Старт в науке
Научный журнал для школьников ISSN 2542-0186
О журнале Выпуски Правила Олимпиады Учительская Поиск Личный портфель

ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ЭРОЗИОННО-ОПАСНЫХ УЧАСТКОВ ПОЧВ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

Маклеев О.В. 1
1 г. Казань, МБОУ СОШ № 175, 11 класс
Терёхин А.А. (Казань, старший преподаватель кафедры «Геофизика и геоинформационные технологии» К(П)ФУ, педагог дополнительного образования, г. Казань, МБУДО «Центр детского творчества Танкодром» Советского района)
1. Бараев А.И. и др. Почвозащитное земледелие. – М., 1975.
2. Бутаков Г.П. Анализ скоростей овражной эрозии в различных условиях востока Русской равнины / Г.П. Бутаков, Г.А. Бабанова, А.П. Двинских, Н.Н. Назаров, И.И. Рысин / в сб. науч. тр.: Количественный анализ экзогенного рельефообразования / Под ред. А.М. Трофимова. – Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1987. – С. 77–89.
3. Географический анализ овражно-балочных систем в пределах Татарской АССР / А.В. Ступишин, В.А. Дуглав, Н.Н. Лаптева. – Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1980. – 152 с.
4. Заславский М.Н. Эрозия почв. – М.: Мысль, 1979.
5. Зорина Е.Ф. Овражная эрозия: закономерности и потенциал развития. – М.: ГЕОС, 2003. – 169 с.
6. Зорина Е.Ф. Расчетные методы определения потенциала овражной эрозии // Эрозия почв и русловые процессы. 1979. – Вып. 7. – С. 81–90.
7. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П. Эрозия и охрана почв. – М.: Изд-во МГУ, Колос, 2004. – 352 с.
8. Кузнецов М.С., Глазунов Г.П., Григорьев В.Я. Прогнозирование и предупреждение эрозии и дефляции почв. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 104 с.
9. Лопырёв М.И. Почвозащитная организация территории склонов. – Воронеж: Центрально-чернозёмное книж. изд-во, 1977.
10. Лопырёв М.И., Рябов Е.И. Защита земель и охрана природы. – М.: Агропромиздат, 1989. – 240 с.
11. Миронова Е.А., Сетунская Л.Е. Некоторые результаты изучения интенсивности роста оврагов на Приволжской возвышенности. // Геоморфология. – 1974. – № 3. – С. 74–82.
12. Овражная эрозия востока русской равнины / под. Ред. А.П. Дедкова. – изд-во казанского университета, 1990. – 140 с.
13. Панков М.А. Почвы южных склонов Каржан-Тау и их эрозия Серия: Труды академии наук СССР. Узбекист.фил. Сер.10. Почвоведение Издательство: Изд-во УзФАН, 1942.
14. Сильверстов С.И. и др. Районирование территории СССР по основным факторам эрозии. – М., 1965.
15. Траков Г.В. Эрозионная устойчивость рельефа и противоэрозионная защита земель. – Брянск: БГПИ, 1993. – 260 с.
16. Физическая география и геоморфология Среднего Поволжья: Сб. науч. тр. – Казань: Изд-во Казанск. ун-та, 1972. – 147 с.
17. URL: http://greenplaneta.3dn.ru.
18. URL: http://mse-online.ru/zemledelie/prichiny-erozii-pochv.html.
19. URL: http://www.pandia.ru/378276/
20. URL: http://www.ecology-portal.ru/publ/13-1-0-821.
21. URL: http://urozhayna-gryadka.narod.ru/erozia.htm.
22. URL: http://geomod.rsu.ru/
23. URL: http://alivepage.ucoz.ru/load/1-1-0-1.
24. URL: http://silgosp.com/books/book-8/chapter-613/
25. URL: http://scout-kg.narod.ru/library/l_geoek.zemlia.i.nedri.html.
26. URL: http://www.soil-science.ru/

Возникновение и развитие научной мысли об эрозии почв и противоэрозионной защите имеет многовековую историю. Ещё до нашей эры в ряде районов древнего земледелия проявлялась эрозия и меры борьбы с ней. Известны террасы на крутых склонах, построенные в III–IV вв. до н.э. Косвенные данные о проявлении эрозии на территории нашей страны имеются у Геродота (484–425 до н.э.), который отмечал мутность рек Скифии. Сведения об оврагах на территории России содержались в летописях XIV в. в Писцовых книгах XVI в. Приводились количественные характеристики наличия «смойных земель». Можно выделить три этапа развития в нашей стране науки об эрозии почв и мерах по её предупреждению: первый – до 1917 г.; второй – с 1917 по 1967 г. и третий – после 1967 г.

