Пространственно-временная вариативность влажности почв тундры Сибири по спутниковым данным SMAP в сопряжении с наземными измерениями

Экосистемы криолитозоны Арктики обладают высокой уязвимостью к воздействию климатических и техногенных факторов. Одним из значимых показателей, который можно контролировать дистанционными средствами, является влагосодержание почвы, напрямую влияющая на стабильность мерзлоты, циклы углерода и в целом на режим функционирования экосистем криолитозоны. Непрерывный спутниковый мониторинг влагосодержания почвы в период вегетации является необходимым условием для прогнозирования динамики экосистем.
Целью данной работы был анализ пространственно-временной вариативности влагосодержания почв тундры Сибири с использованием данных SMAP (англ. Soil Moisture Active Passive) с калибровкой по натурным инструментальным измерениям.
Исследование выполнено для Норильского промышленного района, где естественная вариативность ландшафтов и почв дополняется изменениями, связанными с техногенной трансформации ландшафтов. Ранее была выполнена обзорная классификация на территорию Норильского промышленного района с оценкой различий спектральных индексов по данным Landsat для участков фонового и трансформированного состояния [1]. Результаты классификации определили выборку участков для проведения наземных инструментальных измерений параметров почвы в условиях различной степени нарушенности ландшафта.
В 2025 г. было обследовано 7 пробных площадей, распределённых в пределах Норильского промышленного района, на основе пространственной локализации которых выполнялся отбор данных SMAP. Набор точек натурных обследований отражает различные варианты состояния ландшафтов от фоновых тундровых, до переувлажнённых пойменных и техногенно-трансформированных. В работе анализировались данные о влажности верхнего горизонта почвы со спутника SMAP Level 3, выполненные в утреннее время (AM), с разрешением пиксела 9–20 км, доступные в открытом банке данных Earthdata (earthdata.nasa.gov). Величина влажности почвы представлена объёмным влагосодержанием (water fraction by volume, wfv, m3/m3) и соответствует среднему значению для верхнего 5-ти сантиметрового слоя [2]. Были восстановлены ряды данных за летние периоды 2020 и 2023–2025 гг. с временным разрешением в 10 дней. Калибровка выполнялась по сопряжённым натурным измерениям объёмного влагосодержания в почвенном горизонте 0–5 см портативной системой для измерения параметров почвы HydraGO (Stevens Water Monitoring Systems) с точностью показаний на уровне ±0,01–0,03 wfv, выполненным на пробных площадях в августе 2025 г.
Сопряжённый анализ показал удовлетворительное согласие между данными SMAP и натурными измерениями HydraGO. Показатель корреляции Пирсона зафиксирован на уровне 0,50–0,63, зависимость аппроксимировалась линейной функцией с достоверностью R2=0,35–0,40, p<0,05.
По материалам SMAP для участков фонового состояния тундры среднемноголетнее значение объёмного влагосодержания верхнего горизонта почвы составляло 0,275±0,029 wfv при естественной вариативности на уровне 10,5%. Значения показателя на участках с сильной трансформацией ландшафта были занижены относительно фоновых, составляя 0,217±0,038 wfv. В среднем для таких участков характерно относительное отклонение от фона на уровне 11–23% со спорадическими максимумами до 45%.
По всей территории по данным SMAP относительное отклонение влагосодержания от фона варьировало в широком диапазоне от –37% до +16%. Преобладание отрицательных значений характеризует участки с низким естественным содержанием влаги в почве. Повышенное влагосодержание может быть частично обусловлена пространственной неоднородностью влажностных режимов почвы и влиянием атмосферных осадков. При этом для техногенных участков характерно доминирование устойчивого дефицита влажности, в то время как эпизоды переувлажнения являются кратковременными и незначительными. В условиях хрупкого равновесия тундровых экосистем такие изменения являются экологически значимыми и могут служить дистанционно регистрируемым индикатором динамики функционировании экосистем.

Исследования выполнены за счет средств гранта Российского научного фонда №23-14-20007, https://rscf.ru/project/23-14-20007/, Красноярского краевого фонда науки.