CC BY
6
4.1.6. - Лесоведение, лесоводство, лесные культуры, агролесомелиорация, озеленение, лесная пирология и таксация (сельскохозяйственные науки)
УДК 631 DOI: 10.34736/FNC.2023.121.2.009.51-56
Оценка современной структуры и характеристик сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области с применением ГИС-технологий
Штефан Матвеев™, e-mail: matveev-sh@vfanc.ru, ORCID: 0000-0001-8873-2799 Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук (ФНЦ агроэкологии РАН), e-mail: info@vfanc.ru, 400062, Университетский проспект, 97, Волгоград, Россия
Аннотация. Изменение структуры и характеристик земель сельскохозяйственного назначения в процессе производства продукции может привести к потере плодородия и, как следствие, к прекращению их использования. В связи с этим определение их современного состояния актуально для планирования работ по восстановлению плодородия этих угодий. В исследовании использовался анализ данных дистанционного зондирования Земли (спутники Sentinel 2, Landsat-5) и анализ программного обеспечения ГИС (QGIS 3.28) для картографирования границ сельскохозяйственных угодий и анализа их текущего состояния, включая качество почвы, состояние растительности и количество осадков. Получены актуальные данные о пространственном размещении, состоянии и характеристиках сельскохозяйственных угодий, использовании изображений высокого разрешения и морфометрического анализа для расчета показателей их продуктивности, текущего состояния и рисков деградации. В результате работы анализировалось 1062 участка обрабатываемой пашни площадью 104,8 тыс. га и 18 участков залежей площадью 656,9 га. По полученным данным с помощью геоинформационного анализа на исследуемой территории наблюдается рациональное использование угодий для ведения сельского хозяйства. На участках, неподверженных водной эрозии, располагается более 98% пашен Цимлянского района Ростовской области. Преобладающими направлениями являются угодья, расположенные на южной (46,1%), юго-западной (25,5%) и юго-восточной (16,9%) экспозицией склонов. Использование ГИС-технологий в данных исследованиях необходимо для разработки устойчивых методов ведения сельского хозяйства.
Ключевые слова: картография, геоинформатика, мониторинг, космоснимки, агроландшафт.
Финансирование. Работа выполнена в рамках государственного задания ФНЦ агроэкологии РАН НИР № 122020100406-6 «Теоретические основы и математико-картографические модели функционирования агролесомелиоративных систем в защите почв от дефляции».
Цитирование. Матвеев Ш. Оценка современной структуры и характеристик сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области с применением ГИС-технологий // Научно-агрономический журнал. 2023. 2(121). С. 51-56. DOI: 10.34736/FNC.2023.121.2.009.51-56
Поступила в редакцию: 03.04.2023 Принята к печати: 17.05.2023
Введение. В настоящее время ГИС-технологии являются одним из самых перспективных средств для выявления структуры и характеристик сельскохозяйственных угодий в существующих условиях региона исследований, а также их геоморфологических и морфометрических характеристик. Актуальность работы обусловлена отсутствием обобщенных данных как по использованию сельскохозяйственных угодий на территории исследований, так и по их состоянию. Работа с использованием ГИС-технологий для определения характеристик сельскохозяйственных угодий включает в себя ряд этапов, важнейшим из которых является векторизация их границ, а также последующего вычислении показателей их продуктивности, современного состояния, оценивании рисков деградации [1; 6; 8; 10].
