Выявить очаги опустынивания: исследование ученых ФНЦ агроэкологии РАН, Волгоград

Волгоградские учёные проводят многолетний мониторинг сельхозугодий в засушливых районах Европейской части России с целью выявления степени и динамики опустынивания

В условиях меняющегося климата, нерационального использования и повышенной антропогенной нагрузки на засушливых землях происходят активные деградационные процессы, которые порой приводят к необратимому изменению экосистем – к потере естественной биопродуктивности почвы и постепенному ее иссушению, утрате видового разнообразия растительности. Регулярное осуществление экспертами мониторинга помогает своевременно устанавливать проблемные очаги опустынивания, а затем разрабатывать и внедрять мероприятия по сохранению и восстановлению аридных зон.

Специалисты ФНЦ агроэкологии РАН (г. Волгоград) занимаются анализом цифровых пространственных данных, чтобы выяснить образование и текущее состояние (почвенные, термодинамические, геоморфологические характеристики) участков сельскохозяйственного предназначения, подверженных изменению в результате климатического и антропогенного влияния. Практика применения геоинформационной и дистанционно-картографической оценки, авторского метода прогноза опустынивания помогает достаточно точно и достоверно определить уровень, динамику и закономерности деградации земель в аридных экосистемах для того, чтобы предпринять эффективные природоохранные меры.

Валерий Григорьевич Юферев – доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов ФНЦ агроэкологии РАН – рассказал о проблеме деградации земель в засушливых районах страны, о том, как проходит мониторинг процессов опустынивания сельхозугодий, в частности, как по спутниковым данным и картографическим сведениям выявлены динамика и вектор опустынивания на Европейском юге нашей страны.

В настоящее время главные направления работы ученых лаборатории геоинформационного моделирования и картографирования агролесоландшафтов ФНЦ агроэкологии РАН по изучению состояния агроландшафтов в засушливых регионах страны связаны, по словам Валерия Юферева, «в первую очередь с выявлением основных закономерностей изменений состояния ландшафтов в засушливых регионах при изменении климатических условий и антропогенной нагрузки. Для оценки уровня деградации компонентов ландшафтов осуществляется мониторинг состояния соответствующих территорий с использованием результатов аэрокосмических исследований, пространственное геоинформационное моделирование с математическим описанием пространственно-временных изменений, на основании которых разрабатывается прогноз состояния аридных ландшафтов».

С этой целью в агролесомелиоративных исследованиях волгоградские специалисты осуществляют геоинформационную оценку для выявления экологического состояния очагов опустынивания или при изменении ландшафтов. Картографирование земель проводится по четырем уровням деградации, которая рассчитывается от зональной нормы (так как для полупустыни и степи нормы будут различны). Главная задача – определить пространственное распределение контуров с различным состоянием на изучаемой территории. Пространственные операции с геокодированными данными возможны лишь с использованием специализированных компьютерных программ, обеспечивающих сбор, хранение, обработку, анализ и вывод пространственной информации в виде тематических карт, то есть геоинформационных программ. 

Картографирование опустынивания (согласно конвенции ООН – это деградация земель засушливых территорий) проводится, по замечанию исследователя, «с целью определения ареалов распространения деградации земель, форм и степени его проявления, а также оценки последствий и необходимо для визуализации и обоснования основных направлений и выбора путей последующей реализации мер в генеральных схемах и проектах, ориентированных на нейтрализацию опустынивания».

Методика исследования деградации и опустынивания ландшафтов ученых ФНЦ агроэкологии РАН основана на оригинальных разработанных способах оценки состояния компонентов ландшафтов, на что выданы патенты RU № 2327107, № 2265839 (см. Фото ниже).

Как подробно пояснил Валерий Юферев, «особое значение для исследований имеют геоинформационные методы, обеспечивающие возможность выявления деградации и опустынивания в пространственно-временном аспекте, с учетом природных и антропогенных воздействий. Процессы деградации и опустынивания приурочены к физико-географическим условиям рассматриваемой территории. Изменения состояния ландшафтных объектов обусловлены сезонной сменой климатических условий, годовой цикличностью увлажнения, изменением среднегодовой и сезонной суммы температур, а также и антропогенным воздействием, связанным как с использованием естественных ресурсов, так и с трансформацией территории.