Почва играет важнейшую роль в природных ландшафтах и в экосистемах. Она является важнейшим блоком экосистем, выступает как фактор плодородия для растений и как самая насыщенная организмами среда. Нигде более нельзя встретить такой плотности биоты, как в почве. Именно здесь постоянно идут процессы жизнедеятельности сотен тысяч видов растений, животных, бактерий, грибов. Именно в почве берут своё начало практически все пищевые цепи, забирая из неё минеральные вещества и создавая из них органику, и здесь же они заканчиваются, замыкая круговорот веществ в природе. Имеются данные, что, если сейчас на каждого жителя планеты приходится в среднем по 0,28 га плодородной земли, то к 2030 г. такая площадь сократится до 0,19 га. (Заславский, 1979).

Сельскохозяйственное производство на большей части территории России ведется в сравнительно неблагоприятных климатических и почвенно-гидрологических условиях. И главными бедами являются эрозия почв и засухи. Эрозия – естественный геологический процесс, который нередко усугубляется неосмотрительной хозяйственной деятельностью. Более 54 % сельскохозяйственных угодий и 68 % пашен в настоящее время эродировано или эрозионно-опасно. На таких землях урожайность снижается на 10-30 %, а порой и на 90 %. Оврагами разрушено 6,6 млн га земель (Овражная эрозия…, 1990). С их ростом площадь пашни ежегодно сокращается на десятки тысяч гектаров, а площадь смытых земель увеличивается на сотни тысяч. Каждую весну с таянием снегов сначала маленькие ручейки, а затем и шумные потоки устремляются по склонам в низины, смывая и унося с собой оттаявшую почву. При бурном снеготаянии в почве появляются промоины – начало процесса образования оврагов. Овраги, веером расходясь от центрального «стержня» – балки, разрушают поля, луга, перерезают дороги. Нередко длина балки достигает десятков километров, а оврагов – нескольких километров. Вовремя не остановленный овраг растет вглубь и вширь, захватывая все больше и больше плодородной земли. Чаще всего овраги зарождаются на склоновых пастбищах с сильно изреженным травостоем. Однако там, где хорошо развит травостой, даже на очень крутых склонах, новые овраги, как правило, не образуются. К тому же, создание хорошего растительного покрова, способствует резкому повышению продуктивности всех земель.

Другая беда – ветровая эрозия, вызываемая пыльными бурями. Ветер поднимает тучи пыли, почвы, песка, мчит их над широкими степными просторами, и все это оседает толстым слоем на землю и поля. Отличие ветровой эрозии от водной выражается в том, что первая не связана с условиями рельефа. Если водная эрозия наблюдается при определенном уклоне, то ветровая может наблюдаться даже на совершенно выровненных площадках. При водной эрозии продукты разрушения перемещаются только сверху вниз, а при ветровой – не только по плоскости, но и вверх. Важным отличием этих двух типов эрозии является то, что при ветровой эрозии происходит выдувание лишь механических элементов почвы, а при водной – не только смываются частицы почвы, но одновременно происходит растворение в текущей воде питательных веществ, их удаление.

При интенсивной эрозии промоины, рытвины, овраги превращают сельскохозяйственные угодья в неудобные земли, затрудняют обработку полей. Смываемый слой почвы выносится в реки и водоемы, вызывает их заиливание. Разрушительная эрозия возникает и развивается при отсутствии или слабой защищенности почвы культурными сельскохозяйственными растениями от воздействия (ударов) дождевых капель, ливневых струй и талых вод. В связи со смывом минеральных элементов, усилением почвенной засухи, ухудшением физических свойств почв, снижением их биологической активности на склонах с эродированными почвами резко снижается урожай возделываемых культур.

Почва, как и большинство других естественных экосистем, имеет очень большую устойчивость и «запас прочности». Она может выдержать значительные внешние воздействия и эффективно после них восстанавливаться. Однако в настоящее время она не в силах справиться с той нагрузкой, что обрушивает на неё человеческая цивилизация. Именно поэтому, к деградации почв (земель) ведут причины преимущественно антропогенного характера.

Цель работы: оценка эрозионной опасности почв в Республике Татарстан с использованием методов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Для достижения поставленной цели мы определили следующие задачи:

1) Создать цифровую модель рельефа (ЦМР) Республики Татарстан на основе данных радарной съёмки поверхности Земли SRTM3.

2) Разработать методику оценки эрозионной опасности почв и земель с использованием ЦМР РТ.

3) Выполнить оценку эрозионной опасности почв и земель РТ с учетом климатических факторов.