Цель работы - получение современных данных о пространственном размещении, состоянии и характеристиках сельхозугодий при их оценке с использованием ГИС-технологий. Для проведения
ю у
-С I
о
-1
тз
0
1
о
исследований были поставлены следующие зада- й
чи: проведение геоинформационного картографи- жУ
рования сельскохозяйственных угодий; анализ их а
характеристик на территории Цимлянского райо- ^
на Ростовской области с использованием сравне- -1
ния актуальных и архивных данных дистанцион- )
ного зондирования Земли (ДЗЗ). 0
Материалы и методы. Объект исследования =
- сельскохозяйственные угодья Цимлянского рай- с
она Ростовской области. Площадь района состав- п
ляет 255,3 тыс. га. Большую часть территории С
(64,9 тыс. га) здесь занимает Цимлянское водохра- >
нилище. На территории района расположен Госу- о
дарственный природный заказник «Цимлянский» ^
площадью 45 тыс. га, который является частью До- ^
но-Цимлянских песков. Г
Для оценки структуры и характеристик сельско- Е
хозяйственных угодий и их картографирования на 1
территории Цимлянского района использована )
методика геоинформационного анализа изображе- 0
ний, полученных в результате космической съемки 3
™ - Для контактов / Corresponding author
территории исследований [7; 9]. Были использованы снимки высокого пространственного разрешения (10 м и 30 м) со спутников Sentinel-2 за 2021 год и Landsat-5 1986 года соответственно. Дешифрирование границ сельскохозяйственных угодий проводилось методом визуальной интерпретации цветосинтезированного изображения снимка спутника Sentinel-2 с использованием комбинации каналов №2, №3, №4 (RGB), спутника Landsat-5 с комбинацией каналов №1, №2, №3 (RGB) в базовом масштабе 1:1 000 [2; 3; 5]. Использованные тайлы и даты снимков спутника Sentinel 2 на территорию Цимлянского района: T37UGP_ 20210917, T37TFN_20210917, T37UGN_20210914. Космосни-мок спутника Landsat-5 - тайл 173027_1986/08/04. Геоинформационная обработка каналов для получения цветосинтезированного изображения, векторизация границ сельскохозяйственных угодий, а также анализ их современного состояния проводился с использованием программного комплекса QGIS 3.28. В результате разрабатывались аналитические картографические слои пространственного размещения, состояния и геоморфологических (по данным цифровой модели местности SRTM 1) и морфометрических характеристик сельскохо-
зяйственных угодий.
Результаты и их обсуждение. В результате дешифрирования было определено 1 080 объектов, для которых при помощи инструмента «добавить векторный объект» программного комплекса QGIS 3.28 построены полигоны сельскохозяйственных угодий, суммарная площадь которых составила 105491 га. (рис.1). Площадь таких угодий составляет 41% от общей площади Цимлянского района. Проведено сравнение площади векторных полигонов сельскохозяйственных угодий, разработанных на основе спутниковых снимков Sentinel-2 с площадью по данным Федеральной службы государственной статистики за 2021 год. Площадь векторных полигонов составила 105,5 тыс. га, а по официальным данным - 74,5 тыс. га (База данных показателей муниципальных образований. Федеральная служба государственной статистики. URL: https://www.gks.ru/dbscripts/munst/munst60/ DBInet.cgi (дата обращения: 27.04.23). Разница составляет 31 тыс. га.
В результате исследований территории Цимлянского района на 2021 год установлено 1062 участка обрабатываемой пашни площадью 104,8 тыс. га и 18 участков залежей площадью 656,9 га.
Для определения значений суммарного годового количества осадков на территорию Цимлянского района на каждый картографируемый объект по данным метеостанций за 2021 год была проведена интерполяция точечных значений величины осадков методом ОВР [4]. Результат интерполяции представлен на рисунке 2. Полученная карта дает возможность оценить дифференциацию метеорологических условий по осадкам на территории исследований.
Почвенные условия на территории исследований определялись на основе векторной почвенной
карты Ростовской области М: 1:2500000, на основе которой были созданы атрибуты почв к базовому геоинформационному картографическому слою сельскохозяйственных угодий (Единый государственный реестр почвенных ресурсов России. иЯЬ https://egrpr.esoil.ru/content/1sem.html (дата обращения 27.04.23). На территории исследований преобладают почвы чернозёмов солонцеватых и черноземов южных. В пойме Дона на выделенных сельхоз угодьях присутствуют пойменные слабокислые и нейтральные почвы (рис.3).