Геоинформационная оценка уровня деградации (в основе лежит 4-уровневая шкала деградации "норма, риск, кризис, и бедствие" Б.В. Виноградова) базируется на анализе изображения аэро- и космоснимков как актуальных, так и архивных, что дает возможность выявить изменения, например, площади открытых, лишенных растительности поверхностей, последующем картографировании изменений состояния рельефа, почв и растительности и сравнении полученных карт с полевыми эталонами.

Точность контуров определяется разрешением исходных снимков (размер пикселя на местности). Крупномасштабная съемка при помощи беспилотных аппаратов может иметь разрешение 1 см, спутниковые – от 30 см, в свободном доступе актуальные и архивные снимки разрешением 10 м. Очаги опустынивания имеют большие размеры, доходящие до десятков тыс. га, так что точность достаточно высокая. Точность местоположения определяется точностью геопозиционирования снимков, несколько различается для разных носителей и близка к разрешению снимка. В результате геостатистической обработки пространственных данных и их сравнения с полевыми данными GNSS (системы позиционирования) получаем значения доверительного интервала (разброса) по пространственному положению и площади контуров».

В этом случае математическое описание процессов деградации основано на геоинформационном анализе пространственно-временных изменений объектов исследований. «Регрессионный анализ динамических процессов изменения состояния ландшафтов обеспечивает разработку уравнений по адекватной математической функции с определенным уровнем доверительной вероятности и, соответственно, определение коэффициентов аппроксимации. Моделирование пространственного изменения площади деградированных и опустыненных участков осуществляется с использованием полученных уравнений, при этом разрабатывают геоинформационные картографические слои, отражающие прогноз состояния ландшафтов. Составление прогноза деградации ландшафтов основано на известных методах: пространственно-временного подобия, экологических рядов и др. Прогноз деградации сложных ландшафтных систем, имеющих пространственно распределенные характеристики, основан на изучении пространственно-временной статистики, выявлении закономерностей и установлении динамики изменений их компонентов», – сообщил исследователь.

Кроме того, осуществляется дистанционно-картографическая оценка деградационных процессов в агроландшафтах, которая представляет собой, как уточнил Валерий Юферев, «реализацию геоинформационных технологий для разработки геоинформационных картографических слоев процессов деградации земель с использованием данных дистанционного зондирования поверхности. Такие слои объединяют растровые, векторные и атрибутивные пространственные данные о деградированных участках в единый продукт».

Изображения региона исследований (вверху - волгоградского Заволжья и внизу - Астраханской области), разработанные по космоснимкам спутниковой системы Sentinel 2 (с 1 по 31 мая 2020 г.). Рисунки предоставил В. Юферев

Сегодня Республика Калмыкия, Астраханская и Волгоградская области считаются крупными центрами природного и антропогенного опустынивания земель сельскохозяйственного назначения. Какова на сегодняшний день степень опустынивания (деградированности) сельскохозяйственных угодий Европейской части России и где выявлен критический уровень?

«В 2020 г. в результате неблагоприятных гидротермических условий (атмосферная и почвенная засуха), обусловивших низкую продуктивность растительности на пастбищах, чрезмерных пастбищных нагрузок и нашествия саранчи в Северном Прикаспии к осени практически не осталось естественной растительности. В связи с этим сильные и устойчивые ветры восточного и юго-восточного направлений в период с 26 сентября по 2 октября и с 9 по 11 октября, достигавшие скорости более 20 м/с, привели к образованию пыльных бурь, интенсификации эоловых процессов и переносу песчано-пылевых масс.

На территории Республики Калмыкия общей площадью 7473100 га по данным на май 2021 года на уровне "бедствие" (проективное покрытие менее 10%) находилось 1271 тыс. га (9,4% площади республики), из них 870 тыс. га открытые, лишенные растительности поверхности. И только 17% площади земель можно отнести к уровню «норма».  Исследование очагов опустынивания на территории Астраханской области проводилось на площади около 3 млн. га (без учета территории поймы). Установлено, что  около 820 тыс. га этой площади (28%) относятся к уровням деградации «бедствие».

