Исследование Земли из Космоса, 2022, № 4, стр. 86-96

ВВЕДЕНИЕ

Текущий характер использования земель сельскохозяйственного назначения говорит об увеличении антропогенной нагрузки и, как следствие, изменении естественных природных комплексов и ландшафтов в целом. Особого внимания требуют пахотные орошаемые земли с различными видами орошения (дождевание, капельное и т.п.), так как испытывают наибольшую антропогенную нагрузку, ввиду различного воздействия. Для снижения этой нагрузки необходимо научно-методическое обеспечение, основанное на современных исследованиях, как отдельных компонентов, так и всего агроландшафта (Глотов, 2013; Смирнова и др., 2011).

Землеустройство как система конкретных мероприятий по грамотному использованию земель, с учетом их охраны обязано включать в себя знания об экологии ландшафтов. В виду нарастающей угрозы разрушения земель, развитию эрозионных процессов необходимо учитывать исторически сложившиеся законы природы и выстраивать сельскохозяйственное производство на эколого-ландшафтной основе, что даст лучший результат в производительности сельскохозяйственных угодий, в т.ч. орошаемых, снизит риск дальнейшего ухудшения эродированных земель, повысит урожайность возделываемых культур.

Землеустройство предполагает собой различные подходы в земледелии, способах обработки почв, которые должны соответствовать имеющимся условиям конкретного региона и природных зон (Докучаев, 1936; Ханбабаев и др., 2015).

Существующая методика учета и устройства орошаемых земельных участков не учитывает особенности и свойства ландшафта, отраслевую и зональную приспособленность территории, не отвечает вопросам защиты земель и воспроизводству ее полезных качеств. Сложившаяся система использования орошаемых земель базируется на исследованиях, входящих в состав проектов внутрихозяйственного землеустройства, проводимых в 70–80-х годах прошлого столетия (Денисова, 2019).

Для мониторинга земельных ресурсов огромное значение имеют дистанционные методы исследований. В землеустройстве достаточно популярным является картографический мониторинг, который предназначен для слежения за процессами деградации и выбытия сельскохозяйственных угодий, а также их мелиорации (Папаскири, 2013, 2014).

Информация, получаемая с помощью космической цифровой съемки, является территориально всеобъемлющей, современной, актуальной, востребованной и необходимой для обеспечения эффективного использования и учета земельных ресурсов.

Задачами исследования являются: проведение дистанционного мониторинга пахотных земель в границах Новонадеждинского сельского поселения Городищенского района, обобщение результатов полевых и камеральных исследований для установления фактического использования орошаемых площадей, границ и пространственного расположения данных угодий, формирование локальной геоинформационной системы учета орошаемых земель с разработкой картографического обеспечения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Космические снимки обеспечивают достоверность и объективность полученной информации о состоянии и использовании земель всех категорий, их местоположения, площадях и позволяют сформировать комплексный системный подход к оценке земель, степени их вовлеченности в производственные процессы, а также уровень их деградации и сохранности (Мельникова, 2010; Папаскири, 2020).

Современные преобразования в сельском хозяйстве, переход право собственности от государственного к частому, привели к тому, что прежняя модель использования земельных угодий в границах крупных сельскохозяйственных предприятий (колхозов и совхозов) перестала существовать. Появились новые собственники, владельцы и пользователи земельных участков, которые пожелали закрепить свое право собственности на местности, т. е. выделить земельные участки, с определением их координат и площади.

Методология геоинформационного мониторинга базируется на точном позиционировании и размещении объектов исследуемой территории с использованием пространственных данных, специализированных геодезических, спутниковых систем, выполняющих съемку с определенной точностью. Точность геопозиционирования космоснимков определяется характеристиками съемочной аппаратуры спутников и составляет 0.5 разрешения изображения. Разрешение космоснимка для исследований пашни выбирается от 1 до 15 м.

Для геоинформационного анализа и реализации обработки пространственных данных используется программный комплекс QGIS 3.12, распространяемый свободно. Космоснимки в настоящее время являются основным источником объективной информации (Lidin, 2018; Rawat, Kumarh, 2015; Roy, 2014) об объектах изучения. Наиболее доступными для большинства исследователей являются космоснимки со спутников “Sentinel 2”, “Landsat-8” или “Landsat-7”, размещенные на ГИС - сервисах для свободного использования и позволяющие проводить весь комплекс исследований, связанных с получением информации о состоянии сельскохозяйственных угодий (Erol, 2005). Для получения данных о высотах использовалась глобальная цифровая модель рельефа SRTM 3 (https://scihub.copernicus.eu/dhus, 2021; https://srtm.csi.cgiar.org, 2021).

