Проблемы оценки эрозионной деградации пашни по многолетним композитам открытой почвы при внедрении почвосберегающей обработки

Водная эрозия почв является ключевым фактором деградации сельскохозяйственных земель в России и мире в целом. Настоящее исследование направлено на разработку подхода к автоматизированному картографированию эродированных почв пашни по их спектрально-отражательным свойствам (на примере Республики Татарстан). В основе подхода лежит анализ спектральных каналов и почвенных индексов многолетних композитов открытой почвы Landsat c опорой на 980 точек наземного почвенно-эрозионного обследования 80–90-х гг. XX века, где по мощности почвенного профиля были определены категории эродированности. При анализе учитывали подтип почв (разделение на 6 страт моделирования по почвенным группам со специфическими оптическими свойствами поверхности), а также морфометрические параметры рельефа. Использовали алгоритм машинного обучения – градиентный бустинг CatBoost с последующей изотонической калибровкой отдельно для каждой почвенной группы и классификацией по степени эродированности (несмытые, слабо-, средне- и сильносмытые почвы). На первом этапе стояла задача смоделировать контуры эродированных почв на период, соответствующий почвенной съемке, для чего был получен безоблачный композит открытой почвы за 1985–1995 гг. с разрешением 30 м. Моделирование показало, что общая точность классификации составила 64%, несмытые, средне- и сильносмытые почвы распознались с точностью 73, 66 и 86% соответственно, в то время как слабосмытые почвы не смогли быть надежно идентифицированы. На втором этапе ставили задачу сравнить изменение эродированности через 30 лет путем экстраполяции модели на современный композит открытой почвы 2015–2025 гг. Учитывая факт активной динамики землепользования в Татарстане (массовое забрасывание и возврат в распашку), оценку проводили в границах маски стабильной пашни. Также для корректного сопоставления изображений выполнили калибровку сенсоров OLI к TM на общий спектральный сдвиг по эталонам несмытых почв водоразделов (где эрозия условно отсутствует). При анализе площадной статистики обнаружили заметный прирост эродированности на черноземах и темно-серых лесных почвах, причем даже не склонах до 1 градуса, что противоречит факту эрозионной «стабильности» данных участков. В результате проверки было установлено, что «осветление» почв детектируется массово, причем в границах отдельных полей (сохраняется геометричность светлых пятен в границах полей на фоне стабильно темных участков). Был сделан вывод, что изменение спектральных свойств пашни, имеющее общие признаки с ростом эродированности, в действительности связаны с почвосберегающими приемами обработки почв в Республике Татарстан, активно внедряемыми с 2005 года (безотвальная вспашка, мульчирование, сидеральные пары, нулевая обработка). Новые способы зяблевой вспашки, направленные на сохранение плодородия почв, подразумевают частичное или полное оставление по почве пожнивных остатков, что делает невозможным получение чистого композита открытой почвы, а следовательно, и анализа ее спектральных свойств. Был сделан вывод, что применение модели на современный период оправдано только локально на участках без существенной смены системы земледелия, но сплошная оценка площадей эродированности в республиканском масштабе не возможна. Возникшая проблема с масштабированием модели эродированности требует проработки в направлении получения новых полевых эталонов с учетом современных практик обработки почв.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-27-00145, https://rscf.ru/project/25-27-00145/