CC BY
7
УДК 528.7:551.43:631.459 DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.005.30-34
Пространственный анализ деградации агроландшафтов
Донской гряды
Ксения Павловна Синельникова™, м.н.с., [email protected], лаборатория геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов -
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук» (ФНЦ агроэкологии РАН), e-mail: [email protected], 400062, Университетский проспект, 97, Волгоград, Россия
В статье представлены результаты пространственного анализа деградации сельскохозяйственных угодий на территории тестового полигона «балка Осиновская». Полигон исследования расположен на территории Донской гряды в Волгоградской области в Суровикинском районе. Актуальность обусловлена интенсивным использованием земель на территории полигона в качестве сельскохозяйственных угодий, что привело к развитию деградации почв. Новизна исследования заключается в оптимизации пространственного анализа тестового полигона, который выполнялся в геоинформационных системах QGIS и ENVI, статистическая обработка данных проводилась в программе Microsoft Office Excel. Проведение геоинформационного картографирования и анализа с количественным определением площадей, подверженных деградации, проведено по данным наблюдений поверхности Земли наземными, авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры (ДЗЗ). Такой анализ проводится для выявления актуальных характеристик состояния агроландшафтов, что является основой для планирования сельскохозяйственных работ на выбранной территории. В процессе выполнения геоинформационной оценки были разработаны картографические слои: изолинейная карта высот, карта крутизны склонов, карта экспозиции склонов и схема деградации агроландшафта. В результате пространственного анализа тестового полигона было выявлено, что 69% от всей исследуемой территории приходится на уровень деградации «Риск», уровни «Норма» и «Кризис» занимают по 15%. Уровень деградации «Бедствие» занимает 1% от всей площади выбранных сельскохозяйственных угодий.
Ключевые слова: деградация, агроландшафт, Донская гряда, эрозия почв, космоснимки, ГИС-технологии.
Работа выполнена в рамках государственного задания ФНЦ агроэкологии РАН НИР № 0713-2019-0001.
Поступила в редакцию: 04.11.2021 Принята к печати: 16.12.2021
см о см
и
га X
Агроландшафт - это антропогенная, сложно организованная система земли, которая формируется под воздействием сельскохозяйственной деятельности человека [1]. В настоящее время процессы деградации оказывают влияние на изменение рельефа, потому что ветровая и водная эрозии ухудшают негативное воздействие на поверхностный слой почвы [10].
Волгоградская область является одной из главных областей по производству продукции сельского хозяйства. По данным Волгоградстата посевные площади сельскохозяйственных культур на 2020 год составляют 3090,9 тыс. га. [9].
Территория Донской гряды, в границах Волгоградской области, активно эксплуатируется под сельскохозяйственное производство [6], этим обусловлена актуальность исследования. А возможность получения данных со спутников обеспечивает проведение точного и своевременного анализа.
Цель работы - выявить геоморфологические характеристики и установить уровни деградации агроландшафтов на тестовом полигоне «балка Осиновская» для информационного и картографического обеспечения адаптивно-ландшафтного обустройства данной территории и точного земледелия. Задачами исследования являлись: разработка специальных карт для выбранного участка и их анализ.
^ - Для контактов / Corresponding author
Материалы и методы. Пространственный анализ территории проводился с помощью геоинформационных программ на основе методических разработок, описанных в работах Юферева В.Г., Кулика К.Н., Рулева А.С., Самохваловой Е.В., Зудилина С.Н., Лавренникова О.А. [4, 5, 7, 8, 12, 13,14].
Оценка проводилась в среде географической информационной системы QGIS по данным дистанционного зондирования, полученным спутником Sentinel-2, и на основе цифровой модели поверхности Земли SRTM3 с разрешением 3 секунды (сайт: https://earthexplorer.usgs.gov/). На основе космоснимков спутника Sentinel-2 (сайт: https:// earthexplorer.usgs.gov/), разрабатываются специализированные карты крупного масштаба, представленные в виде картографического слоя в геоинформационной системе. Такие карты позволяют выделить на территории исследований главные объекты для подробного анализа их геоморфологических характеристик.
