилось в 25 вариантах синтезирования космических снимков КА RapidEye (при разрешении 5 м/пикс.) [3].
Оказалось, что отрытая поверхность почвы в агроценозах в период парования отражает ничтожную часть поступающей на Землю солнечной радиации и поглощая 80-90 % энергии и коротковолновой, и длинноволновой радиации. Это создает в паровом поле тот запас энергии, который в последующие годы обеспечивает высокую продуктивность возделываемых культур.
На космических снимках посевов зерновых культур при анализе в Blue-канале невозможно обнаружить закономерных различий между поглощением солнечной радиации компонентами почвенного покрова, тогда как в Red-канале в вариантах синтезирования с повышенной долей информации снимка в видимых коротковолновых диапазонах съемки, четко проявляется ее значительное поглощение черноземной почвой и высокое отражение на пятнах солонцов.
Но обратная картина обнаруживается на полях зерновых культур при синтезировании космической информации c повышенной долей информации в инфракрасном (пятом) диапазоне. Посев пшеницы на черноземе отражает более 50 % поступившей на землю солнечной радиации, а изреженные слабые посевы на пятнах солонцов около 25 % - в три раза меньше, чем при съемке в видимой части спектра.
Особое значение роль диапазона съемки имеет при использовании космической информации в целях оценки качества почвенного покрова земель, временно выведенных из полевого использования в «залежное» состояние в целях определения целесообразности их повторного освоения, либо сохранения в состоянии естественных кормовых угодий. Экспериментальные исследования проводились в одном из хозяйств (ООО «Нива») Горьковского района Омской области расположенного по Правобережью Иртыша [7].
Имея 6000 га пашни, руководство хозяйства наметило дополнительно освоить 3000 га залежных массивов. По рекомендации почвоведов Омского аграрного университета оно в первую очередь приобрело мультиспектральный снимок КА RapidEye (2013 г., июнь) высокого разрешения.
В подготовительный период еще до выхода в поле, в ходе углубленного анализа космических
снимков методом кластеризации усредненных показателей светоотражения основных компонентов ПП по модулю К-теш, были выделены на каждом из бывших полей ареалы формирующихся естественных биогеоценозов.
По результатам маршрутного почвенного обследования всех залежных земель было признано
целесообразным проведение повторного освоения лишь их третья часть. Детальному анализу были подвергнуты материалы лишь по 6 массивам, на которых хозяйство после освоения своими силами, при минимальных затратах может рентабельно возделывать зерновые культуры (рис. 1).
Рис. 1 - Изображения залежных массивов на синтезированном мультиспектральном снимке Правобережья Иртыша севернее г. Омска после кластеризации (№ 1...6 - порядковые номера обследованных участков).
Сопоставление этих земельных массивов по составу компонентов экосистем показало их резкие различия между собой, хотя они расположены в равных ландшафтных условиях на высоте 117-125 м над уровнем моря. При этом массивы №№ 1, 4 и 6 отличаются крайне высокой сложностью структуры ПП, которая практически исключает возможность использования современной широкозахватной сельскохозяйственной техники.
Массивы 2 и 5 характеризуются относительной однородностью ПП по величине поглощения солнечной радиации, хотя между собой существенно различаются по свойствам почвы и составу формирующегося растительного покрова. Наиболее типичным является массив №2 3, на котором специалист хозяйства, используя полученный снимок, легко выделит три экосистемы (рис 2).
Рис. 2- Сопоставление фотографии залежного массива № 3 (А), космического снимка (В), результатов кластеризации компонентов экосистемы (С). и расчет полиномиального тренда 2 степени (ф). Цифрами обозначены номера почвенных выборок.
Хотя данный массив отличается практически что достаточно полно подтверждается космиче-однородным почвенно-растительным покровом, ским снимком, он, как и фотография участка, не
дает ключа для оценки плодородия почвы. Лишь после кластеризации снимка на нем выявились различные компоненты экосистемы, которые после полевого уточнения признаков почвы показали, что массив в основном занят солонцами мелкими (серый тон), но местами встречаются пятна солонца коркового (светлые участки). В центре данного массива есть участок черноземной почвы (светло желтый цвет), остальная часть занята солонцами (синий и голубой цвет). В черно-белом варианте печати они различаются оттенками серого цвета.
Усложненный компьютерный анализ данного залежного массива показал, что в диапазоне видимой части спектра (диапазоны от синего (0,40-0,45), до красного - (55-0,65 мкм) показатель интегрального светоотражения составлял около 80 условных единиц, т.е. поглощение солнечной радиации составило 20-33 % от максимально возможного в данных условиях.
Полученные результаты свидетельствует, что в залежном состоянии не только черноземные, но даже солонцовые биогеоценозы могут поглощать две трети солнечной радиации. Очевидно, этот весьма редко учитываемый фактор способствует восстановлению плодородия массивов после их временного выведения из интенсивного сельскохозяйственного использования.
В итоге выполненных исследований по анализу материалов ДЗЗ залежных массивов на территории изучаемого землепользования было оценено их состояние и обоснован план очередности повторной распашки каждого поля для эффективного возделывания зерновых культур.
При этом агротехнология повторного освоения залежных массивов на почвах черноземно-солон-цового комплекса Западной Сибири базируется на
использовании новой технологии мелиоративной обработки, разработанной в Омском агроуниверси-тете [8,14]. Ее особенность в том, что сохранение частично восстановленного плодородия в период залежного состояния обеспечивается применением глубокого безотвального рыхления до 28-35 см и биологической активизации солонцовой части обработанного почвенного профиля заделкой в него измельченной дисками части поверхностного за-дерненного горизонта, играющего роль сидерата и катализатора микробиологической активности [4, 18]. Технология обеспечивается использованием нового комбинированного рыхлителя РН-4, которое с 2009 г. вошло в список - «100 лучших товаров России», а на тех участках, где необходимо дополнительное внесение гипса или иных мелиорантов, либо минеральных удобрений, модернизированного варианта этого орудия [19].
Заключение
В результате исследований установлено, что дешифрирование материалов дистанционного зондирования Земли космическими аппаратами высокого разрешения (менее 5 м на пиксель) позволяет определить специфичность поглощения солнечной радиации агроценозов на почвах различного уровня плодородия. Использование материалов ДЗЗ до начала полевых работ позволяет резко сократить затраты на почвенное картографирование и после корректировки почвенного плана составить проект очередности освоения массивов по степени сложности и трудоемкости мелиоративных работ с применением новейшей сельскохозяйственной техники