Актуальность: Современный этап развития общества характеризуется значительными темпами и масштабами преобразования природной среды. Оценка эрозионной опасности почв и земель необходима для прогнозов возможного разрушения и разработки мер по предотвращению эрозии. Оценка эрозионной опасности почв важна при прогнозе потенциальной энергии эрозионных процессов и планирования противоэрозионных мероприятий.

Практическая значимость: Результаты исследования могут быть использованы для экспресс-оценки эрозионной опасности любой территории, для которой построена цифровая модель рельефа.

Экологические риски: Основные экологические риски – нерациональная хозяйственная деятельность, которая активизирует естественные эрозионные процессы, доводя их до разрушительной стадии. Ускоренная эрозия является следствием интенсивного использования земли без соблюдения противоэрозионных мероприятий (распашка склонов, сплошная вырубка лесов, нерациональное освоение девственных степей, неурегулированный выпас скота, приводящий к уничтожению естественной травянистой растительности).

Методика определения эрозионной опасности

Почвоведение имеет в своем распоряжении четыре основных метода: сравнительно-географический, сравнительно-аналитический, стационарный и моделирование.

Наиболее быстрыми темпами развиваются в настоящее время методы моделирования. Это обусловлено теми преимуществами, которые возникают вследствие замены реального объекта исследования его более простой моделью.

Для целей сельского хозяйства важно знать возможный ущерб от эрозии и возможные пути ее предупреждения, поэтому задачей прогноза является предсказание возможных потерь почвы. Для экологической безопасности важно знать не только объем потерь почвы, но и пути ее переноса, места отложения и химический состав продуктов эрозии. Для промышленности важно знать предстоящий спрос на противоэрозионную сельскохозяйственную технику, поэтому задачей прогноза является определение площадей эродируемых почв. Перечисленные отрасли далеко не исчерпывают весь список возможных потребителей эрозионных прогнозов, число которых, несомненно, резко возрастет с увеличением оправдываемости таких прогнозов.

Одним из объективных является метод, при котором отдельные факторы эрозии почв оценивают в баллах. Итоговую оценку опасности дают на основе сравнения балльных оценок. Недостатком такого полуколичественного метода является субъективизм в выборе шкалы для оценки отдельных факторов.

Методика исследования

Основываясь на данных о развитии эрозионных процессов и с учетом рассмотренных методик определения эрозионно-опасных участков мы считаем, что основной фактор развития водной эрозии – уклон местности, который в свою очередь связан с рельефом и, поэтому, для оценки эрозионно-опасных участков этот фактор должен быть проанализирован в первую очередь.

Для создания ЦМР Республики Татарстан мы использовали данные проекта SRTM3 (рис. 1), которые находятся в открытом доступе в сети интернет. Необходимые номера листов данных для скачивания по территории РТ мы определили, используя номенклатуру проекта доступную с помощью сервиса Google Earth (рис. 2). Данные были получены в формате geotiff в системе координат WGS 84. Для РТ были выбраны 4 листа данных SRTM3. Далее нами было проведено перепроецирование в метрическую систему координат, чтобы иметь возможность рассчитывать морфометричесие параметры овражно-балочных систем. Затем все 4 листа были объединены в единую мозаику (рис. 3), которая в дальнейшем была обрезана по границе РТ. В итоге мы получили цифровую модель рельефа РТ (рис. 4), на основе которой проанализировали эрозионную опасность почв РТ. Анализ проводили по классификации разработанной нами на основе по методике А.Е. Сетунской (Миронова Е.А., Сетунская Л.Е., 1974) (таблица).

mak1.tif

Рис. 1

mak2.tif

Рис. 2

mak3.tif

Рис. 3

mak4.tif

Рис. 4

Оценка степени эрозионной опасности по количественным показателям

Балл

Степень эрозионной опасности

Количественные показатели, град.

1

Слабая эрозионная опасность

0–3

2

Умеренная эрозионная опасность

4-5

3

Сильная эрозионная опасность

6-10

4

Значительная эрозионная опасность

10 и более

На основе карты рельефа, используя инструмент пространственного анализа «уклон» мы рассчитали карту уклонов местности в градусах (рис. 5–6).

mak5.tif

Рис. 5

mak6.tif

Рис. 6

Затем карта уклона была проанализирована по предложенной нами классификации с целью определения эрозионной опасности территории.

В качестве количественных характеристик, позволяющих оценить масштабы развития овражно-балочной сети, были выбраны следующие:

– коэффициент овражно-балочного расчленения Кобр (Зорина, 1979, 2003)

– протяженность склонов.