В геоинформационной программе QGIS создаются векторные слои с описанием параметров объектов исследования, где выделяется граница анализируемого участка и используемые сельскохозяйственные угодья. Для определения деградации агроландшафта на тестовом полигоне использовалась градация из четырех уровней: «Норма», «Риск», «Кризис», «Бедствие» [3]. Степень смыва
устанавливалась по тону изображения на космо-снимке обрабатываемых полей с открытой поверхностью не занятой растительностью (зависимость величины тона от степени смыва приведена в работе [2]).
По методике Т.А. Широковой, А.Ю. Чермошенце-ва, А.Т. Бармитовой [11] была вычислена точность выполненных работ в лаборатории (дешифрирование космоснимков), которая составила половину размера пикселя - 5 м.
Для геоморфологического анализа был выбран тестовый полигон «балка Осиновская», которая является частью водосбора реки Чира. Исследуемая территория расположена между 48°30' и 48°39' С.Ш. и 43°00' и 43°09 В.Д. в Суровикинском районе Волгоградской области. Общая площадь балки 6446,2 га. На рисунке 1 представлена космокарта на которой отмечена граница тестового полигона.
Рисунок 1 - Космокарта тестового полигона «балка Осиновская»
Результаты и обсуждение. Для тестового полигона «балка Осиновская» была разработана изо-линейная карта распределения диапазонов высот рельефа (рисунок 2). Интервал высот с шагом 12 м позволяет определить условия функционирование агроландшафтов. Проведенный анализ карты показал, что 3377,5га (57%) занимают площади с высотами от 92 м до 127 м. Высоты выше 127 м за-
нимают 1097,4га (17%) от площади исследуемого полигона. Площади с высотами меньше 92 м занимают 1971,3 га или 31% от площади анализируемой территории.
Рисунок 2 - Выделение высот тестового полигона «балка Осиновая»
В ходе выполнения пространственного анализа распределения крутизны склонов (рисунок 3) было выявлено, что 2677,4га (42%) от всей исследуемой территории балка имеет крутизну меньше 1°. Крутизна склонов от 1° до 2,1° занимает 2136,2 га (33%) от площади балки. Поверхности с крутизной в диапазонах от 2,1° до 3,1° и от 3,1° до 5,2° занимают 745,0 га (12%) и 609,4 га (11%) соответственно. И всего 151,2 га (2%) и 115,0 га (0,3%) от всей территории занимают склоны с крутизной вдиапазоне от 5,1° до 6,3° и больше 6,3° соответственно.
На рисунке 4 показана изолинейная карта экспозиции склонов тестового полигона. Анализ кар- у ты показал, что 3307,1 га (51%) от всей площади О занимают склоны южной экспозиции, 1714,5 га г (27%) - склоны северной экспозиции. Склоны вос- ° точной и западной экспозиции занимают 591,8 га | (9%) и 832,8 га (13%) от всей территории соответ- £ ственно. и
Для проведения пространственного анализа ^ деградации агроландшафов Донской гряды на Н полигоне «балки Осиновская» были выбраны об- л работанные участки пашни. При выполнении ана- ( лиза уровня деградации (рисунок 5) почв было 5 выявлено, что 374,8 га (69%) находятся на уровне 0 «Риск». По 82,0 га (15%) приходятся на уровни дег- 1
радации «Норма» и «Кризис». И всего 4,2 га (1%) приходится на уровень «Бедствие».
43"0.0U0'B 43«3.ttllO'B 43°<|.<IU0'B
Рисунок 3 - Карта крутизны склонов тестового полигона «балка Осиновая»
4.VO.IMTB IWOO'K À i (i lHI K
? Рисунок 4 - Карта экспозиции склонов тестового поли-^ гона «балка Осиновская»
Дешифрирование тестового полигона «балка Осиновская» показало, что 49% от всей территории занимают обрабатываемые сельскохозяйственные угодья.
