Horodynamic Mapping of Open Sands in the East of the Stavropol Region

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Северо-восток Ставропольского края с начала XXI века подвержен значительному росту опустыненных территорий, усугубившемуся после 2017 года в связи с изменением климатических условий – учащением и интенсификацией пыльных бурь на всей Прикаспийской низменности (Антонов, 2018, Мелихова, 2023; Юферев и др., 2022; Gontovaya, 2021). Похожие ситуации регулярно наблюдаются также на восточном побережье Каспийского моря – в Атырауской области Казахстана (Ершибулов, 2016). Выявление зависимостей между площадями открытых песков и климатическими условиями является основой прогнозирования их динамики, расчет которой необходим для планирования лесомелиоративных мероприятий, направленных на закрепление подвижных песков и формирование пастбищных угодий на песках для их возвращения в сельскохозяйственный оборот (Лапенко, Хонина, 2022; Саидов и др., 2021). Особенностью протекающих на территории Левокумского и Нефтекумского районов (северо-восток Ставрополья) процессов опустынивания является то, что, несмотря на большое количество исследований, посвященных опустыниванию и изучению динамики площадей открытых песков в пределах Терско-Кумской низменности, как правило, они ограничены административными границами Республик Калмыкия и Дагестан (Кулик и др., 2020). При этом динамика видимой площади открытых песков на этой территории значительна – как в течение года, так и в многолетней ретроспективе (Дорошенко, 2022б).

Восток Ставропольского края является частью древнего скотоводческого региона Кизлярские пастбища, в настоящее время свободные от пашни территории активно используются для овцеводства. При росте площадей открытых песков и закономерном сокращении площадей доступных пастбищ произошло снижение поголовья, которое, впрочем, не может компенсировать возросшую концентрацию животных на сохранившихся кормовых участках (Шинкаренко и др., 2023). Сложившаяся сельскохозяйственная специализация в восточных районах Ставрополья (пастбищные угодья в более засушливой восточной части и высокая степень распашки западнее) не позволяет расширять пастбища для сокращения поголовья на пострадавших от опустынивания участках (Дорошенко, 2023б). Подвергающиеся чрезмерной пастбищной нагрузке территории страдают от сокращения проективного покрытия растительности, которое приводит к росту риска дефляции, а также от т.н. семенного опустынивания – снижения доли ценных кормовых растений в сообществе и их соответствующего недостаточного обсеменения, в результате чего целинные степные и сухостепные сбалансированные фитоценозы заменяются вторичными, составляемыми, в основном, пастбищными сорняками (Лапенко, Хонина, 2022; Кулик, 2004).

Цель исследования заключалась в хородинамическом картографировании качественных смен состояний открытых песков на территории северо-восточной части Левокумского района Ставропольского края с учетом двух климатических сценариев (2022-2023 гг.).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Основу хородинамического картографирования, т.е. картографирования изменений сложных экосистем с использованием материалов съемки за два различных периода, разрабатывали ученые в разных странах (Forman, 1986; Виноградов 1998; Аавиксоо, 1989). При этом выделяются методики отображения количественных и качественных переходов. Нами использована методика отображения качественных переходов или смены состояний Б.В. Виноградова с матричной легендой, отражающей направление перехода. Смена состояний оценивалась как разница между состоянием открытых песков в два соседних месяца и определялась путем проведения оверлейных операций над векторными слоями, содержащими данные о пространственном положении песков. В результате определялись такие переходы: “Пески – Пески”, “Пески - Не пески”, “Не пески – Пески”, “Не пески - Не пески”. Дополнительно картографирование вероятности перехода осложняется значительным влиянием климатических факторов, рассмотренных в работах (Дорошенко, 2022б; Дорошенко, 2023а) – при наличии за рассматриваемый период пыльных бурь и в их отсутствие “поведение” песчаных массивов строго определенное. В связи с этим, хородинамическое картографирование для двух временных срезов (диахроническое картографирование) было проведено для периодов июль-август 2022 г. (состояние открытых песков на 30 июля и 26 августа; “сухой” климатический сценарий) и июнь-июль 2023 г. (состояние открытых песков на 23 июня и 30 июля; “влажный” климатический сценарий), когда были выявлены наибольшие изменения конфигурации массивов открытых песков. “Сухому” сценарию соответствуют высокая ветровая нагрузка (в охваченный период зарегистрирована серия пыльных бурь общей продолжительностью 17 дней) и минимальным количеством осадков (1 мм). “Влажный” сценарий характеризуется минимальной ветровой нагрузкой и значительным увлажнением (35 мм).

