Исследование Земли из Космоса, 2023, № 5, стр. 85-96

ВВЕДЕНИЕ

Сельскохозяйственное использование земельных ресурсов без учета ландшафтной составляющей ведет к их деградации (эрозии, дефляции, снижению плодородия). Рациональное использование земель возможно только при наличии точных данных о них, дающих возможность проводить оперативную оценку состояния агроландшафтов и соответствующее управление сельскохозяйственным производством. Для повышения экономической эффективности растениеводства в зоне недостаточного атмосферного увлажнения большое значение имеет знание пространственного распределения сельхозугодий в ландшафте, дающее возможность определения различных характеристик рельефа, почвенного покрова, гидротермических условий. Одним из таких регионов зоны рискованного земледелия является Волгоградская область.

В связи с этим возникает необходимость разработки актуальной базы данных пахотных земель, включающей данные о продолжительности использования, что в сочетании с данными о посевных культурах может применяться для определения севооборотов, предотвращения деградации почв и своевременного принятия мер против деградации агроландшафтов. Данные официальной статистики как правило учитывают только общие площади земель различных категорий, но не характеризуют их актуальное пространственное распределение. Также необходим оперативный контроль использования земель для своевременного принятия решений как собственниками по корректировке агротехнических приемов, так и контролирующими органами власти. Кроме этого, необходим тщательный учет и включение в базу данных залежных земель, что определяется возможностью их включения в сельскохозяйственное производство (Рулев и др., 2018; Rulev, Pugacheva, 2017).

В современных исследованиях структуры землепользования все чаще используются технологии дистанционного зондирования Земли из космоса и геоинформационные технологии (Васильченко, 2022; Мелихова, 2022, Горохова и др., 2017). Тем не менее, в Волгоградской области ранее анализировалось землепользование дистанционными методами на уровне отдельных сельскохозяйственных полей только по отдельным районам или хозяйствам, а для всего региона такой работы не проводилось (Матвеев, 2022; Синельникова,2020; Денисова; 2022). Существующие способы автоматизированного дешифрирования, как правило, используют эталоны, рассчитанные на иные климатические и почвенные условия, а также материалы дистанционного зондирования низкого разрешения, что отражается на качестве получаемых данных, поскольку производится попиксельный анализ (Барталев и др., 2011), из-за чего отдельные поля объединяются в группы пикселей. Визуальное дешифрирование сопряжено с высокими трудозатратами, но обеспечивает наибольшую точность картографирования сельхозугодий. Особенно это касается определения неиспользуемых в течение длительного времени пахотных угодий.

Целью данного исследования является определение пространственного размещения обрабатываемых и не обрабатываемых пахотных земель по данным дистанционного зондирования на территории Волгоградской области.

ОБЪЕКТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования выступают два вида сельскохозяйственных угодий: пашни и залежи на территории Волгоградской области. По данным Государственного доклада о состоянии земель на 1 января 2022 г. в Волгоградской области пахотные земли составляют более 52% от общей площади региона. Природные условия области являются благоприятными для сельского хозяйства, в частности, растениеводства за счет достаточно высоких среднегодовых температур, при этом существует высокий контраст между погодными условиями летнего и зимнего периодов. Ограничивающим фактором для растениеводства является относительно небольшое количество осадков в южных и восточных районах. Доминирующими сельскохозяйственными культурами являются пшеница и подсолнечник. Преимущественно применяется система сухого земледелия, что не позволяет получить максимальных объемов с посевных площадей (Rulev, Pugacheva, 2019). С 2014 г. общая посевная площадь в регионе по данным официальной статистики увеличилась на 5%. Почвенно-климатический потенциал территории позволяет получать высокие урожаи, но особенности территории влияют на продуктивность культур, т.к. область имеет большую протяженность и располагается в двух природных зонах – степной и полупустынной (Rulev, Pugacheva, 2019; Кравченко и др., 1995; Эдельгериев, 2021).

Для картографирования границ полей использовалась мозаика из безоблачных спутниковых снимков Sentinel-2 на 2021 г. и спутниковые данные сверхвысокого пространственного разрешения (~1 м/пиксель) Google Earth PRO. Был проведен подбор и предварительная обработка снимков Sentinel-2, включающая составление композитов с включением инфракрасного диапазона. Территория Волгоградской области охватывается 22 тайлами Sentinel-2. Использовались снимки весеннего и осеннего сезона для разделения обрабатываемых или необрабатываемых земель, поскольку одномоментные снимки не обеспечивают достаточную точность (Терехин, 2015). Уточнение используемости пахотных земель проводилось также по данным Landsat за 1984–2020 гг. На рис. 1 показан пример картографирования (в комбинации каналов искусственные цвета с включением ближних инфракрасных каналов NIR и SWIR) залежных земель в окрестностях озера Эльтон в Палласовском районе Волгоградской области, где к 2021 г. практически не осталось используемой пашни.