Определение пространственных изменений в орошаемой пашне проводится по разновременным безоблачным спутниковым снимкам Landsat в программных пакетах ENVI и QGIS. На начальном этапе формируется векторная маска контура объекта исследования. На ее основе формируются фрагменты изображения на территорию исследования за различные годы. Затем проводится тематическое картографирование изображения с использованием алгоритмов контролируемых или неконтролируемых классификаций в программном пакете ENVI с целью выделения доминирующих классов наземного покрова (например, “насаждения”, “сельскохозяйственные земли”, “сооружения”, “водные объекты” и т.д.) (Виноградов, 1984). Полученные тематические растровые слои проходят пост-классификационную обработку и преобразуются в полигональные векторные слои. Вся последующая работа по пространственному анализу и оценке изменений наземного покрова на территории исследования проводится в среде QGIS. Дешифрирование пахотных угодий, в т. ч. орошаемых, проводится по космоснимкам, они имеют достаточную площадь, разделены на поля технологическими проездами, полевыми дорогами или лесными насаждениями, могут быть покрыты растительностью.

Для обработки данных космической съемки используется определенный набор программных продуктов, а именно программы создания геоинформационных систем QGIS, программы анализа полученных данных Surfer, Exel, Statistica и др., при помощи которых создаются картографические модели, таблицы статистических данных и математическое описание выявленных закономерностей. Геоинформационные технологии используются для создания пространственной базы данных об орошаемых землях (координат, геометрии, местоположении, площадях, экспозиции, уклоне и др.), что представляет собой инновационный подход к формированию локальной системы учета орошаемых земель, создания современного картографического обеспечения для эффективного управления и функционирования как всего агроландшафта, так и отдельных его компонентов.

Получение космических снимков с привязкой к координатам дает возможность исследовать пространственное размещение контуров участков всех исследуемых земель, в т.ч. орошаемых. При этом использование снимков сверхвысокого разрешения, дополнительной графической и атрибутивной пространственной информации позволяет с высокой точностью определить их пространственное размещение и провести анализ распределения таких участков на территории исследований, на основании чего создаются соответствующие тематические карты. Карты разрабатываются на основе цифровой топографической модели по космоснимкам, соответствующим объектам исследований, в среде ГИС в виде тематических растровых, векторных и атрибутивных слоев (Amin, Fazal, 2012).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Орошаемые угодья являются высокоинтенсивным компонентом агроландшафта и в значительной степени оказывают влияние на формирование экологической стабильности и равновесия во всем агроландшафте. Интенсивная эксплуатация орошаемых земель способна спровоцировать негативные явления, а именно засоление, снижение почвенного плодородия, разрушение гумусового слоя, вывод сельскохозяйственных угодий из оборота и др., что непосредственно скажется на продуктивности и целостности остальных компонентов агроландшафта.

Вопросами применения дистанционных методов исследований в целях мониторинга определения площадей земель, в том числе орошаемых, их состояния, использования, а также их роли в землеустройстве занимались Андронников В.Л., Волков С.Н., Папаскири Т.В. О значимости, целостности, сохранении и экологической устойчивости агроландшафта говорили И.П. Кружилин, В.Н. Щедрин, И.И. Шопен, Б.А. Шумаков и многие другие (Денисова, 2021).

Распределение орошаемых земель по муниципальным районам Волгоградской области зависит от природно-хозяйственного, земельно-оценочного и почвенного зонирования, учитывающих территориальные особенности природопользования в широком диапазоне: от зон со статусом ООПТ (природные парки, заказники) и территорий традиционного природопользования до промышленных и транспортных производственных комплексов с антропогенной средой (Рябинина, 2011).

Городищенский район Волгоградской области является представителем сухостепной зоны светло-каштановых почв, входит в третий земельно-оценочный район с содержанием гумуса 2–3% и баллом бонитета – 50. Характерной особенностью этих почв является неоднородность почвенного покрова, создаваемая солонцами, солончаками и др.

По результатам сельскохозяйственной переписи 2016 г. общая площадь земель Городищенского района составляет 111.06 тыс. га, из которых сельскохозяйственные угодья занимают площадь 106.64 тыс. га, в т.ч. пашни – 70.6 тыс. га, сенокосов – 5.29 тыс. га, пастбищ – 12.04 тыс. га, многолетние насаждения – 2.59 тыс. га, площадь залежей составляет 16.12 тыс. га. Из общей площади сельскохозяйственных угодий фактически использовались 88.91 тыс. га (80%).

Орошаемые сельскохозяйственные угодья исследуемого района занимают 22.74 тыс. га или 25.6% от используемых на самом деле, из них с фактически действующей оросительной системой – 19.06 тыс. га.