Для картографирования открытых песков были использованы мультиспектральные спутниковые снимки “Landsat”, имеющие достаточное пространственное (30 м) и временное разрешение для картографирования динамики такого изменчивого процесса, как открытые пески. Даты съемки для подходящих сцен подбирались максимально близкие к концу каждого рассматриваемого месяца, чтобы оценка площадей открытых песков была максимально объективной. Дешифрирование массивов открытых песков (лишенных растительности) проводилось визуальным (экспертным) способом с использованием комбинации каналов “естественные цвета” (красный-зеленый-синий спектральные каналы), которая обеспечивает достаточную контрастность для дифференциации песков и элементов окружающего ландшафта (Дорошенко, 2022б; Мелихова, 2023). К категории объектов “пески” отнесены также скальпированные участки и деструктивные эколого-морфологические области очагов опустынивания, т.е. все обособленные участки, лишенные растительного покрова (Биарсланов и др., 2023). При повторном дешифрировании учитывалось зарастание песков преимущественно однолетними псаммофитами, как правило, начинающееся с окраин массивов. Поскольку на северо-востоке Ставропольского края широко распространены соровые понижения и солончаки, при дешифрировании также использовались предварительно полученные данные о пространственном положении соровых понижений (Дорошенко, 2022а; Пищулов, 2013) для корректного отделения открытых песков от засоленных участков, которые, в силу схожих спектральных характеристик, могут ошибочно дешифрироваться как пески на спутниковых снимках среднего разрешения (рис. 1). Ключевыми дешифровочными признаками, обеспечивающими дифференциацию открытых песков и засоленных участков, являются цвет и текстура изображения. Цвет соровых понижений может значительно варьировать в течение года в зависимости от освещения, увлажненности поверхности и др. факторов, но при этом сохраняется светлый, вплоть до белого, тон и холодный оттенок (серый или голубоватый), а также гладкая блестящая текстура солевой корки, тогда как открытые пески имеют теплый цвет от белого до желтого и матовой или зернистой текстурой. Также на спутниковых снимках может просматриваться достаточно четкое деление очага опустынивания на эколого-морфологические области и участки зарастания пионерными псаммофитами в межбугровых понижениях, что может быть использовано в качестве косвенных дешифровочных признаков.

 

Рис. 1. Открытые пески и соровые понижения на фрагментах спутникового снимка (от 21.10.2023 г.).

 

Данные о количестве осадков и пыльных бурях были получены с помощью сервиса “Погода и климат” (http://www.pogodaiklimat.ru/) как дни с отметкой о пыльных бурях для метеостанций в г. Арзгир, г. Буденновск и г. Зеленокумск, находящихся западнее территории исследования, а также метеостанции в г. Южно-Сухокумск, находящейся восточнее (Ногайский район Республики Дагестан). Т.к. во время пыльных бурь преобладают восточные ветра (Дорошенко, 2023в) западное расположение метеостанций наиболее выгодно для оценки их динамики.

