Опыт применения данных дистанционного зондирования в исследованиях почвенного и растительного покрова Северо-Западного Прикаспия.

Одним из примеров применения данных дистанционного зондирования земли является определение динамики вегетационного индекса NDVI (ВИ) по данным космической съемки Земли, установление связей с усредненными годовыми значениями наземных, полевых и гидрометеорологических исследований. Основными этапами реализации поставленной цели являются: анализ исследований прошлых лет, мероприятий по сохранению почвенного покрова (ПП), применение современных информационных ресурсов в решении вопросов оценки состояния почвенного и растительного покровов территорий отгонного животноводства в условиях аридного климата и высокой антропогенной нагрузки [1].
Следует отметить, что климатические условия Терско-Кумской низменности характеризуются выраженной континентальностью: летний максимум достигает температур 40–45℃, нижний минимум до 20–25 С ниже нуля. Среднегодовая скорость ветра достигает 10–15 м/с и более [2]. Средняя годовая температура составляет 10–13 С выше нуля.
Согласно статистики данных онлайн-сервиса https://rp5.ru/ среднегодовые климатические показатели (температура, атмосферные осадки) за последние 15 лет соответствует общей концепции глобального потепления – повышения значений температуры и снижения количества осадков. Установлено, что за последние пять лет, среднегодовая температура за 2016–2020 гг. повысилась с +12,6 до +13,6℃. Годовая сумма осадков составляет 200–300 мм. Вместе с тем среднегодовое количество осадков по данным Кочубейской метеостанции Республики Дагестан за 2016–2020 гг. заметно снизилось с 377 до 147 мм [3].
В качестве объекта исследования выбрана территория Кочубейской биосферной станции (КБС). Площадь КБС составляет более 3000 га, расположена в центральной части Терско-Кумской низменности. Рельеф территории представлен слабонаклонной на север и северо-восток равниной с небольшими повышениями, направленными с востока на запад, прерывающимися местами остаточными следами сухоречий старого русла реки Кума. Рассматриваемая территория по характеру физико-географических условий относится к низменной зоне.
ПП представлен преимущественно разновидностями светло-каштановых и солончаковых. По величине площади второе место занимают солончаки типичные средне-тяжелосуглинистые. Минимальная площадь приходится на долю песков, закрепленных в разной степени. Экспериментальные работы проводились на светло-каштановых карбонатных легкосуглинистых почвах и солончаках типичных средне-тяжелосуглинистых [1].
Растительность на КБС представлена полынно-злаковыми сообществами и солянковыми группировками. В центральной части биосферной станции располагается лесополоса, древесная растительность которой представлена в основном такими породами, как вяз мелколистный (Ulmus pumila), акация белая (Robinia pseudoacacia) и лох узколистный (Elaeagnus angustifolia) [4].
ВИ рассчитывается в результате операций с разными спектральными диапазонами (каналами) данных дистанционного зондирования и имеет отношение к параметрам растительности в определенном пикселе снимка [5]. Определение ВИ выполнялось методом NDVI (normalized difference vegetation index – нормализованный вегетационный индекс). Этот числовой показатель качества и количества растительности на участке поля рассчитывался по спутниковым снимкам вычислением отношения между разностью интенсивностей отраженного света в красном (Red) и инфракрасном диапазоне (Nir) и их суммой: NDVI=(Nir-Red) / (Nir+Red) [6].
Расчет ВИ по ключевым участкам выполнен с применением автоматизированного онлайн ресурса OneSoil (https://app.onesoil.ai). Проведен анализ разновременных и разносезонных снимков с заданным временным разрешением: ежегодно в течение девяти месяцев с охватом трех сезонов – весна – лето – осень (с марта по ноябрь включительно). Были проанализированы показатели ПП (влажность, засоление), растительности (масса эфемеров, урожайность) и определена степень их корреляции со значениями ВИ.
Полевые исследования. Почвенно-геоботанические исследования проводились в Ногайском административном районе. В качестве ключевых выделены четыре участка с различными типами ПП, отличающиеся характеристиками гранулометрического состава, степенью засоления, растительным покровом. На ключевых площадках заложены разрезы (географические координаты фиксировались GPS-навигатором), даны морфологические описания почвенных профилей. Проведены геоботанические описания численности видов и величины надземной фитомассы для определения видового состава. Физико-химические исследования проведены по общепринятым методам.
Состояние растительных сообществ изучалось путем оценки проективного покрытия, видового разнообразия, численности видов и величины надземной части растительности, а также фиксацией высоты растительного покрова и фаз вегетации.
