Почвоведение, 2023, № 11, стр. 1340-1356

ВВЕДЕНИЕ

Волгоградская область относится к максимально освоенным территориям, где дальнейшее увеличение земель сельскохозяйственного назначения практически исчерпано. Основные массивы сельскохозяйственных угодий установились в начале 1960-х гг. после освоения целинных и залежных земель и широкого развития орошения, особенно масштабного – в сухостепной зоне.

В настоящее время по данным Минсельхоза [10] общая площадь пахотных земель в области на 01.01.2021 г. составила 5794 тыс. га, из которых около 179 тыс. га орошается.

В дореволюционной России представление о географии почв сухих степей внесли работы русских ученых Димо и Келлера, Высоцкого [5, 9], которые показали пестроту растительного и почвенного покрова, связь почв с микрорельефом. Основные закономерности природного состояния почв сухостепной зоны в целинных условиях и на начальных этапах их активного сельскохозяйственного освоения установили советские ученые [1, 13, 14, 23] и многие другие. Результатом обобщения многолетних исследований почв специалистами различных организаций явилась книга [8]. Исследования орошаемых почв по многим направлениям в сухостепной зоне также отражены в трудах [3, 11, 18, 19, 22, 25].

К классическим методам изучения почв с 60-х годов ХХ в. и по настоящее время активно добавляются такие, как использование материалов дистанционного зондирования [7, 26–28, 30, 33, 35], изучение спектральных отражательных свойств почв и их компонентов [15, 20].

Материалы дистанционного зондирования являются одними из основных источников изучения орошаемых земель и орошаемых почв. Получаемые с помощью космических снимков изображения представляют собой высокоточные пространственно-временные модели. Они дают представление о структуре использования земель, способах орошения, мелиоративных мероприятиях, состоянии почвенных комплексов и динамике деградационных процессов. Однако интерпретация дистанционных материалов требует обязательного изучения особенностей района исследований на основе полевых работ и лабораторных анализов. Такие работы важны для обоснования выбранного метода обработки космической информации. Например, конкретное изображение со спутника является постоянным, в то время как используемые модели для оценки состояния почвы по этим изображениям и полученные результаты могут варьировать в зависимости от применяемых алгоритмов [36]. Важно уметь подбирать методы и модели, дающие удовлетворительный результат, подтверждаемый полевыми данными [34].

Ранее рассмотрена возможность выделения поверхностно-карбонатных почв и определения количества карбонатного материала в орошаемых почвах по пятнистости их изображения на космических снимках. Однако неоднородность орошаемых полей на снимках отражает не только наличие карбонатных пятен, но и пятен, связанных с особенностями почвообразующих и подстилающих пород [30]. Идентифицировать почвообразующие породы пытались исследователи из разных стран мира, главным образом, по материалам гиперспектральной космической съемки, которая позволила по спектральной яркости в определенных каналах выделять каолинит, иллит, монтмориллонитовую глину, крупный песок и супесь [31, 32]. Гиперспектральная космическая съемка имеет высокое спектральное, но низкое пространственное разрешение (30 м) и не подходит для изучения почвообразующих и подстилающих пород в пределах поля или нескольких отдельных полей.

Цель исследований − распознавание почвообразующих и подстилающих пород по внутриполевой неоднородности космического изображения в комплексе с полевыми исследованиями на примере орошаемых земель юга Приволжской возвышенности в Волгоградской области.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектом изучения стала Волго-Донская оросительная система, расположенная в Волгоградской области, в сухостепной зоне на юге Приволжской возвышенности, протянувшись вдоль Волго-Донского канала. Исследования проводили в границах ФГБУ Опытная станция “Орошаемая”, занимающей центральную часть Волго-Донской оросительной системы (рис. 1).

Рис. 1.

Расположение Волго-Донской оросительной системы (a), отображенное на космическом снимке с портала Google Earth (Pleiades, 25.05.2021) и территория ФГБУ опытная станция “Орошаемая” (b), топографические профили (1, 2, 3) и точки почвенного опробования (2022 г.) на космическом снимке со спутника Pleiades (25.04.2020).

Приволжская возвышенность, на которой находится опытная станция, представляет собой плато (130–170 м), рассеченное многочисленными речными долинами, оврагами и балками. Водоразделы здесь имеют слабовыпуклую форму и постепенно переходят в склоны долин. Формирование рельефа Приволжской возвышенности происходило под воздействием интенсивного проявления новейших тектонических поднятий и эрозионных процессов.