Обработка растровых материалов спутниковой съемки и их дешифрирование, а также формирование картографических материалов проводились в программной среде ГИС “QGIS 3”, статистическая обработка полученных данных проводилась в среде “MS Excel”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ климатических данных показал, что в 2022 г. зарегистрировано 14 пыльных бурь общей продолжительностью 29 дней; скорость ветра варьировала от 5 до 29 м/с, преобладающим направлением ветра было восточное (Дорошенко, 2023в). Особенностью воздействия пыльных бурь на массивы открытых песков является то, что при последовательных пыльных бурях принесенный ветром ранее материал может подвергаться повторному выдуванию, что приводит к дальнейшему нарастанию площади открытых песков. Похожая ситуация могла наблюдаться в исследуемый период конца июля - конца августа 2022 г., когда были зарегистрированы три пыльные бури с минимальными по продолжительности перерывами: с 10.08 по 15.08 (6 дней), 18.08 и с 20.08 по 28.08 (9 дней) со средней скоростью ветра 13.2 м/с при выпадении 1 мм осадков. Такие серии бурь наиболее опасны с точки зрения дефляции, но при этом достаточно редки. В 2023 г. климатические условия резко отличались – так, на выбранных метеостанциях не было зафиксировано ни одной пыльной бури, только 6 эпизодов фиксации пыльного поземка в весенний и летний период на метеостанции в г. Буденновск. Для оценки возможности возникновения пыльной бури используется критическая скорость ветра (7 м/с как среднее для песков и легких почв (Дорошенко 2023а; Кулик, 2004)), но в 2023 г. почти три четверти (72%) всех дней, когда скорость ветра достигала критической отметки, были дождливыми либо критическая скорость ветра отмечалась после выпадения осадков (в течение нескольких часов или на следующий день), что исключает возможность эолового переноса частиц песка или почвы. Годовое количество осадков в 2023 г. почти на 100 мм превышало сумму осадков 2022 г. (315 и 233 мм соответственно), что также не могло не сказаться на динамике площадей открытых песков. Так, для исследуемого периода конец мая – конец июня 2023 г. скорости ветров достигали 12–18 м/с, но только во время дождей, в том числе, ливневых – всего за период 24.05–23.06 выпало 100 мм осадков. Вместе с минеральными частицами во время сильных ветров также переносятся семена растений, что способствует быстрому и интенсивному зарастанию песчаных массивов различными пионерными псаммофитами при возникновении подходящих условий – снижении ветровой нагрузки и достаточном увлажнении.

По результатам дешифрирования составлены тематические векторные слои, содержащие данные о пространственном положении массивов открытых песков на территории Левокумского района. По общим суммам этих площадей за каждый рассматриваемый месяц (табл. 1) заметна тенденция к значительному сокращению видимых площадей открытых песков в 2023 году в условиях отсутствия пыльных бурь и высокой влажности грунта при критических скоростях ветров. В 2022 году выявлена сильная положительная связь (r = 0.83) между количеством дней с зарегистрированными пыльными бурями и приростом площадей открытых песков (Дорошенко, 2023а).

 

Таблица 1. Количественные показатели дешифрирования ежемесячного состояния открытых песков в 2022–2023 гг.

Площадь песков, тыс. га	Март	Апрель	Май	Июнь	Июль	Август	Сентябрь	Октябрь
2022	29.5	21.4	18.2	15.4	20.4	45.0	41.6	45.4
2023	30.4	25.9	23.9	19.9	6.3	5.6	5.6	5.6

 

На основе имеющихся данных о динамике песчаных массивов на тестовом участке, включающем в себя наиболее динамичную в отношении площадей открытых песков часть Левокумского района (рис. 2) на северо-востоке Ставропольского края, составлены диахронические схемы смен состояния открытых песков по “сухому” (рис. 3) и “влажному” сценариям (рис. 4).

 

Рис. 2. Схема пространственного положения тестового участка.

 

Рис. 3. Схема качественных переходов состояния открытых песков в июле-августе 2022 г. (“сухой” климатический сценарий).

 

Рис. 4. Схема качественных переходов состояния открытых песков в июне-июле 2023 г. (“влажный” климатический сценарий).

 

В июле-августе 2022 г. под воздействием пыльных бурь площадь открытых песков увеличилась в 1.9 раза, т.е. переходу “Не пески – Пески” было подвержено 19.6 тыс. га, а переход “самих в себя” (“Пески – Пески”), т.е. сохранение класса выявлено на площади 17.1 тыс. га (рис. 5). Высокая ветровая нагрузка значительно ухудшает условия вегетации растительности и препятствует зарастанию песков (Биарсланов и др., 2023). При этом выявлен также переход “Пески - Не пески” на площади 1.9 тыс. га, связанный с очисткой соровых понижений от нанесенного ранее слоя песка, а также с зарастанием деструктивных областей очагов опустынивания. Площади, не занятые песками, занимали около 55% общей площади тестового участка.