Результаты исследования

Основываясь на предложенной классификации, нами были выделены области, характеризующие эрозионную опасность территории РТ (рис. 6). Для уточнения нашей модели эрозионной опасности мы привлекли к анализу данные о длине склонов и количестве осадков. Длина склонов определялась по спутниковым снимкам с геопривязкой в ArcGis, а данные о количестве осадков были получены в Мировом центре данных по метеорологии. К сожалению, не все метеостанции, расположенные на территории РТ представлены в Мировом центре метеорологических данных. Мы использовали данные 4х метеостанций (рис. 9). Анализируя карту уклонов совместно с длиной склонов и количеством атмосферных осадков, нами проведено районирование территории РТ по классам эрозионной опасности (рис. 10), что является главным результатом нашего исследования.

Для оценки овражно-балочной сети нами были выбраны три характерных водораздела в пределах ранее выделенных областей характеризующих эрозионную опасность и для них посчитаны Кобр (рис. 7).

mak7.tif

Рис. 7

mak8.tif

Рис. 8

mak9.tif

Рис. 9

Длина склонов, как и ожидалось, оказалась наименьшей до 50 метров в областях с сильной эрозионной опасностью и наибольшей до 1000 м. с сильной эрозионной опасностью.

Для расчета нами были оцифрованы тальвеги оврагов и балок и водосборные бассейны, что позволило с помощью инструментов пространственного анализа определить длину оврагов и балок, а также площадь водосборов. Всего было оцифровано 712 объектов.

Далее используя известные формулы, на основании полученных нами данных была определена густота овражно-балочной сети (рис. 8). Этот параметр позволил нам уточнить проведенное ранее районирование по классам эрозионной опасности в северной части РТ.

Для оценки скорости развития овражной эрозии нами была выбрана область размером 3х3 км неподалеку от г. Нижнекамск (рис. 11) в пределах которой были проанализированы путем наложения друг на друга космические снимки этой территории с датой съемки 2002 г. и 2015 г. В результате анализа нами установлено, что овраги на исследуемой территории растут со средней скоростью 2-3 м в год, а ширина оврагов наиболее интенсивно увеличивается ближе к вершине оврага и практически не изменяется от середины до устья (рис. 12–13). Такая картина вполне вписывается в нашу классификацию эрозионной опасности. Рассматриваемый участок относится к 3 классу – процессы овражной эрозии развиваются со средней скоростью ввиду относительно небольших длин склонов.

mak10.tif

Рис. 10. Районирование территории РТ по классам эрозионной опасности

mak11.tif

Рис. 11. Район исследования развития овражной эрозии по ДЗЗ

mak12.tif

Рис. 12. Зеленым показаны вершины оврагов по состоянию на 2002 год, красным на 2015 год, линиями показана ширина оврага

mak13.tif

Рис. 13. Зеленым показаны вершины оврагов по состоянию на 2002 год, красным на 2015 год

В целом, разработанная нами экспресс методика выделения эрозионно-опасных участков почв с использованием ДЗЗ состоит из следующих шагов.

1. Создание цифровой модели рельефа местности.

- пространственное геодезическое ориентирование этой модели;

- создание нескорректированной цифровой модели рельефа;

- редактирование, коррекция и контроль точности ЦМР, результатом которого является получение готового продукта.

2. Расчет уклона местности, коэффициентов овражно-балочной расчлененности и длин склонов в любой современной ГИС-системе (нами была использована платформа ArcGis 10.2).

3. Оценка эрозионной опасности по предложенной нами классификации в зависимости от углов наклона земной поверхности, длин склонов и количества осадков.

Заключение

Создание и развитие космических средств и технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является уже в настоящее время одним из важнейших направлений применения космической техники для социально-экономических и научных целей. Данные ДЗЗ – важный инструмент для решения практических задач государственного, регионального и местного управления.

В результате проведенного нами исследования на основе данных дистанционного зондирования Земли было выполнено ранжирование территории Республики Татарстан по степени опасности развития эрозионных процессов на основе данных дистанционного зондирования Земли с помощью геоинформационных технологий.

Была предложена классификация определения эрозионной опасности по углу наклона земной поверхности и длина склонов оврагов и балок с учетом климатических факторов.

Выводы

1. Создана цифровая модель рельефа Республики Татарстан на основе данных радарной съёмки поверхности Земли SRTM3.

2. Разработана методика оценки эрозионной опасности почв и земель РТ с использованием ЦМР.

3. Выполнена оценка эрозионной опасности почв и земель РТ с учетом рельефа и климатических факторов.

4. Проведено районирование территории РТ, на основе предложенной нами классификации эрозионной опасности.


Библиографическая ссылка

Маклеев О.В. ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКА ЭРОЗИОННО-ОПАСНЫХ УЧАСТКОВ ПОЧВ НА ТЕРРИТОРИИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ С УЧЕТОМ КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ // Старт в науке. – 2016. – № 2. – С. 15-24;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=34 (дата обращения: 18.11.2018).