.с
Рисунок 2. Карта суммарных годовых осадков на сельскохозяйственных полях Цимлянского района -
а
Ростовской области по данным метеостанций за 2021 год р
Рисунок 3. Карта распределения почв на выделенных сельскохозяйственных угодиях 0
Цимлянского района Ростовской области 3
Рисунок 4. Карта-схема крутизны (а) и экспозиции склонов (б) сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области
Таблица 1. Распределение сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области по крутизне
Крутизна средняя, ° 0-0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 2,5-3,0 3,0-4,0 > 4
Количество полей 16 686 298 52 13 5 4 6
Площадь пашни, га 1758,8 76176,9 23555 2121,9 797 559 277,2 244,8
со гм о гм % 1,5 63,5 27,6 4,8 1,2 0,5 0,4 0,6
гм гм Таблица 2. Распределение сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области по экспозиции
га с о Экспозиция, румб В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ
>. Е о Количество 39 183 498 275 79 6
с о го С Площадь пашни, га 3270,3 16182,5 58862,3 22792,9 4237,6 145,0
о "с % 3,6 16,9 46,1 25,5 7,3 0,6
о
ш и
со гм о гм
и
га 1
Для проведения геоморфологического и мор-фометрического анализа сельскохозяйственных угодий использовался геоинформационный программный комплекс QGIS 3.28. Необходимые показатели рассчитывались на основе цифровой модели местности (ЦММ) SRTM 1 с пространственным разрешением 1». Для каждого контура вычислены средняя крутизна и экспозиция склонов и составлены соответствующие карты (рисунок 4).
По полученным морфометрическим данным были составлены таблицы распределений сельскохозяйственных угодий Цимлянского района по средней крутизне и экспозиции склонов (табл.1-2). Геоинформационный анализ средней крутизны
склонов демонстрирует, что большинство сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области не подвержены эрозионным процессам, их средняя крутизна в пределах границ каждого поля, в большинстве случаев не превышает 2°. Большинство выделенных сельскохозяйственных угодий имеют среднюю крутизну склонов от 0,5° до 1° (63,5%). Наименьшее количество угодий приходится на среднюю крутизну склонов от 3° до 4° (0,4%).
Геоинформационный анализ средней экспозиции склонов демонстрирует неравномерное распределение сельскохозяйственных угодий. Сельскохозяйственные угодья с северной и север-
но-восточной экспозицией отсутствуют в данном районе. Преобладают угодья с южной (46,1%) юго-западной (25,5%) и юго-восточной (16,9%) экспозицией склонов.
Заключение. Таким образом, оценка современной структуры и характеристик сельскохозяйственных угодий, проведенная с использованием геоинформационного картографирования и анализа данных ДЗЗ, а также геоморфологический и морфометрический анализ сельскохозяйственных угодий Цимлянского района Ростовской области позволяют сделать вывод о том, что для производства сельскохозяйственной продукции используется 99,4% существующих полей, что свидетельствует о благоприятных условиях функционирования агроландшафтов. Геоморфологические условия обуславливают незначительную эрозионную деградацию, что способствуют сохранению плодородия почв. Однако недостаточно развитая система противоэрозионных насаждений обусловила наличие участков, подверженных водной эрозии. На территории района создана система полезащитных лесных насаждений, которые в настоящее время имеют хороший уровень сохранности, однако их размещение не полностью соответствует агролесомелиоративным нормам, что может привести к развитию дефляции. Применение агролесомелиоративных технологий сохранения плодородия почв даст возможность совершенствовать и развивать сельскохозяйственные технологии для увеличения продуктивности сельскохозяйственных угодий на территории. ГИС-технологии позволяют проводить детальный анализ и мониторинг состояния сельскохозяйственных угодий, что способствует эффективной оценке возможности развития сельского хозяйства в Цимлянском районе.
Литература:
1. Берденгалиева А.Н., Берденгалиев Р.Н. Связь сезонной динамики озимой пшеницы и рельефа в подзоне южных черноземов Волгоградской области // Научно-
агрономический журнал. 2022. №3 (118). С. 49-56. DOI: 10.34736/FNC.2022.118.3.007.49-56
2. Васильченко А.А. Пространственный анализ инфраструктуры орошаемых полей Волго-Ахтубинской поймы на территории Волгоградской области // Научно-агрономический журнал. 2022. № 4(119). С. 12-18. DOI 10.34736/FNC.2022.119.4.002.12-18.
3. Матвеев Ш. Геоинформационное картографирование современного состояния сельскохозяйственных территорий Новоаннинского района Волгоградской области // Природные системы и ресурсы. 2022. Т. 12, № 2. С. 36-42. DOI 10.15688/nsr.jvolsu.2022.2.5. - EDN QYKLKB.
4. Матвеев Ш. Оценка точности глобальных климатических данных температур воздуха Cru TS на территории Ростовской области // Грани познания. 2022. № 3(80). С. 88-92. EDN KMSTMO.