 

Рис. 5. График площадей категорий (а) и их долей в общей площади тестового участка (б) (категории: I – “Пески – Пески”, II – “Пески – Не пески”, III – “Не пески – Пески”, IV – “Не пески – Не пески”).

 

В июне-июле 2023 г. ситуация обратная – прирост площади песков (переход “Не пески – Пески”) зафиксирован на площади 13 га, неизменные площади песков составляют 5.7 тыс. га, тогда как зарастающие пески занимают почти 13 тыс. га. Всего не занятые песками участки составляют более 75% тестового участка.

Полученные результаты демонстрируют закономерную динамику открытых песков – увеличение их площади при низком количестве осадков и высокой ветровой нагрузке и резкое сокращение при увеличении количества осадков (Биарсланов и др., 2023; Дорошенко, 2023а; Юферев и др., 2022). Использование двух временных срезов в комплексе с метеорологическими данными позволяет выявить основные факторы, тогда как расширение временного ряда потенциально может позволить выявить песчаные массивы, площадь которых превышает возможности самозарастания.

При этом необходимо отметить, что полноценное зарастание образовавшихся на территории Левокумского района песчаных массивов естественным путем с формированием сбалансированных растительных сообществ, сходных с исконными для сухой степи, представляется маловероятным в связи с большой мощностью песчаных наносов; дополнительным осложняющим фактором является крайне высокая степень минерализации грунтовых вод и сохраняющаяся пастбищная нагрузка (Шаповалов и др., 2020). Также влияние на этот процесс оказывает развивающееся семенное опустынивание – доля многолетников в растительных сообществах значительно сократилась, в настоящее время пионерными растениями на песках являются солянка сорная (Salsola tragus L.), кумарчик (Agriophyllum squarrosum L.), паслен рогатый (Solanum rostratum Dunal), т.е. однолетние растения, в т.ч. способные образовывать форму “перекати-поле” (Лапенко и др., 2020).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работ по хородинамическому картографированию открытых песков на тестовом участке на северо-востоке Ставропольского края (Левокумский район) получена векторная маска пространственно-временного распределения открытых песков и зарастающих участков, а также составлены схемы смен качественных состояний песчаных массивов в зависимости от климатических сценариев (на основе временных срезов 2022 и 2023 года).

Методика диахронического картографирования с использованием оверлейных операций показывает хорошие результаты при наличии корректных данных о пространственном размещении открытых песков, получение которых обеспечивается применением методики визуального дешифрирования материалов ДЗЗ. Полученные данные и опыт диахронического картографирования для составления прогнозов могут быть использованы при планировании лесомелиоративных мероприятий, направленных на борьбу с последствиями пыльных бурь и закрепление подвижных песков для восстановления утраченных пастбищных угодий, например, путем создания лесопастбищ или с применением метода агростепи, поскольку позволяют анализировать переходы состояний открытых песков и влияющие на этот непрерывный процесс факторы. Использованная методика свободно может применяться в других аридных регионах с условием тщательной обработки климатических данных для выявления режима пыльных бурь и определения преобладающего направления ветров.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках государственного задания ФНЦ агроэкологии РАН НИР FNFE-2024-0009 “Опустынивание территорий аридных, субаридных и сухих субгумидных регионов, картографирование современного состояния и динамики опустынивания земель, моделирование и прогнозирование процессов опустынивания, для планирования восстановления деградированных земель с применением геоинформационных технологий и аэрокосмических методов в условиях усиливающихся засух, песчаных и пыльных бурь”.

About the authors

V. V. Doroshenko

Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Center of Agroecology, Complex Melioration and Protective Afforestation of the Russian Academy of Sciences” (FSC of Agroecology of the RAS)

Author for correspondence.
Email: doroshenko-vv@vfanc.ru
Russian Federation, Volgograd

References

Supplementary files