Рис. 1.

Картографирование пахотных земель по спутниковым снимкам (Палласовский район, окрестности озера Эльтон).

Картографирование границ полей и их последующий анализ производились в геоинформационной среде QGIS 3.26. При создании картосхем использовалась система координат WGS-84. Площади вычислялись на эллипсоиде WGS-84 (EPSG:7030). Морфометрический анализ проведен по цифровой модели рельефа SRTM3, которая была перепроецирована в проекцию UTM, после чего рассчитаны крутизна и экспозиция. Каждому полю присвоен атрибут преобладающих по площади в его границах экспозиции и крутизны, что можно считать характеристикой склона, на которых расположены поля (Шинкаренко и др., 2019).

Поскольку площадь полигонов рассчитывалась на эллипсоиде, то может быть также неточность, вызванная влиянием рельефа – крутизной склонов, которое не учитывается при расчетах в плановых координатах или на эллипсоиде. Так как крутизна сельскохозяйственных полей в большинстве случаев не превышает 2°–3° (Belyakov, 2021), то возможная ошибка, вызванная этим фактором, составляет не более 0.1%. В работе рассматривались сельскохозяйственные поля площадью от 1 га. Разделение на пахотные и залежные земли проводилось экспертным методом визуальным дешифрированием.

Для оценки результатов дешифрирования спутниковых снимков использовались официальные статистические данные (Итоги Всерос. сельск. переписи, 2018; Захарова, 2022) и исследования других авторов (Воробьев, 2014; Краснощеков, 2015; Rulev, Pugacheva, 2017; Belyakov, 2021). Также для сравнения с полученными результатами применялись электронные растровые карты обрабатываемых земель за 2016–2021 гг. по данным сервиса Вега (Лупян, 2015; Loupian 2022). Данные основаны на использовании многолетних рядов спутниковых данных сканера MODIS c космических аппаратов Terra и Aqua с пространственным разрешением 250 м/пиксель. В основе этих данных лежит автоматизированный алгоритм распознавания спектральных характеристик пахотных земель с достаточно высокой точностью (Барталев и др., 2011).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате выполненного дешифрирования спутниковых снимков и геоинформационного анализа установлено пространственное размещение более 68 тыс. сельскохозяйственных полей в Волгоградской области, в том числе проведено разделение на используемые (более 55 тыс. объектов) и неиспользуемые (более 12 тыс.). Общая площадь пахотных земель составила 6.05 млн га, из них используемые – 5.09 млн га, неиспользуемые – 0.96 млн га. С учетом возможной ошибки выделения границ по данным сверхвысокого разрешения, соответствующей линейному размеру пикселя данных Google Earth (примерно 1 м), и влиянием рельефа погрешность определения площади составляет не более 30 тыс. га. или 0.05% площади.

Также полученные данные были сгруппированы по границам муниципальных районов, в результате наибольшие площади пахотных земель отмечены в Октябрьском, Михайловском, Новоаннинском районах. Максимальные площади залежных земель размещены в Заволжье, лидером является Палласовский район (289.9 тыс. га). На правобережье Волги лидирует Городищенский район, где 50.6 тыс. га составляют залежи (рис. 2). Как правило, большая часть неиспользуемой пашни в регионе приурочена к малопродуктивным засоленным почвам (Денисова, 2021, 2022).

Рис. 2.

Распределение используемых и неиспользуемых пахотных земель по районам.

