Использование спутниковой информации для оценки распределения пахотных земель и их состояния на водосборе р. Чир

Русловые водохранилища юга России находятся в зоне интенсивного земледелия, что негативно сказывается на экологическом состоянии водоемов за счет поступления с прилегающих территорий твердых взвесей и загрязняющих веществ. Использование спутниковых снимков и ГИС-технологий позволяет решить ряд актуальных задач: осуществить инвентаризацию сельскохозяйственных земель, оценить их пространственное размещение, современное состояние, выявить степень эрозионной деградации пашен и определить потенциальную опасность для заиления рек и приемных водоемов [Синельникова, 2022; .Шаврак, 2011; Топтыгин, 2018].
В работе представлен опыт использования КС для изучения распределения и состояния пахотных земель в границах водосборной территории реки Чир, самого крупного правого притока Цимлянского водохранилища. Его длина составляет 317 км, а площадь водосбора по разным данным от 9580 до 10500 км2 [Гидрометеорологический…1977; Вода России…,]. Территория водосбора расположена в Ростовской и Волгоградской областях, характеризующихся высокой степенью сельскохозяйственной освоенности.
Основной целью проводимых исследований являлось изучение структуры природопользования на всей водосборной территории реки Чир и проведение дифференцированной оценки сельскохозяйственной нагрузки на его частные водосборы. Пахотные земли, занимающие значительные площади в границах водосбора, оказывают существенное влияние на состояние водных объектов, их заиление, загрязнение, зарастание и пр., поэтому оценка площадей и состояния сельхозугодий является весьма актуальной.
На первом этапе с помощью изображения ИСЗ landsat-8 от 10.06.2022 выполнено обновление содержания топографической карты масштаба 1:200 000 по следующим направлениям: установлено современное состояние речной сети водосборной территории р. Чир и определены водораздельные границы частных водосборов; выделены границы пахотных земель, не показываемые на топографических картах; уточнены границы сохранившихся лесных массивов и защитных лесополос. Все работы выполнялись в геоинформационной программе Quantum GIS.
На втором этапе для получения сведений о рельефе водосбора была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) водосбора р. Чир на основе SRTM 1 arc Second (Shuttle radar topographic mission) 2014 г. с разрешением пиксела 30 м, размещенной на сайте EarthExplorer Геологической службы США. При создании карт средних масштабов (около 1:1000 000) эта матрица позволяет наиболее точно отобразить особенности рельефа водосбора в целом и выявить пространственную структуру проявлений эрозионно-аккумулятивных процессов [Жидкин и др. 2021]. Базовая карта рельефа водосбора р. Чир построена в масштабе 1: 850 000, с высотой сечения рельефа 20 м.
На третьем этапе была решена задача дифференцирования пахотных земель на три категории: возделываемые неэродируемые, возделываемые эродируемые и невозделываемые (зарастающие). Из всех основных процессов деградации пахотных земель юга России (эрозия, дефляция, засоление и пр.) в бассейне р. Чир наиболее развита водная эрозия [Косенко, 2023], которая на разных стадиях развития уверенно распознается при визуальном дешифрировании спутникового изображения. Обнаружение зарастающих пашен довольно сложная задача, различные методы ее решения рассмотрены в работах [Барталев и др., 2016; Дмитриев и др., 2022]. В нашем случае для водосбора р. Чир зарастающие на протяжении нескольких лет невозделываемые пашни визуально распознавались на космическом изображении landsat-8 по наличию отдельных кустарников или их куртин. В качестве вспомогательного метода распознавания залежных пашен использовалась автоматизированное преобразование космического снимка по результатам расчета вегетационного индекса NDVI, где оранжевым цветом отображались пашни, возделываемые в данный момент, темно-зеленым - пашни, засеянные сельскохозяйственными культурами, светлым или бледно-зеленым - зарастающие пашни.
На последнем этапе была составлена итоговая карта структуры землепользования водосбора р. Чир. Расчеты показали, что 70% всей площади водосбора занято возделываемыми пахотными землями, из которых 54% занят пашнями с эрозией и 7% без эрозии, зарастающие пашни занимают 9%, на долю лесного фонда (включая лесополосы) приходится 4%,водного фонда 1%, земли поселений занимают 2% и на оставшиеся категории земель приходится 23%. Для каждого частного водосбора подсчитана доля возделываемых и зарастающих пашен, определены водосборы с минимальной (30%) долей пашен с эрозией и максимальной (65%), нуждающихся в экологической реабилитации.
Полученные результаты наглядно показали высокую степень интенсивности эрозионных процессов агроландшафтов на водосборе реки Чир и, как следствие, формирование большого объема выноса твердых взвесей с пашен, высокую степень риска деградации речной сети, заиления и зарастания устьевых областей и прибрежной зоны водохранилища. Подобное исследование для данного водосбора проведено впервые.
Работа выполнена в рамках государственного задания темы № FMWZ-2022-0002 ИВП РАН Министерства науки и высшего образования РФ