Выводы. Изучение рельефа тестового полигона «балка Осиновская» показало, что территория пригодна для сельскохозяйственной деятельности с учетом геоморфологических характеристик полигона. Рельеф является субгоризонтальным, основной уровень высот находится в диапазоне от 97 м до 127 м. Крутизна склонов с углами до 2,1° занимает 65% от всей исследуемой территории, что свидетельствует о необходимости проведения агролесомелиоративных мероприятий по предотвращению эрозионных процессов с учетом пространственного распределения крутизны склонов. Тестовый полигон имеет преимущественно южную экспозицию склонов (51%), что предполагает более интенсивное таяние снега на них, что требует разработки дополнительных мероприятий по предотвращению возможного стока. Пространственный анализ деградации агроландшафтов Донской гряды на тестовом полигоне «балка Осинов-ская» показал, что деградация сельхозугодий на площади 374,8 га соответствуют уровню «Риск».
Литература
1. Абдулаев С.И., Мукумова Х.И. Особенности и функции агроландшафта // LIFE SCIENCES AND AGRICULTURE Учредители: Издательство «Re-Health», Ташкентский государственный аграрный университет eISSN: 2181-0761. - 2020. - № 2-3(7). - С. 1-4.
2. Виноградов Б. В. Аэрокосмический мониторинг экосистем. / Б. В. Виноградов. М.: Наука, 1984. 320 с.
3. Виноградова Б.В. Основы ландшафтной экологии. М., 1998. 418 с.
4. Геоинформационные технологии в агролесомелиорации [Текст] / В.Г. Юферев, К.Н. Кулик, А.С. Рулев, К.Б. Мушаева, А.В. Кошелев, З.П. Дорохина, О.Ю. Березовико-ва. - Волгоград. ВНИАЛМИ, 2010 - 102 с.
5. Кулик К. Н., Рулев А. С., Юферев В. Г. Дистанционно-картографическая оценка деградационных процессов в агроландшафтах юга России // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. Наука и высшее профессиональное образование. 2009. № 4. С. 12-25.
6. Литвинов Е. А., Кочкарь М. М, Воробьева О. М. Водосборная структура и оценка агроэкологического состояния территории Доно-Чирского междуречья // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. Наука и высшее профессиональное образование. 2014. № 4. С. 35-40.
7. Рулев А.С., Юферев В.Г., Юферев М.В. Компьютерное моделирование агролесоландшафтов в геоинформационной среде // Математическое моделирование в экологии: матер. Второй Национальной конф. с международным участием, 23- 27 мая 2011 г. Пущино: ИФХиБПП, РАН, 2011. С. 228-230.
8. Рулев А.С., Юферев В.Г. Геоинформационный анализ рельефа южной части Ергенинской возвышенности/А. С. Рулев, В. Г. Юферев // Известия Нижневолжского агро-университетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2017. - № 1 (45). - С. 41-47.
9. Территориальный орган Федеральнойслужбы государственной статистикипо Волгоградской областиURL:
Рисунок 5 - Карта деградации пашни тестового полигона «балка Осиновская»
https: //volgastat.gks.ru/storage/mediabank/RwG4p42 N / area_under_crops_vo_04032021.htm(датаобращения: 02.12.2021)
10. Тесленок К.С., Муштайкин А.П., Тесленок С.А. Изучение особенностей сельскохозяйственных угодий с использованием цифровых моделей рельефа // Интер-Карто. ИнтерГИС. 2020. Т. 26. № 3. С. 221-228.
11. Широкова Т.А., Чермошенцев А.Ю., Бармитова А.Т. Исследование точности визирования на точки космических снимков высокого и среднего разрешения / Т.А. Широкова, А.Ю. Чермошенцев, А.Т. Бармитова // Вестник Сибирской государственной геодезической академии. -2010. № 2 (13). - С. 31-36.
12. Bojie Fu, Liding Chen Agricultural landscape spatial
pattern analysis in the semi-arid hill area of the Loess Plateau, China, Journal of Arid Environments, Volume 44, Issue 3, 2000, Pages 291-303, ISSN 0140-1963.
