Дистанционные микроволновые предвестники почвенной засухи

Почвенные засухи наносят значительный ущерб земледелию, снижая биологическую продуктивность почв. В условиях климатических изменений, наблюдаемых в последние десятилетия, повышение урожайности возможно путем обоснованного выбора влаголюбивых или засухоустойчивых сортов сельскохозяйственных культур. Однако для этого требуется разработка эффективных методов прогнозирования засух, позволяющих с высокой степенью надёжности заблаговременно предсказать наступление засухи.
Важнейшими физическими характеристиками почвы, от которых зависит урожайность выращиваемых сельскохозяйственных культур, являются объемная влажность (W) в корнеобитаемом слое почвы и влагозапас (h) в метровом слое почвы, представляющий собой объемное содержание воды в указанном слое, выраженное в миллиметрах. При больших площадях сельскохозяйственных полей становится актуальным определение W и h почвы не в отдельных точках контактным способом, а на значительной территории с использованием дистанционных методов микроволнового зондирования.
Данные дистанционного микроволнового зондирования несут информацию о W в скин-слое, толщина которого зависит от степени увлажненности температуры, гранулометрического состава, засолённости почвы, длины волны микроволнового излучения, регистрируемого радиометром. Согласно результатам экспериментальных исследований и теоретических расчетов, проведенных разными авторами (Шутко, 1986; Шарков, 2014), в дециметровом диапазоне скин-слой увлажненной почвы составляет несколько сантиметров. В то же время для планирования мелиоративных мероприятий, прогнозирования будущих урожаев, а также оценки вероятности почвенных засух требуется информация о запасах воды в метровом слое почвы. Таким образом, возникает несоответствие между возможностями дистанционного зондирования и потребностями аграрного сектора.
Дистанционное определение W почвы было одной из первых задач, решавшихся с использованием микроволновых методов (Башаринов и др., 1968; Schmugge et al., 1974). Для повышения точности дистанционного определения W было предложено учитывать фазовый состав почвенной влаги, выделив прочносвязанную и рыхлосвязанную воду, объемные доли и диэлектрические свойства которых зависят от гранулометрического состава почвы (Schmugge, 1980). Точность дистанционного определения h почвы зависит от точности задания профилей влажности и диэлектрической проницаемости почвы (Шутко, 1986). В (Pal and Maity, 2021) разработана модель профиля влажности почвы, основанная на использовании данных дистанционного зондирования и гидрофизических характеристик грунтов в слое 100 см. Влажность почвы в корневой зоне рассчитывают на основе данных спутника SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity) (Bitar et al., 2021).
В данной работе исследована возможность дистанционного определения h в метровом слое почвы на основе яркостных температур подстилающей поверхности, измеренных со спутника SMOS на длине волны 21 см. Для этой цели предложен новый подход, основанный на использовании экспериментально установленных зависимостей между влагосодержанием в соседних слоях почвы, начиная с поверхности и до глубины 1 метр. Экспериментальные исследования проводили на тестовых участках Кулундинской степи (Алтайский край). Использовались данные спутника SMOS. Для представления результатов измерений яркостной температуры подстилающей поверхности использовалась икосаэдрическая сетка Шнайдера (Icosahedral Snyder Equal Area (ISEA) grid 4H9) (Sahr et al., 2023).
Алгоритм определения влагозапаса почвы включал в себя полевые измерения профилей влажности почвы на исследуемой территории в теплый период года на тестовых участках Родинского района (Алтайский край). На каждом участке в течение сезона производилось 10-13 измерений с периодичностью 10-11 дней.
Алгоритм обработки спутниковых данных включал в себя яркостную температуру подстилающей поверхности на горизонтальной поляризации, измеренную со спутника SMOS (продукт L1с) (Gutierrez et al, 2017), использованную для определения влагозапаса в слое 0-5 см. На основе установленной по данным дистанционного зондирования зависимости влагозапаса в слое 5 см и результатов наземных измерений рассчитывали влагозапас почвы в слое 10 см. В качестве основных объектов исследования были выбраны участки, попадающие в ячейку SMOS ISEA 4H9.
Из анализа приведенных спутниковых и наземных данных следует вывод о том, что прямое определение влагозапасов почвы в метровом слое по данным спутникового зондирования на длине волны 21 см проблематично. Поверхностный слой переувлажнённой почвы даже малой толщины заметным образом экранирует микроволновое излучение нижележащих слоев почвы и тем самым существенно искажает данные дистанционного зондирования. Соответственно, возникает необходимость поиска новых подходов к дистанционной оценке влагозапасов почвы в метровом слое. Для этой цели были экспериментально установлены зависимости влагозапасов в соседних слоях почвы (толщиной 10 см).
Между влагозапасами соседних слоёв были выявлены статистически значимые корреляционные связи, установленные для выборки (264 профиля) с апреля по сентябрь с 2012 по 2022 годы. На основе этих связей установлены линейные зависимости, позволяющие рассчитать влагозапас каждого 10-см слоя, основываясь на влагозапасе вышележащего 10-см слоя. При этом поверхностный 10-см слой определялся на основе данных о влагозапасе 5-см слоя, который, в свою очередь, определен на основе дистанционных измерений радиояркостной температуры со спутника SMOS.
Из комплексного анализа спутниковых данных, полевых и лабораторных измерений следует, что наблюдается удовлетворительное соответствие влагозапасов в почвенном слое 0-100 см, определенных контактным (термостатно-весовым) и дистанционным (радиофизическим) способами.
Выявленная сезонная динамика влагозапаса почвы в метровом слое может быть использована в качестве дистанционного микроволнового предвестника почвенной засухи.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 22-17-20041, https://rscf.ru/project/22-17-20041/