Анализ динамики опустынивания земель Астраханской области за 2002, 2007, 2010, 2014 - 2021 гг. на основе космоснимков спутников Landsat 5, 7, 8 и Sentinel 2 (2002, 2007, 2010, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018, 2019, 2020, 2021 гг.), с нормированным размером пикселя (для всех снимков – 100 м), яркости, контрастности и цветового баланса показал, что в 2021 году площади очагов опустынивания уменьшились до 821 тыс. га, что объясняется резким снижением количества коз и овец по официальным данным на сентябрь 2021 г. с 1425 тыс. голов в 2020 г. до 1255 тыс. голов в 2021 г, что связано с воздействием на пастбища пыльных бурь и уничтожением кормовой базы в сентябре - декабре 2020 года.

По Волгоградской области в 2021 году отмечен уровень "бедствие" на территории 321 тыс. га, в основном на территории Палласовского района, что составляет около 12% территории Волгоградского Заволжья (2,7) млн. га», – поделился детальной информацией Валерий Юферев.

Как правило, главными причинами опустынивания становятся увеличение антропогенной нагрузки (в основном пастбищной) при стабильно засушливых климатических условиях и климатическое опустынивание, особенно при неблагоприятном сочетании климатических факторов (отсутствие увлажнения, высокая температура). Негативную роль играют также ландшафтные условия молодой приморской равнины, связанные с преобладанием супесчаных почв и песков, близким залеганием солей, низким плодородием почв, и нерациональное природопользование (распашка песков).

Тенденции в современной динамике деградировании земель, по замечанию ученого, «также связаны с процессом фитоопустынивания – сокращением полезных пастбищных видов растительности (злаки, бобовые) и замене их рудеральными видами (ядовитыми – гармала, плохопоедаемыми – верблюжья колючка, практически непоедаемыми – полынь песчаная, солянки). Появление этих растений вытесняет пастбищные виды, снижает видовое обилие, обуславливая видовое опустынивание. С другой стороны, идет закрепление подвижных, барханных песков, что положительно сказывается на стабилизации площадей открытых поверхностей».

В этой связи, специалистами ФНЦ агроэкологии РАН была разработана модель прогноза опустынивания.

Что она собой представляет и как работает на практике, Валерий Юферев пояснил: «Локальная модель изменения площади опустынивания основана на логистической зависимости (распределение Гаусса), которая описывает переход от исходного состояния (норма) в иное состояние (бедствие) территории исследований, связанное с увеличением площадей очагов опустынивания. Модель разработана для Астраханской области для территории площадью около 3 млн. га, с исключением азональной территории Волго-Ахтубинской поймы. Модель представляет собой модель пространственно-временной аналогии, описывающую изменение площади очагов опустынивания во времени по данным предшествующих лет. Она предполагает неразрывность прогресса действующих факторов, обуславливающих процесс изменения площадей опустынивания. Здесь не предусмотрен учет экстремальных явлений, приводящих к катастрофическим изменениям на территории исследований. Результатом является прогноз того, что площадь опустынивания будет соответствовать модели при условии сохранения тренда изменения условий (факторов)».

В чем преимущество вашей разработки перед существующими? Как учтен региональный подход?

«Преимущество модели в том, что это единственная действующая модель с установленной степенью адекватности, определяющая площади очагов опустынивания в среднесрочной перспективе. База прогнозирования 2002 – 2010 год. После 2010 года математическая основа модели не изменялась. Начиная с 2015 года, модельная площадь очагов опустынивания вышла на плато, составляющее 1 млн. га. Далее по годам отмечены колебания значений относительно плато, связанные как с изменением антропогенной составляющей (численность овец и коз), так и с климатическими факторами (годовое увлажнение, засухи, пыльные бури).

Анализ динамики климатических условий показал тенденцию снижения как минимумов годовых осадков, так и средних осадков за период после 1995 г., что обуславливает вероятность увеличения площади деградированных ландшафтов. Рассматривая динамику максимальных температур, можно сказать, что для июля установлена средняя многолетняя температура 25,6 ^◦С. За период с 2010 года средняя температура составила 27,1 ^◦С. То есть фактическое увеличение на 1,5 ^◦С. При стандартном отклонении 1,3 ^◦С. Стандартная ошибка выборки 0,4 ^◦С», – указал ученый.