Основными почвообразующими породами юга Приволжской возвышенности являются палеогеновые (эоцен и палеоцен) кварцевые пески, неогеновые (ергенинская свита) пески, скифские красно-бурые глины и четвертичные лёссовидные суглинки.

Наиболее древними являются палеогеновые отложения, которые перекрывали всю территорию возвышенности, однако в результате неоген-четвертичного размыва были почти полностью уничтожены или погребены под континентальными рыхлыми ергенинскими отложениями. Несмотря на это, породы палеогенового возраста сохранились и являются почвообразующими на значительной части территории. Палеогеновые осадки представлены главным образом переслаиванием белых и серо-зеленых кварцево-глауконитовых песков различной зернистости с песчаниками и опоками. Ергенинская свита, которая сформировалась во второй половине неогена в аллювиальных и дельтовых условиях, представлена разнозернистыми кварцевыми белыми песками мощностью до 30–40 м. Они выходят на поверхность Волго-Донского водораздела (рис. 2) и вновь скрываются под более молодые скифские глины в северной части Ергенинской возвышенности [4, 8].

Рис. 2.

Ключевой участок полевых исследований (2022 г.) на космическом снимке (Pleiades 25.04.2020) и увеличенный фрагмент Геологической карты СССР (1 : 200 000) на его территорию. Четвертичная система. Верхнечетвертичные отложения: Q_III²sg – пески, суглинки, 1-я надпойменная (сурожская) терраса бассейна р. Дон; Q_III¹sg – пески, суглинки, 2-я надпойменная (карангатская) терраса бассена р. Дон. Неогеновая система. Плиоцен: Ner – ергенинская свита без разделения, пески. Палеогеновая система. Эоцен: Pg₂²m – средний эоцен, мечеткинская свита, пески, алевриты с прослоями песчаников и глин; Pg₂¹zr – нижний эоцен, царицинская свита, пески, песчаники, алевриты с прослоями песчаников и глин; Pg₂¹pr – нижний эоцен, пралейская свита, пески, песчаники, алевриты. Почвенно-топографические профили (1, 2, 3), точки полевого опробования ($*$) и современные границы сельскохозяйственных полей ($ - - - $).

Юг Приволжской возвышенности входит в подзону каштановых почв. Почвенный покров представлен почвенными комбинациями, включающими светло-каштановые несолонцеватые почвы на водораздельных пространствах, светло-каштановые солонцовые комплексы с разным долевым участием солонцов в автоморфных, полугидроморфных и гидроморфных условиях, сочетания и пятнистости лугово-каштановых, луговых почв разной степени засоления и солонцеватости, аллювиальные почвы в долинах рек [8, 12].

Орошение на опытной станции производится из Береславского и Варваровского водохранилищ, которые входят в систему Волго-Донского судоходного канала им. В.И. Ленина.

Полевые обследования западной части ключевого участка “Орошаемый” Волго-Донской оросительной системы проводили сентябре–августе 2022 г. Было заложено 3 почвенно-топографических профиля с описанием почв и почвообразующих пород.

При полевом обследовании использовали руководства по морфологическому описанию почв [2, 24], название почв давали по трем классификациям: СССР [17] (далее К-1977), России [16, 21] (далее РК-2004(8)) и международной WRB [37] (далее WRB-2015).

Для каждой точки полевого опробования на космическом снимке Pleiades (25.04.2020) с разрешением 0.5–0.7 м в камеральных условиях определяли спектральную яркость с помощью скользящего окна диаметром 15 м (точность привязки на местности GPS-приемника) в 4 каналах: синем, В1 (0.43–0.55 мкм), зеленом, В2 (0.49–0.61 мкм), красном, В3 (0.60–0.72 мкм), ближнем инфракрасном, В4 (0.79–0.95 мкм). Результаты статистической обработки спектральных яркостей (порядка 700 пикселей на точку) представлены в таблицах. Обработку снимка проводили только для почв с открытой поверхностью. Также при работе с космической информацией использовали метод создания спектральных профилей в трех каналах (В1, В2, В3) в программе ENVI 5.1, построенных параллельно графическим почвенно-топографическим профилям, наглядно отражающих объект исследования.

После анализа всего полученного материала были выявлены визуальные и спектральные различия отображения на космическом снимке почв с открытой поверхностью и разными почвообразующими и подстилающими породами.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим изображения почвенно-топографических профилей (катен), построенных по наземным данным и значениям спектральной яркости, взятым с космического снимка. Для характеристики профилей будем использовать средние значения спектральной яркости канала В1, как наиболее контрастного для дифференциации.