По данным Росстата на 1995 г. в регионе было 5.84 млн га пашни, в том числе 3.99 млн га посевной площади. Залежи значительно реже приводятся в официальной статистике по сравнению с другими типами сельскохозяйственных угодий, поэтому сравнительный анализ статистических данных с результатами дешифрирования зачастую затруднен. По данным (Rulev, Pugacheva, 2019) в 1995 г. в Волгоградской области было 0.64 млн га залежных земель. Таким образом, общая площадь используемых и неиспользуемых пахотных угодий по их данным составляла 6.47 млн га. На 2006 г. Росстат приводит 5.85 млн га обрабатываемой пашни и всего 4.88 тыс. га – необрабатываемой. Также данные по площадям пашни и залежей на 2005 год представлены в Атласе почв (2011), но они полностью повторяют данные Росстата. В то же время по данным Всероссийской сельскохозяйственной переписи в 2006 г. в Волгоградской области зарегистрировано только 4.74 млн га используемой пашни и 0.5 млн га залежей. По данным А.В. Воробьева в 2010 г. в регионе было 5.8 млн га пахотных земель и 4.8 тыс. га неиспользуемых (Воробьев, 2014). На 2015 г. Краснощеков приводит данные о 5.18 млн га обрабатываемой пашни и 0.29 млн га – необрабатываемой (Краснощеков, 2015). В 2017 г. по данным (Rulev, Pugacheva, 2019) в регионе зафиксировано 5.63 млн га пашни и 1.68 млн га залежей, т.е. суммарно 7.32 млн га пахотных земель, в то время как по данным переписи 2016 г. приводится 5.38 млн га пахотных земель, в том числе 4.75 млн га используемых и 0.63 млн га неиспользуемых. В Государственном докладе о состоянии земель Российской Федерации на 1 января 2022 г. (Захарова, 2022) указано 5.85 млн га обрабатываемой пашни и 4.7 тыс. га залежей. На рис. 3 показана доля пашни в муниципальных районах Волгоградской области по разным данным. Отмечаются большие расхождения в Палласовком районе.

Рис. 3.

Картограммы доли пахотных земель от общей площади в муниципальных районах Волгоградской области (а – результаты дешифрирования; б – Сервис “Вега”; в – сельскохозяйственная перепись, 2016; г – Воробьев, 2010).

Таким образом можно сделать вывод, что официальные статистические данные и результаты проведенных исследований имеют существенные расхождения, при этом площадь залежных земель по данным Росстата существенно занижена в сравнении с данными сельскохозяйственных переписей и независимых оценок. Согласно (Belyakov, 2021) в регионе на 2021 г. расположено примерно 5.6–6.1 млн га обрабатываемой пашни и 0.89 млн га залежей (6.5–7 млн га совокупной площади обоих видов угодий). Это наиболее близкая оценка к полученным в данном исследовании результатам на основе дешифрирования спутниковых данных. При этом площадь используемых земель по всем оценкам кроме переписей представляется несколько завышенной. Поэтому в дальнейших исследованиях требуется сравнительный анализ с результатами других исследований, в основе которых лежат данные дистанционного зондирования Земли из космоса и современные геоинформационные методы.

Фрагмент электронных карт на основе визуального дешифрирования и данных автоматизированного распознавания обрабатываемой пашни сервиса “Вега” представлен на рис. 4. Общая площадь используемой пашни в Волгоградской области согласно этому сервису составляет 4.89 млн га, что всего на 4% меньше величины, полученной на основе дешифрирования спутниковых снимков сверхвысокого пространственного разрешения (5.09 млн га).

Рис. 4.

Схема распределения земель по данным экспертного дешифрирования (а) и данным MODIS сервиса Вега (б).

Таким образом, наиболее близкие к результатам обработки данных дистанционного зондирования Земли оценки площади обрабатываемых земель приводятся в данных сельскохозяйственных переписей 2006 и 2016 гг. – 4.75 млн. При этом разница в величине используемой пашни в 2006 и 2016 гг. составляет всего 1.9 тыс. га, в то время как площадь залежных земель увеличилась на 130 тыс. га: с 0.5 до 0.63 млн га.

Как отмечается в работах (Rulev, Pugacheva, 2019; Барталёв и др., 2011), не ведется подробная статистика залежных земель. Также ошибки при картографировании неиспользуемых сельскохозяйственных земель возникают из-за того, что неточно определено, что же именно относить к этой категории (Денисов и др., 2022). Согласно публичной кадастровой карте большая часть неиспользуемой пашни, в том числе заброшенной в период 80–90-х гг. прошлого века, имеет назначение “для сельскохозяйственного производства” или “для производства сельскохозяйственной продукции”. Также старовозрастные залежи практически повсеместно используются для отгонного животноводства (Шинкаренко и др., 2019).