Валерий Юферев справедливо замечает, что «деградация и опустынивание земель относится к числу глобальных экологических проблем человечества. В последнем столетии бурное развитие промышленности и глобальное потепление климата вызывают загрязнение атмосферы, почвы и водоемов механическими, химическими и радионуклидными веществами, что ведет к аридизации территорий, а в дальнейшем их деградации, нарушению способности агросферы к саморегуляции и естественному восстановлению. Деградация почвы, т.е. ухудшение ее качества в результате воздействия антропогенных и природных факторов, приводящих к частичной потере почвой накопленных органических веществ, снижает способность почвы выполнять ресурсо- и средовосполняющие функции. Одним из проявлений деградации является опустынивание. Наиболее явными последствиями опустынивания являются деградация пастбищных угодий и падение производства продуктов питания. Вследствие чего возникла необходимость стратегического подхода как к восстановлению деградированных земель, так и к предотвращению процессов деградации в будущем на основе научного подхода к хозяйственному использованию и рационального потребления природных ресурсов.

Совокупность воздействия всех отрицательных факторов нерационального природопользования, землепользования наносит значительный ущерб аридным территориям России и способствует превращению аридных земель в малопригодные для нормального ведения хозяйства. Важнейшей и первоочередной задачей науки и практики в сложившихся условиях является восстановление плодородия почв, продуктивности и экологической стабильности бросовых, засоленных, подтопленных и периодически затопляемых земель, подвижных песков, создание экологически устойчивых, высокопродуктивных сельскохозяйственных биоценозов и оптимизированных по продуктивности мелиоративных насаждений на деградированных землях, с последующим вовлечением их в сельскохозяйственный оборот».

Какие предлагаются стратегические основы по сохранению почв или механизмы управления рисками опустынивания, деградации земель и засух Европейской части России?

«В современных условиях борьба с опустыниванием и предупреждением деградации земель является одним из приоритетных направлений государственной политики РФ как в сфере охраны окружающей среды, так и в социально-экономической области. Актуальность и важность решения проблемы опустынивания и деградации земель подчеркивает и активное участие нашей страны в профильных международных соглашениях и организациях, прежде всего, это Конвенция ООН по борьбе с опустыниванием (КБО), вступившая в силу в 1996 году.

Причины деградации земель с целью их оценки и мониторинга определяются как упорядоченные последовательности причинно-следственных связей, которые при определенной предрасположенности той или иной территории могут приводить к появлению или усилению деградационных процессов.

Геоинформационный анализ опустынивания аридных территорий показал, что в современных условиях идет снижение устойчивости экосистем по мере аридизации климата. Меридиональный градиент суммарного индекса деградации сельскохозяйственных угодий в европейской части аридного пояса составляет 2 баллa на 100 км. Формы опустынивания определяются комплексом природных и антропогенных факторов, особенно важными из числа природных факторов являются соотношение среднегодовых осадков с годовой эвапотранспирацией, гранулометрический состав почв, рельеф местности, а к важнейшим антропогенным факторам относятся характер и интенсивность аграрной деятельности. Определение состояния ландшафтов с использованием геоинформационных технологий и аэрокосмических данных, выявление изменения площади очагов опустынивания показало, что площадь деградированных и опустыненных земель увеличивается при росте поголовья скота. Возрастает роль климатических факторов, что приводит к увеличению скорости и амплитуды изменений площади очагов опустынивания, как в сторону уменьшения, при достаточном увлажнении, так и увеличения в засушливые годы. Значительное влияние оказывают ландшафтные пожары, которые приводят не только к снижению проективного покрытия, но и к обеднению видового состава растительности, доминированию рудеральных видов.

Крайне обостренная ситуация вследствие деградации растительного и почвенного покрова, дефицита водных ресурсов, дискомфортности проживания людей подвигла республиканские органы Калмыкии при поддержке ЮНЕП, российских ученых и специалистов в конце 90-х годов разработать и начать осуществлять специальную Республиканскую национальную программу действий по борьбе с опустыниванием. Она явилась первым стратегическим документом такого рода в Российской Федерации. Затем, в рамках международного проекта ЮНЕП/ЦМП/ВНИАЛМИ «Поддержка деятельности по борьбе с опустыниванием в Содружестве Независимых Государств (СНГ)» была разработана серия Субрегиональных национальных программ действий по борьбе с опустыниванием (НПДБО) для 17 регионов аридного пояса РФ.