Катена 1 расположена на поле, которое с 1985 г. находится в богарном использовании. Распространены почвы светло-каштановые пахотные, легкосуглинистые и супесчаные по К-1977; или разные агроземы по РК-2004(8), или Kastanozems, Arenosols, Cambisols по WRB-2015 (табл. 1). Почвы развиты на разных почвообразующих породах: палево-бурых каменистых суглинках, переслаивающиеся с пестрыми суглинками и песками; каменистых песках и супесях разного цвета (белых, зеленых, красных), двучленных отложениях. Все почвы профиля не вскипают с поверхности и, следовательно, не содержат карбонатный материал в верхних слоях пахотного горизонта.

На космическом снимке почвы профиля с открытой поверхностью имеют неоднородный тон с ажурным светлым рисунком и отдельными яркими светлыми пятнами, что связано с разбросанными по поверхности камнями и выходом песка на поверхность.

Средние значения спектральной яркости возрастают во всех каналах у супесчаных почв (С-452, С-454, С-455, С-456) (700–830 ед.), достигая максимума в точке С-453 (970 ед.), где отмечается выход песка на поверхность. Самую низкую спектральную яркость в катене имеют почвы, где каменистые суглинки подстилаются песками глубже 100 см (С-450, С-451, С-457) (600–775 ед.) (рис. 3).

Рис. 3.

Почвенно-топографический профиль 1: a – космическое изображение почвенно-топографического профиля (Pleiades 25.04.2020); b – схематическое изображение почвообразующих пород профиля; c – спектральное изображение профиля в трех каналах (В1, В2, В3).

Катена 2 заложена на поле, которое также длительное время находится в богарном использовании (с 1985 г.). Почвы светло-каштановые пахотные легко- и среднесуглинистые и светло-каштановые пахотные солонцеватые легко- и среднесуглинистые, а также солонцы каштановые пахотные среднесуглинистые (табл. 2). Почвы залегают на палево-бурых суглинках, подстилаемых с глубины 52 см и глубже зелеными глауконитовыми песками и зелеными суглинками. Одна часть почв профиля не вскипает с поверхности и, следовательно, не содержат карбонаты в верхних слоях пахотного горизонта, другая часть − вскипает.

На космическом снимке в середине и начале катены отмечаются светлые полосы (точка С-437-2, С-433, С-430, С-429, С-426), что связано с наличием карбонатов в верхних горизонтах почв и здесь средние значения спектральной яркости возрастают (600–670 ед.). Почвы, подстилаемые с 50–52 см пестрыми песками и суглинками и не вскипающие с поверхности (С-436, С-432, С-431), также отличаются некоторым повышением яркости, но в меньшем диапазоне (630–650 ед.). Остальные почвы, не вскипающие с поверхности и подстилаемые пестрыми суглинками и песками с 70 см и глубже (С-437, С-435, С-434, С-428, С-427), имеют самый низкий диапазон яркостей в катене (550–620 ед.) (рис. 4).

Рис. 4.

Почвенно-топографический профиль 2: a – космическое изображение почвенно-топографического профиля (Pleiades 25.04.2020); b – схематическое изображение почвообразующих пород профиля; c – спектральное изображение профиля в трех каналах (В1, В2, В3).

Катена 3 заложена на длительно орошаемом поле (с 1985), где орошение было приостановлено только в 2019 г.

Почвы светло-каштановые пахотные карбонатные и светло-каштановые пахотные карбонатные солонцеватые среднесуглинистые на двучленных отложениях: палево-бурых суглинков с камнями, подстилаемые с 30–50 см и глубже пестрыми и зелеными песками и суглинками, местами с гипсом, ржавыми пятнами и камнями. Все почвы вскипают с поверхности, поэтому содержат карбонаты в верхнем горизонте почв. Между разрезами ФР-425 и ФР-438 и южнее последней точки катены (ФР-438) наблюдаются полосы с очень высоким содержанием камней на дневной поверхности.

Почвы на снимке (ФР-420), у которых пестрые пески отмечаются с глубины 70 см и глубже, имеют достаточно однородный и темный тон со средней спектральной яркостью 670 ед. Далее он изменяется на более светлый, с добавлением красноватого оттенка (ФР-421, ФР-422) (750–800 ед.). Почвы с пестрыми суглинками, камнями и гипсом на глубине около 50 см, становятся еще светлее (ФР-423, ФР-424, ФР-425, ФР-438) (800–820 ед.) и достигают самого яркого и светлого тона в той части поля, где камни оказываются на поверхности (1100 ед.) (рис. 5, табл. 3).