5. Мелихова А.В. Морфометрический анализ агролан-дшафтов переходной зоны южных черноземов и темно-каштановых почв Волгоградской области // Природные системы и ресурсы. 2022. Т. 12, № 4. С. 26-33. DOI 10.15688/nsr.jvolsu.2022.4.3. EDN MZPTYL.
6. Рулев А.С., Шинкаренко С.С., Бодрова Н.В., Сидорова Н.В. Геоинформационные технологии в обеспечении точного земледелия // Известия Нижневолжского агро-университетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2018. № 4(52). С. 115-122. DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-15
7. Юферев В. Г., Кулик К.Н., Рулев А.С., Мушаева К.Б., Кошелев А.В., Дорохина З.П. Геоинформационные технологии в агролесомелиорации. - Волгоград. ВНИАЛМИ. 2010. 102 с.
8. Юферев, В. Г., Беляев А.И., Синельникова К.П. Опустынивание земель сельскохозяйственного назначения в Черноземельском районе Калмыкии // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2022. № 4(68). С. 465-473. DOI 10.32786/2071-9485-2022-04-55. EDN LAEWWU
9. Loupian E., Burtsev M., Proshin A. et al. Usage experience and capabilities of the vega-science system. Remote Sensing. 2022. Vol. 14. No 1. DOI 10.3390/rs14010077
10. Yuferev V.G., Pleskachev Y.N., Vdovenko A.V. et al. Degradation of landscapes in the south of the Privolzhsky Upland. Journal of Forest Science. 2019. Vol. 65. No. 5. рр. 195-202. DOI: 10.17221/141/2018-JFS. - EDN FJSSHY
I
ю
N у
T3 I ffl л
DOI: 10.34736/FNC.2023.121.2.009.51-56
Assessment of the Contemporary Structure and Characteristics of Agricultural Land in the Tsimlyansk District of the Rostov Region
Using Gis Technologies
Shtefan Matveev™, e-mail: matveev-sh@vfanc.ru, ORCID: 0000-0001-8873-2799 Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences»(FSC of agroecology RAS), info@vfanc.ru, 400062, prospect Universitetskij 97, Volgograd, Russia
M
0
M со
1 I
S i
> (Q
3 y
Abstract. Changing the structure and characteristics of agricultural land in the process of production can lead to a loss of fertility and, as a result, to the termination of their use. In this regard, the determination of
their current state is relevant for planning work to restore the fertility of these lands. The study used Earth remote sensing data analysis (Sentinel 2, Landsat-5 satellites) and GIS software analysis (QGIS
2
M О M со
3.28) to map the boundaries of agricultural land and analyze its current state, including soil quality, vegetation state and rainfall. Up-to-date data on the spatial distribution, condition and characteristics of agricultural lands, the use of high-resolution images and morphometric analysis to calculate indicators of their productivity, current state and degradation risks were obtained. As a result of the work, 1062 plots of cultivated arable land with an area of 104.8 thousand ha and 18 plots of fallow land with an area of 656.9 ha were analyzed. According to the data obtained with the help of geoinformation analysis, there is a rational use of land for agriculture in the study area. More than 98% of arable lands of the Tsimlyansky district of the Rostov region are located in areas not subject to water erosion. The prevailing directions are the lands located on the southern (46.1%), southwestern (25.5%) and southeastern (16.9%) exposure of the slopes.
Keywords: cartography, geoinformatics, satellite imagery, monitoring, agricultural landscape
Funding. The work was carried out within the framework of the state task of the FSC of Agroecology RAS No. 122020100406-6 ''Theoretical foundations and mathematical and cartographic models of the agroforestry systems functioning in protecting soils from deflation''.