Участок I (N44°41'24,0942" E46°24'32,5361") – лесополоса, расположенная в северо-восточной части КБС. Лесополоса была заложена в 1992 г. вблизи искусственного озера в условиях повышенного доступа почвенной влаги. Тип почвы – светло-каштановая карбонатная, супесчаная, непрочно глыбистая, слабозасоленная, среднемощная. Древесная растительность представлена в основном такими породами, как вяз мелколистный (Ulmus pumila), акация белая (Robinia pseudoacacia) и лох узколистный (Elaeagnus angustifolia). Ход роста деревьев соответствует особенностям жизни древесных растений в экстремальных условиях сухой степи и полупустыни. Согласно [4], первые десять лет наблюдался интенсивный рост древесной растительности в высоту и по диаметру ствола, а в последующие десять лет рост замедлился. К 20-летнему возрасту состояние большинства исследованных видов древесных пород ухудшилось. Проведенный анализ NDVI за пятилетний период (2016–2020 гг.) выявил снижение среднегодового значения NDVI от 0,34 до 0,24.
Снижение показателей NDVI древесных насаждений свидетельствует об ухудшении водного режима деревьев, который возникает в связи с освоением корневой системой растений площади питания, снижением количества доступной почвенной влаги из-за иссушения озера.
Анализ показателей NDVI – II, III, IV ключевых участков, используемых в качестве пастбищ показал высокие значения, приходящиеся на весенний период вегетационного сезона (март, апрель, май). В этот период, как правило, отмечается максимальный рост эфемеров. Разброс в значениях NDVI связан с особенностями микрорельефа.
Участки II–IV расположены юго-восточнее участка I с интервалом 1,6; 1,2; 2,8 км соответственно и используются в качестве пастбищ: - участок II (N44°40'41,4954" E46°25'14,3461") представлен светло-каштановой легкосуглинистой среднемощной солончаковой почвой. Растительный покров участка - полынно-злаковые группировки; - участок III (N44°40'02,3000" E46°25'04,7601") представлен светло-каштановой супесчаной мощной солончаковой почвой. Растительный покров участка - полынно-злаковые группировки;  участок IV (N44°38'47,4477" E46°26'18,4927") представлен солончаком типичным. Растительность участка  полынные сообщества с солянковыми группировками.
ВИ на ключевых участках II и III меняется в пределах 0,10-0,29, что соответствует низкой степени развития зеленой биомассы или ее полному отсутствию. Основную биомассу разнотравья составляют злаки и эфемеры: ковыль волосатик (Stipa capillata), костер кровельный (Anisantha tectorum), бурачок пустынный (Alyssum desertorum), мятлик луковичный (Poa bulbosa), мортук восточный (Eremopyrum orientale). Корреляция значений урожайности зеленой биомассы и NDVI достаточно достоверна.
Снижение среднегодовых значений атмосферных осадков и увеличение температур за период 2016  2020 гг. повлияли на вес зеленой биомассы (уменьшился) по всем ключевым участкам. Урожайность снизилась с 22,14 до 0,46 ц/га, что впоследствии отразилось в негативной динамике NDVI.
Урожайность в целом характеризует общее количество биомассы на земной поверхности с учетом высохших остатков злаковых растений, полыни и прочих видов, не влияющих на значение NDVI. Урожайность и разреженность растительного покрова не согласуются с показателями NDVI, но достаточно достоверно коррелируют с количеством выпадающих осадков (таблица).
Содержание влаги в корнеобитаемом почвенном слое является суммарным значением показателей влажности генетических горизонтов верхнего слоя до 50-60 см. Здесь закономерностей корреляции с NDVI выявить не удалось, но необходимо отметить факт повышения влажности в 2020 г. Этот период характеризовался низким выпадением осадков, растительность практически отсутствовала, а земная поверхность была покрыта развеваемыми песками, что и способствовало повышенной влажности относительно предыдущих лет.
Снижение показателей урожайности и значений NDVI являются следствием уменьшения количества выпадающих осадков и увеличения среднегодовых значений температур. Анализируя данные, приведенные в таблице, следует отметить, что значения ВИ отражают высокую степень корреляции с суммарными значениями годовой массы эфемеров, но не согласуются с данными урожайности и содержанием влаги корнеобитаемого почвенного слоя.
Установлено, что I на ключевом участке за пять лет исследуемого периода снижение значений вегетационного индекса NDVI отражает состояние древесных насаждений, что является следствием ухудшения водного режима деревьев, который возникает в связи с уменьшением количества доступной почвенной влаги.
В результате анализа значений NDVI по ключевым участкам II-IV выявлена схожесть ВИ по всем участкам, что подтверждается показателями хлорофилл содержащей растительности (эфемеры, злаковые).
В результате проведенных исследований удалось установить снижение средних значений вегетационного периода по ключевым участкам за пятилетний период почти в 1,5-2,5 раза.