Рис. 5.

Почвенно-топографический профиль 3: a – космическое изображение почвенно-топографического профиля (Pleiades 25.04.2020); b – схематическое изображение почвообразующих пород профиля; c – спектральное изображение профиля в трех каналах (В1, В2, В3).

Если проанализировать и округлить (до 10 ед.) среднюю спектральную яркость, взятую со снимка всех представленных точек, то можно составить таблицу ранжирования яркостей почв с открытой поверхностью и их изменения, в зависимости от почвообразующих и подстилающих пород (табл. 4). Видно, что ранжирование яркостей наблюдается во всех 4 каналах. Наибольшую яркость (В1) создают разбросанные по поверхности камни, щебень и песок (970–1100 ед), затем следуют поверхностно-вскипающие почвы с сильнощебнистыми породами на глубине около 0.5 м (810–820 ед.) и супесчаные почвы (710–830 ед.). Вскипающие с поверхности почвы на пестрых суглинках и песках около 0.5 м также имеют достаточно высокую спектральную яркость (670–800 ед.). Но чем глубже в почвах расположены пестрые суглинки и пески, а также если наблюдается отсутствие карбонатного материала в поверхностных горизонтах, тем ниже становится яркость почв на снимке (от 560 до 670 ед.).

Использование такой таблицы позволит более детально подходить к распознаванию почв по материалам космических съемок и разделять поверхностно-каменистые и песчаные почвы от поверхностно-карбонатных почв, отображающихся на снимках пятнистой неоднородностью, но отличающихся спектральной яркостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Внутриполевая неоднородность сельскохозяйственных полей и ее отображение на космической информации в виде светлых пятен и полос может быть связана как с выходом на поверхность и близким залеганием к поверхности (около 0.5 м) каменистых, щебнистых и песчаных почвообразующих и подстилающих пород, так и наличием карбонатного материала в верхних горизонтах почв. Использование космической информации позволяет провести разделение таких почв.

2. Для подробной оценки внутриполевой неоднородности необходимо использовать космическую многозональную съемку сверхвысокого разрешения (до 1 м) и анализировать изображение открытой поверхности почв для разных полей на одном снимке, полученном в одно время и при одних погодных условиях. Предварительно, космический снимок должен пройти радиометрическую калибровку и атмосферную коррекцию для устранения влияния атмосферы и технических помех съемки.

3. Обязательно изучение природных и геологических условий района исследования, истории освоения и использования сельскохозяйственных земель, поскольку выход каменистых, щебнистых и песчаных пород на поверхность или близко к поверхности, эродированность участка, проведение планировки полей, орошение, способ и длительность орошения приводят к внутриполевой неоднородности поверхности поля и влажности почв.

4. Спектральная яркость во всех каналах съемки, отображающая близко залегающие к поверхности геологические породы и поверхностно-карбонатные почвы, имеет схожие, но различимые значения, что позволяет использовать космический снимок для разделения этих объектов. Наибольшую яркость (В1) создают разбросанные по поверхности камни, щебень и песок (970–1100 ед). Визуально на снимке они имеют яркий ажурный или пятнистый рисунок изображения. Далее следуют поверхностно-карбонатные почвы с сильнощебнистыми породами на глубине около полуметра (810–820 ед.) и супесчаные почвы (710–830 ед.). Визуально они также выделяются в виде светлых, но однородных по структуре пятен или полос. Вскипающие с поверхности почвы на пестрых суглинках и вскипающие с глубины ≈50 см на песках имеют спектральную яркость (670–800 ед.) и осветленный фон на снимке. Карбонатные почвы, где пестрые суглинки и пески расположены глубоко (более 70 см), или наблюдается отсутствие карбонатного материала в поверхностных горизонтах, имеют яркость почв от 560 до 670 ед. Для разделения каменистых, песчаных и карбонатных с поверхности почв можно использовать построение спектральных профилей через неоднородные участки или определение и статистическую обработку яркостей почв вокруг точек опробования на снимке.

5. Предложенный метод предполагает использование его при классификации космического изображения для выделения каменистых, песчаных и карбонатных почв. Способ отражает состояние конкретного района исследований, поэтому для расширения географии ее применения требуются дальнейшие исследования.