Предметом дистанционного исследования стали сельскохозяйственные угодья, а именно пашня, в границах Новонадеждинского сельского поселения Городищенского района Волгоградской области. Такой метод позволил дифференцировать данные угодья на орошаемые и богарные, уточнить используемые площади и назначение, местоположение, а проведенные полевые исследования предоставили действительную информацию по их применению, способам орошения и видам возделываемых культур. Также полевые изыскания данной территории дали возможность оценить весь агроландшафтный комплекс – источники орошения, оросительная сеть, лесные полосы, дорожную сеть, а также земельные угодья.

Это особенно необходимо для эффективного функционирования всей системы, выполнения производственно-хозяйственных целей, т.к. оптимальное сочетание всех элементов агроландшафта, пропорциональности и учета их особенностей, оказывает влияние на экологическое состояние всей системы в целом (Лопырев и др., 2015; Постолов и др., 2019).

Пахотные угодья Новонадеждинского сельского поселения были рассмотрены автором в 2009–2012 гг. Общая площадь поселения составляет 6007 га, в том числе сельскохозяйственных угодий – 5411.6 га, которые относятся к зоне светло-каштановых почв, балл бонитета равен 47. Из общей площади сельскохозяйственных угодий пашня занимает – 3963.4 га, на орошении находится 2092.0 га, на богаре – 1871.4 га (данные на 01 января 2010 г.).

На тот момент, на территории поселения осуществляли свою деятельность сельскохозяйственные предприятия различных форм собственности, а также крестьянские (фермерские) хозяйства (рис. 1).

Рис. 1.

Схема использования земель в границах Новонадеждинского сельского поселения (на 01 января 2010 г.).

Современное картографирование данной территории дало возможность получить реальное представление о наличии и использовании пахотных угодий (богарных и орошаемых), их местоположении, определить структуру агроландшафта.

Область исследования расположена на территории с координатами 48°50′08″ c.ш. и 44°17′29″ в.д. Муниципальное образование обладает следующими характеристиками:

– площадь 5807 га;

– периметр 30.66 км;

– перепад высот 74 м;

– средняя крутизна склона 1.1°;

– максимальная крутизна склона 13.5°;

– пахотные угодья занимают 4115.2 га.

Исследования, проводимые на территории Новонадеждинского сельского поселения, включали два этапа – дистанционный мониторинг 159 пахотных участков и полевые изыскания в границах 19 участков орошаемой и богарной пашни. В состав полевых работ входило уточнение на местности границ, площади участка, вида выращиваемых культур, характера использования – орошаемый или богарный, а также наличие и оценка состояния лесных полос и всего агроландшафта в целом. Все обследованные участки прошли кадастровый учет, отражены на публичной кадастровой карте, с занесением сведений в единый государственный реестр недвижимости (далее ЕГРН), с присвоением кадастрового номера и установленной кадастровой стоимости (табл. 1).

Из 19 земельных участков 13 являются орошаемыми, присутствуют посевы – морковь, картофель, Сельскохозяйственное производство на земельных участках 34:03:160002:120 и 34:03:160002:121 не ведется, по факту является гарью в результате степных пожаров. Дальнейшее использование данных участков для ведения сельскохозяйственного производства возможно только после проведения комплекса восстановительных работ. Земельный участок 34:03:160002:690 представляет собой естественное пастбище, изрезанное балками, перепады высот от 7 до 10 м. Лесные полосы отсутствуют.

Многоконтурный земельный участок 34:03:160002:784 состоит из трех контуров, предназначен для ведения крестьянского (фермерского) хозяйства. Фактическое состояние каждого из контуров следующее: 34:03:160002:784/1 – дорога; 34:03:160002:784/3 – участок вокруг пруда, поросший камышом, порядок использование участка 34:03:160002:784/2 не установлено, лесные полосы – отсутствуют.

В составе многоконтурного земельного участка 34:03:160002:785 два контура. На контуре 34:03:160002:785/1 выращивается лук с применением капельного орошения. Контур 34:03:160002:785/2 является залежью, на которой расположена сельскохозяйственная техника. Лесные полосы на данных участках отсутствуют.

На 11 обследованных участков, максимальная крутизна склона превышает 2°. Перепад высот более 3 м. Вдоль участка ЗУ 294 присутствует лесная полоса, протяженностью 50 м.

Дистанционный мониторинг осуществлялся на всей территории муниципального образования, и позволил выявить 159 контуров пахотных участков, общей площадью 4134.6 га. Это участки пашни различной конфигурации, размер которых варьируется от 0.37 до 129.2 га. Средняя площадь по всему массиву составляет 26.0 га, средняя крутизна – 0.92°,перепад высот по всей территории исследования – 53 м. Более 18% территории (или 29 земельных участков) имеют крутизну склона свыше 3°, один участок – 7° (П53) (рис. 2, табл. 2).

Рис. 2.

Карта расположения пахотных участков в границах Новонадеждинского сельского поселения.

