Анализ многолетних трендов вегетации озимых культур с целью выявления признаков деградации почв пахотных земель

Длительное снижение продуктивности растительного покрова на пахотных землях может быть связано как с деградационными процессами в почве, так и с погодными условиями, структурой посевов и изменениями агротехнологий. Поэтому анализ абсолютных значений нормализованного разностного вегетационного индекса (NDVI) недостаточен: межгодовую динамику целесообразно оценивать относительно локального фона, объединяющего территории со сходными административными и почвенными условиями. NDVI широко используется как спутниковый показатель состояния растительности [1].
Цель работы состояла в разработке воспроизводимой схемы выявления пахотных полей с устойчивым ухудшением состояния озимых культур. Исследование выполнено для Ставропольского края и Волгоградской области по рядам сезонного максимума NDVI и ежегодным маскам озимых культур за 2003-2025 гг. В анализ включены 143 661 поле: 104 548 в Ставропольском крае и 39 113 в Волгоградской области.
Для учёта смешанных граничных пикселей использовались точные доли пересечения пикселей с контурами полей. Поле считалось занятым озимыми в конкретном году при покрытии маской не менее 50% его площади. Средний NDVI рассчитывался по всему валидному контуру такого поля; годовое наблюдение принималось при наличии не менее одного эквивалентного пикселя и покрытии валидными данными не менее 50% площади. Локальный фон формировался отдельно для каждого сочетания муниципального района, укрупнённой группы почв и года. Для поля определялись процентные отклонения от локальных медианы и среднего, а также z-оценка на основе медианы.
Были рассчитаны тренды значений NDVI, а также тренды отклонений от нормы. Скорость изменения оценивалась методом Тейла-Сена [3], а статистическая значимость – двусторонним критерием Манна-Кендалла [2]. Кандидатами считались поля с p <= 0,01 для тренда z-оценки и отрицательными наклонами трёх нормализованных показателей. Временную устойчивость проверяли последовательным исключением каждого наблюдавшегося года.
Хотя бы одно значение максимума NDVI озимых получено для 90 313 полей, а не менее семи наблюдений одновременно – для 49 876 полей. Правилу отбора соответствовали 528 полей, в том числе 449 в Ставропольском крае и 79 в Волгоградской области. После проверки с исключением одного года 525 полей сохранили отрицательное направление всех трёх трендов.
Разработанная схема позволяет перейти от пиксельных аномалий к перечню полей с устойчивым снижением вегетационных показателей относительно локального фона. Выявленные участки следует рассматривать как приоритетные объекты для проверки по почвенным, урожайным и агротехнологическим данным. Полученный спутниковый сигнал характеризует состояние растительности, но сам по себе не доказывает деградацию почв и не позволяет отделить её от изменений землепользования, погодных условий и технологии возделывания.
Работа выполнена в рамках темы «Мониторинг» (госрегистрация № 126031818938-6) c использованием возможностей УНУ ВЕГА-Science [5], входящей в Центр коллективного пользования «ИКИ-Мониторинг» [6].