13. Haile, B., Signorelli, S., Azzarri, C., & Guo, Z. (2019). A spatial analysis of land use and cover change and agricultural performance: Evidence from northern Ghana. Environment and Development Economics, 24(1), 67-86. doi:10.1017/ S1355770X18000323
14. Samokhvalova E. V., ZudilinS. N., and Lavrennikova O. A. Spatial analysis of Samara region land degradation and differentiation of antierosion territory organization // BIO Web of Conferences 27, 00142 (2020) URL: https:// doi.org/10.1051/bioconf/20202700142 (gaTao6pam,eHHH: 02.12.2021)
DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.005.30-34
Spatial Analysis of the Don Ridge Agricultural Landscapes Degradation
Kseniya P. Sinelnikova™, [email protected], ORCID: 0000-0003-0778-1762, junior researcher of the Laboratory of Geoinformation modeling and Mapping of agroforestry landscapes -Federal State Budget Scientific Institution «Federal Scientific Centre of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences» (FSC of Agroecology RAS), e-mail: [email protected], 400062, Universitetskiy Prospekt, 97, Volgograd, Russia
The article presents the results of the agricultural land degradation spatial analysis on the test site «Osinovskaya Balka» territory. The research site is located on the territory of the Don Ridge in the Surovikinsky district, Volgograd region. The relevance is due to the intensive use of land on the test site territory as agricultural land, which led to the development of soil degradation. Geoinformation
mapping and analysis with quantitative determination of areas under degradation carried out based on observations of the Earth's surface by ground, aviation and space facilities equipped with various types of survey equipment (remote sensing). Such an analysis is carried out to identify the actual characteristics of the agricultural landscapes state, which is the basis for planning agricultural work on the selected
territory. Spatial analysis of the test site performed in the geographic information systems QGIS and ENVI, statistical processing of data carried out in the Microsoft Office Excel software. During the implementation of the geoinformation assessment, cartographic layers were developed: an isolinear elevation map, a slope steepness map, a slope exposition map and an agricultural landscape degradation scheme. As a result, it was revealed that the degradation of the selected agricultural landscapes at the test site «Osinovskaya
Received: 04.11.2021
Литература
1. Abdulayev S.I., Mukumova Kh.I. Osobennosti i funktsii agrolandshafta [Features and functions of the agricultural landscape]. Life Sciences and Agriculture. «Re-Health» Publ. house.elSSN: 2181-0761. 2020. № 2-3(7). pp. 1-4. (In Russian)
2. Vinogradov B. V. Aerokosmicheskij monitoring ekosistem [Aerospace monitoring of ecosystems]. Moscow: «Nauka» Publ. house. 1984. 320 p. (In Russian)
3. Vinogradova B.V. Osnovy landshaftnoy ecologii [Fundamentals of landscape ecology]. Moscow, 1998. 418 с. (In Russian)
4. Geoinformatsionnyye tekhnologii v agrolesomelioratsii [Geoinformation technologies in agroforestry]. V.G. Yuferev, K.N. Kulik, A.S. Rulev, K.B. Mushayeva, A.V. Koshelev, Z.P. Dorokhina, O.Yu. Berezovikova. Volgograd. VNIALMI Publ, house. 2010. 102 p. (In Russian)
5. Kulik K.N., Rulev A.S., Yuferev V.G. Distantsionno-kartograficheskaya otsenka degradatsionnykh protsessov v agrolandshaftakh yuga Rossii [Remote cartographic assessment of degradation processes in agricultural landscapes of the south of Russia]. Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vyssheye professional'noye obrazovaniye [Proceedings of the Lower-Volga agrouniversity complex: Science and higher professional education]. 2009. № 4. pp. 12-25. (In Russian)
6. Litvinov Ye.A., Kochkar' M.M, Vorob'yeva O.M. Vodosbornaya struktura i otsenka agroekologicheskogo sostoyaniya territorii Dono-Chirskogo mezhdurech'ya [Catchment structure and assessment of the Don-Chir interfluve territory agroecological condition] Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vyssheye professional'noye obrazovaniye [Proceedings of the Lower-Volga agrouniversity complex: Science and higher professional education]. 2014. № 4. pp. 35-40. (In Russian)
7. Rulev A.S., Yuferev V.G., Yuferev M.V. Komp'yuternoye modelirovaniye agrolesolandshaftov v geoinformatsionnoj srede [Computer modeling of agroforestry landscapes in geoinformation environment]. Matematicheskoye modelirovaniye v ekologii [Mathematical modeling in ecology]: materials of The Second National conf. with international participation. Pushchino. IPBPSS RAS Publ.