Объектом геоинформационного моделирования выступает природная антропогенная геосистема богарной и орошаемой пашни с указанием местоположения и набором определенных свойств (характеристик, атрибутов). Компоненты агроландшафта определяются признаками, соответствующим графической информации. Цифровая модель агроландшафта, состоит из следующих разделов: топологическая, геометрическая и атрибутивная. Применение геоинформационной оценки при анализе агроландшафтов основывается на дешифрировании с оцифровкой растровых изображений. Оцифрованные картографической основы с привязанными координатами отражает топографическую основу.

Полевое эталонирование проводилось на ключевых участках, на которых изучались составляющие агроландшафтов и устанавливались связи между ними. По выявленным соответствиям изображенных элементов ландшафтов на космоснимках и в натуре, были установлены дешифровочные признаки почв, растительности, рельефа и т.д. и на их основе разработаны обзорные и крупномасштабные схемы с определением их достоверности и репрезентативности. На ключевых участках проводилось изучение состава экосистем и связи между элементами.

При геоинформационном картографировании использование цифровой модели рельефа обеспечивает определение характеристик рельефа, в том числе расчет и построение картографических слоев пространственного распределения углов наклона склона, уклонов, экспозиций и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение состояния агроландшафта и его отдельных компонентов – пашни, лесных полос и др. с использованием дистанционного мониторинга позволяет получить актуальную информацию о наличии, пространственном размещении пахотных участков, рельефе и др. характеристиках, что, в свою очередь, делает возможным разработать научно-методическое и картографическое обеспечение любой территории с максимальной точностью и в короткие сроки. Исследование орошаемых земель, как отдельной, особо важной категории, необходимо для ведения их учета, целевого использования, влияния на весь агроландшафт в целом, что позволит сформировать устойчивое сельскохозяйственное производство и планирование в сфере управления земельными ресурсами.

Выделение земельных участков из земель бывших сельскохозяйственных предприятий, их использование без осуществления проектного землепользования, отсутствие почвозащитной мероприятий в системах земледелия – все это требует непрерывного мониторинга за сельскохозяйственными угодьями, а особенно орошаемыми землями.

Министерством сельского хозяйства РФ опубликованы данные о состоянии мелиоративного комплекса за 2020 год. Основными сдерживающими факторами повышения продуктивности земель сельскохозяйственного назначения называются:

– недостаточное развитие комплексных мелиораций;

– невысокий технический уровень мелиоративных систем;

– развитие различных процессов деградации.

Однако, что можно считать мелиоративным комплексом? Гидротехнические сооружения (трубопровод, оросительный канал, водозаборные сооружения) или водные объекты и земельные ресурсы? Как проводиться учет орошаемых земель? Орошаемыми землями считаются те земли, на которые заключен договор на подачу воды между водопотребителем и учреждением, подведомственному Департаменту мелиорации. Фактически, орошению подлежат участки, собственники которых сами принимают решение поливать их или нет.

Исследование орошаемых пахотных угодий, как главного компонента агроландшафта направлено на уточнение основных характеристик, учитываемых при орошении – плодородие, уклон пашни, площадь, глубина залегания грунтовых вод и др. Кроме того, агроландшафтные орошаемые комплексы были созданы десятки лет назад и перестали существовать в связи с установлением новых границ землевладельцев и землепользователей.

Использование ГИС для анализа агроландшафтов дает возможность оценить взаимосвязи, объектов их взаиморасположение и взаимодействие, понять ситуацию в регионе, сделать правильный выбор или лучше подготовиться к принятию решений. Применение дистанционных данных позволяет с высокой долей вероятности получить необходимые характеристики природных и антропогенных объектов.

Отсутствие достоверной и актуальной картографической информации приводит к тому, что нарушается целостность агроландшафта, порядок использования земельных угодий в соответствии с целевым назначением, усиливаются процессы деградации, снижается эффективность в сфере оборота и управления земельными ресурсами. Наглядным примером является территория Новонадеждинского сельского поселения, где произошло уменьшение площади муниципального образования на 3.3%, доля сельскохозяйственных угодий возросла на 3.8% за счет распашки пастбищ и использования их в качестве пашни.

Подробная информация о пространственном распределении и использовании орошаемых угодий на изучаемой территории в целом по региону до сих пор является неструктурированной (Lesiv, Schepaschenko, 2018). Отсутствие локальной геоинформационной системы учета орошаемых земель может привести к нарушению экологического равновесия агроландшафта и потери продуктивности особо ценной категории земель.

Новизна данной работы не может рассматриваться только в рамках исследуемой территории, так как проведение подобных изысканий является необходимым для 4.67 млн га орошаемой пашни (по данным отчета Министерства сельского хозяйства 2020 г.) и это возможно только с применением ГИС-технологий.