На рис. 5 показаны результаты расчета преобладающих экспозиций и крутизны склонов для каждого поля. В Волгоградской области сельскохозяйственные поля находятся преимущественно на склонах западной экспозиции (37%), что связано с преобладанием общего уклона рельефа к западу. На правом берегу Волги это обусловлено понижением Приволжской возвышенности к Дону от водораздела с Волгой, а на левом берегу – понижением территории Заволжья по направлению на запад к руслу Волги. Практически отсутствуют поля на склонах северной и северо-западной экспозиции. Склоны основных притоков Дона и впадающих в них балок и малых рек имеют преимущественно северо-восточную и юго-западные экспозиции, что связано с ориентацией водотоков. Экспозиция склонов влияет на количество поступающей солнечной энергии, от которой в свою очередь зависит состояние посевов. Отмечено, что на полях южной экспозиции вегетация озимых культур в весенний период начинается раньше (Берденгалиева, Берденгалиев, 2022; Шинкаренко и др., 2019).

Рис. 5.

Распределение пахотных земель по преобладающей экспозиции (а) и преобладающей крутизне склонов (б) в Волгоградской области.

Одним из важнейших факторов почвообразования и состояния посевных площадей является рельеф. Водная эрозия на склоновых землях снижает почвенное плодородие, что существенного сказывается на урожайности. Пахотные земли, расположенные на склонах более 3° подвержены деградации из-за эрозионных процессов (Барабанов и др., 2019). Согласно проведенному морфометрическому анализу площади полей, которые находятся на склонах крутизной до 1° составляют 78% (рис. 6), что на 15% превышает данные ЮжНИИгипрозема в этой категории (по данным (Belyakov, 2021)). Крутизну более 3° имеют всего 84.3 тыс. га сельскохозяйственных полей (1.7% от всей площади обрабатываемой пашни). Наиболее ровный рельеф в Заволжье на территории Прикаспийской низменности: Быковский, Ленинский, Николаевский, Палласовский и Среднеахтубинский районы. Здесь основным фактором деградации и ухудшения урожайности является засоление почв как природное, так и вторичное на орошаемых ранее землях без дренажных систем (Денисова, 2021; 2022), в то время как почвы достаточно устойчивы против дефляции (Рулев и др., 2017). Значительное засоление почв и соответственно более низкая урожайность в совокупности с относительно менее благоприятной транспортной доступностью Заволжья объясняют большую долю неиспользуемой пашни (Кулик, 2017; Rulev, Pugacheva, 2019).

Рис. 6.

Доля сельскохозяйственных полей с разной крутизной в районах Волгоградской области.

Наибольшей долей пашни с крутизной более 3° характеризуется Нехаевский район на крайнем северо-западе Волгоградской области (13.9% площади от всей используемой пашни района). Также значительная доля таких сельскохозяйственных полей расположена в Котовском и Камышинском районах (4.5 и 6.1% соответственно), которые находятся на самой возвышенной части водораздела между бассейнами Волги и Дона. Одним из инструментов противоэрозионной организации склоновых земель является агролесомелиорация: создание системы полезащитных, прибалочных и приовражных лесных насаждений (Барабанов и др., 2019; Рулев и др., 2015). Так по данным (Кулик и др., 2017) в Волгоградской области имеется 70.6 тыс. га полезащитных и 35.4 тыс. га противоэрозионных насаждений, но для устойчивого функционирования агроландшафтов требуется еще создать 58.2 и 61.9 тыс. га насаждений каждой категории соответственно. Таким образом, полученные электронные карты крутизны сельскохозяйственных полей позволят оценить их противоэрозионную защищенность лесными насаждениями и разработать при необходимости меры по ее повышению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данные дистанционного зондирования позволяют определить пространственное размещение обрабатываемых и необрабатываемых пахотных земель. Полученные для Волгоградской области данные позволили выявить расхождение в площади со статистическими данными. Наиболее схожие результаты получились с данными об обрабатываемых полях сервиса “Вега” и данными Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2016 г.

Официальные статистические данные структуры земель не дают представление о пространственном охвате, также содержат ряд неточностей по сравнению с результатами обработки данных дистанционного зондирования. Особенно это заметно при определении величины неиспользуемых пахотных земель: по разным источникам эта величина в Волгоградской области составляет от 5 до 900 тыс. га. Согласно результатам дешифрирования, разновременных спутниковых данных Sentinel-2 и Landsat площадь заброшенной пашни на 2021 г. составила 960 тыс. га.

Сформированная база данных содержит атрибутивную информацию о почвенном покрове, характеристиках склонов и в дальнейшем позволит проанализировать влияние этих факторов на состояние посевных площадей и урожайность культур.

Границы полей – это важная составляющая организации точного земледелия. Полученная геоинформационная основа может служить для дальнейшей проработки использования методов точного земледелия и оптимизации сельскохозяйственного производства в Волгоградской области.