Реализация «Генеральной схемы по борьбе с опустыниванием Черных земель и Кизлярских пастбищ» привела к тому, что на площади свыше 7 тыс. км² были выполнены агролесомелиоративные работы, закреплено более 4 тыс. км² подвижных песков и более 2,5 тыс. км² пастбищ были восстановлены»,– прокомментировал волгоградский исследователь.

Кроме того, оценку продуктивности кормовых угодий и выявление способов увеличения их кормоемкости, как отметил Валерий Юферев, «проводили многие ученые, которыми установлено, что неотъемлемым элементом стратегии устойчивого развития пастбищного животноводства является экологическое восстановление деградированной части естественных пастбищных экосистем и использование системы управления рисками опустынивания, деградации земель и воздействия засух. Частью таких мер является фито- и лесомелиорация полупустынно-степных сообществ (закрепление песков травами, полукустарниками и древесными растениями, улучшение лугопастбищных угодий подсевом трав, созданием ЗЛН и др.), что обеспечивает восстановление агроресурсного потенциала и улучшение условий функционирования деградированных земель с использованием адаптированной, высокопродуктивной травянистой и древесной растительности. На защищенных территориях значительно улучшается гидротермический режим, сокращается поверхностный сток, оптимизируются процессы почвообразования, чище и полноводнее становятся реки и водоемы, богаче и разнообразнее флора и фауна.

Фитомелиорированные угодья эффективно используются, стабильно продуцируют, становятся зоотехнически комфортными и обеспечивают увеличение численности животных: сохранность овцематок увеличивается на 7%, привес на 13%, настриг шерсти на 10-40%. Затраты на восстановление опустыненных пастбищ путем фитомелиорации окупаются по кормам за 4-5 лет. В засушливых полупустынных и степных районах фитомелиоративные мероприятия тем эффективнее, чем большую территорию они охватывают».

В каком состоянии сейчас лесные полосы и как они справляются с функцией защиты?

«В зоне полупустынь и пустынь на юге Европейской части России говорить о лесных насаждениях в виде полос можно только при должной организации уходов за ними. Древесные виды – деревья здесь применимы в ограниченном варианте при наличии соответствующих условий. Наверное, надо обсуждать создание насаждений для защиты пастбищ из кустарников и полукустарников, которые способны существовать без уходов в таких условиях (тамарикс, джузгун и др.). Существующие (или уже не существующие) лесные полосы из древесных пород (в форме деревьев) в условиях полупустыни (на светло-каштановых почвах) не могут функционировать без уходов. На бурых и песчаных почвах при отсутствии корнедоступной влаги они расти не будут. При прекращении использования (обработки) полей, полосы очень быстро деградируют и распадаются, кое-где не остается даже отдельных деревьев. Если рассматривать Прикаспийскую низменность, то, например, государственная лесная полоса "Чапаевск-Владимировка" сохранилась фрагментами только в Старополтавском районе», – сообщил Валерий Юферев.

Где еще можно применить полученные вами в ходе геоинформационной и дистанционно-картографической оценки результаты мониторинга аридных экосистем?

«Мы разрабатываем научные основы, способы и технологии для геоинформационного анализа деградации ландшафтов засушливых территорий, что дает возможность их применения для выполнения инжиниринговых работ по оценке состояния земель субъектов РФ, на основании которых можно принимать управленческие решения о режиме хозяйственного использования таких объектов, их реабилитации, изменения режима использования и др. для обеспечения восстановления их функций и предотвращения дальнейшей деградации и опустынивания земель»,  –  заверил сотрудник ФНЦ агроэкологии РАН.

Таким образом, успешный поиск деградированных участков и комплексный анализ уровня состояния агроландшафтов в регионах, подверженных опустыниванию (включающий данные картографии, геоинформационной оценки, информацию со спутников и полевых экспедиций), проводимый волгоградскими учеными, вносит весомый вклад в выработку единой стратегии по сохранению биоразнообразия и предупреждению причин изменения и дальнейшему развитию формирующих компонентов аридных экосистем.