Citation. Matveev Sh. Assessment of the Contemporary Structure and Characteristics of Agricultural Land in the Tsimlyansk District of the Rostov Region Using GIS Technologies. Scientific Agronomy Journal. 2023. 2(121). pp. 51-56. DOI: 10.34736/FNC.2023.121.2.009.51-56
Received: 03.04.2023 Accepted: 17.05.2023
™ References:
™ 1. Berdengalieva A.N., Berdengaliyev R.N. Sviaz
cn sezonnoi dinamiki ozimoi pshenitsy i relefa v podzone
™ iuzhnykh chernozemov Volgogradskoi oblasti [Relationship
g between seasonal dynamics of winter wheat and relief in the subzone of southern chernozems of the Volgograd
| region]. Nauchno-agronomicheskii zhurnal [Scientific
o Agronomic Journal]. 2022; 3(118): 49-56. DOI: 10.34736/ |> FNC.2022.118.3.007.49-56
o 2. Vasilchenko A. A. Prostranstvennyi analiz infrastruktury
ii oroshaemykh polei Volgo-Akhtubinskoi poimy na territorii
o Volgogradskoi oblasti [Spatial analysis of the infrastructure
ii of irrigated fields of the Volga-Akhtuba floodplain in the
" territory of the Volgograd region]. Nauchno-agronomicheskii
<n zhurnal [Scientific Agronomic Journal]. 2022; 4(119): 12-^ 18. DOI 10.34736/FNC.2022.119.4.002.12-18
Ш T
s S о
X
о
Ci 1_ га
о х
т
>
га X
3. Matveev Sh. Geoinformatsionnoe kartografirovanie sovremennogo sostoianiia selskokhoziaistvennykh territorii Novoanninskogo raiona Volgogradskoi oblasti [Geoinformation mapping of the current state of agricultural territories of the Novoanninsky district of the Volgograd region]. Prirodnye sistemy i resursy [Natural systems and resources]. 2022; 2(12): 36-42. DOI 10.15688/nsr.jvolsu.2022.2.5.
EDN QYKLKB
4. Matveev Sh. Otsenka tochnosti globalnykh klima-ticheskikh dannykh temperatur vozdukha Cru TS na territorii Rostovskoi oblasti [Estimation of the accuracy of global climatic data of air temperatures Cru TS on the territory of the Rostov region]. Grani poznaniia [Facets of knowledge]. 2022; 3(80): 88-92. EDN KMSTMO
5. Melikhova A.V. Morfometricheskii analiz agro-landshaftovperekhodnoizony iuzhnykh chernozemovi temno-kashtanovykh pochv Volgogradskoi oblasti [Morphometric analysis of agrolandscapes of the transitional zone of southern chernozems and dark chestnut soils of the Volgograd region]. Prirodnye sistemy i resursy [Natural Systems and Resources] 2022; 4(12): 26-33.
DOI 10.15688/nsr.jvolsu.2022.4.3 EDN MZPTYL
6. Rulev A.S., Shinkarenko S.S., Bodrova V.N., Sidorova N.V. Geoinformatsionnye tekhnologii v obes-pechenii tochnogo zemledeliia [Geoinformation technologies in providing precision farming]. Izvestiia Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie [Proceedings of the Nizhnevolzhsky agro-university complex: Science and higher professional education]. 2018; 4(52): 115-122.
DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-15
7. Yuferev V.G., Kulik K.N., Rulev A.S., Mushaeva K.B., Koshelev A.V., Dorokhin Z.P., Berezovikova O.Yu. Geoinformatsionnye tekhnologii v agrolesomelioratsii [Geoinformation technologies in agroforestry]. Volgograd. VNIALMI [Volgograd. VNIALMI]. 2010: 102.
8. Yuferev V.G., Belyaev A.I., Sinelnikova K.P. Opustynivanie zemel selskokhoziaistvennogo naznacheniia v Chernozemelskom raione Kalmykii [Desertification of agricultural land in the Chernozemelsky region of Kalmykia]. Izvestiia Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vysshee professionalnoe obrazovanie [News of the Nizhnevolzhsky agro-university complex: Science and higher professional education]. 2022; 4(68): 465-473.
DOI 10.32786/2071-9485-2022-04-55 EDN LAEWWU
9. Loupian E., Burtsev M., Proshin A. et al. Usage experience and capabilities of the vega-science system. Remote Sensing. 2022; 1(14). DOI 10.3390/rs14010077
10. Yuferev V.G., Pleskachev Y.N., Vdovenko A.V. et al. Degradation of landscapes in the south of the Privolzhsky Upland. Journal of Forest Science. 2019; 5(65): 195-202. DOI: 10.17221/141/2018-JFS EDN FJSSHY
Авторский вклад. Автор настоящего исследования принимал непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования, ознакомился и одобрил представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. Author of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. Author of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. Author declare no conflict of interest.