Balka» with an area of 374.8 hectares is at the «Risk» level, the «Norm» and «Crisis» levels occupy 82.0 hectares each. The level of degradation «Disaster» occupies 4.2 hectares (1% of the total area of chosen agricultural land).
Keywords: degradation, agricultural landscape, Don ridge, soil erosion, satellite images, GIS technologies
The work was carried out within the framework of the state task of research in the FSC of Agroecology RAS № 0713-2019-0009.
Accepted: 16.12.2021
house, 2011. pp. 228-230. (In Russian)
8. Rulev A.S., Yuferev V.G. Geoinformatsionnyj analiz rel'yefa yuzhnoj chasti Yergeninskoj vozvyshennosti [The southern part of the Ergeninskaya upland relief geoinformation analysis]. Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: Nauka i vyssheye professional'noye obrazovaniye [Proceedings of the LowerVolga agrouniversity complex: Science and higher professional education]. 2017. № 1 (45). pp. 41-47. (In Russian)
9. Territorial body of the Federal State Statistics Service for the Volgograd Region URL: https://volgastat.gks. ru/storage/mediabank/RwG4p42N/area_under_crops_ vo_04032021.htm (accessed: 02.12.2021)
10. Teslenok K.S., Mushtajkin A.P., Teslenok S.A. Izucheniye osobennostej sel'skokhozyajstvennykh ugodij s ispol'zovaniyem tsifrovykh modelej rel'yefa [Studying the features of agricultural lands using digital terrain models]. InterCarto.«InterGIS» Publ. house. 2020. T. 26. № 3. pp. 221228. (In Russian)
11. Shirokova T.A., Chermoshentsev A.Yu., Barmitova A.T. Issledovaniye tochnosti vizirovaniya na tochki kosmicheskikh snimkov vysokogo i srednego razresheniya [The sighting accuracy investigation on the satellite images points of high and medium resolution]. Vestnik Sibirskoj gosudarstvennoj geodezicheskoj akademii [Bulletin of the Siberian State Geodesic Academy]. 2010. № 2 (13). pp. 31-36. (In Russian)
12. Bojie Fu, Liding Chen Agricultural landscape spatial pattern analysis in the semi-arid hill area of the Loess Plateau, China, Journal of Arid Environments, Volume 44, Issue 3, 2000, Pages 291-303, ISSN 0140-1963.
13. Haile, B., Signorelli, S., Azzarri, C., & Guo, Z. (2019). A spatial analysis of land use and cover change and agricultural performance: Evidence from northern Ghana. Environment and Development Economics, 24(1), 67-86. doi:10.1017/ S1355770X18000323
14. Samokhvalova E. V., ZudilinS. N., and Lavrennikova O. A. Spatial analysis of Samara region land degradation and differentiation of antierosion territory organization // BIO Web of Conferences 27, 00142 (2020) URL: https://doi. org/10.1051/bioconf/20202700142 (accessed: 02.12.2021)
Цитирование. Синельникова К.П. Пространственный анализ деградации агроландшафтов Донской гряды// Научно-агрономический журнал. 2021. №4(115). С. 30-34. DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.005.30-34
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования, ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Sinelnikova K.P. Spatial Analysis of the Don Ridge Agricultural Landscapes Degradation. Scientific Agronomy Journal. 2021. 4(115). pp. 30-34. DOI: 10.34736/FNC.2021.115.4.005.30-34
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
