Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агролесомелиоративное картографирование и моделирование эрозионной деградации в ландшафтах юга Приволжской возвышенности

ВАК РФ 06.03.03, Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат диссертации по теме "Агролесомелиоративное картографирование и моделирование эрозионной деградации в ландшафтах юга Приволжской возвышенности"

На правах рукописи

ЮФЕРЕВ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В ЛАНДШАФТАХ ЮГА ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ (В ПРЕДЕЛАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

06.03.03 — агролесомелиорация, защитное лесоразведение и озеленение населенных пунктов, лесные пожары и борьба с ними

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005535181

Волгоград-2013

005535181

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: Рулев Александр Сергеевич,

доктор сельскохозяйственных наук, ГНУ всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Россельхозакадемии, заместитель директора по научной работе

Официальные оппоненты: Васильев Юрий Иванович,

доктор сельскохозяйственных наук, ГНУ всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Россельхозакадемии, заведующий сектором защиты почв от дефляции

Холоденко Анна Викторовна,

кандидат географических наук, ФГАОУ ВПО "Волгоградский государственный университет", доцент кафедры "Экология и природопользование"

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный аграрный университет"

Защита диссертации состоится 6 ноября 2013 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 006.007.01 при Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 400062, г. Волгоград, Университетский пр., 97, ГНУ ВНИАЛМИ Россельхозакадемии

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации Россельхозакадемии

Автореферат разослан " 4 " октября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

С. В. Колмукиди

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Агролесоландшафты юга Приволжской возвышенности являются сложной экологической системой, которая в жестких субаридных условиях территорий юга России находится в состоянии неустойчивого равновесия. По данным Государственного (национального) доклада "О состоянии и использовании земель Российской Федерации в 2008 году", практически во всех субъектах Российской Федерации продолжается тенденция по ухудшению состояния земель. На территории Российской Федерации интенсивно развиваются эрозия, дефляция, опустынивание и другие процессы, ведущие к потере плодородия сельскохозяйственных угодий. Водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий и она является одним из наиболее опасных видов деградации, вследствие чего, возникла необходимость выделения совокупности показателей, ее характеризующих. Таким образом, актуальность работы определяется тем, что процесс водной эрозии приводит к ухудшению почвенного и растительного покрова, ухудшению климата и микроклимата региона, эрозионными процессами в той или иной мере охвачено до 50% пашни. Поэтому картографирование и моделирование эрозионной деградации в агроландшафтах юга Приволжской возвышенности является научной задачей, решение которой позволит своевременно определять очаги эрозии, составлять тематические карты текущего и прогнозируемого состояния эродированных ландшафтов и на их основе осуществлять планирование противоэрозионных мероприятий для эффективной защиты территории.

Степень изученности. Аэрокосмические исследования в совокупности с геоинформационными технологиями и компьютерным моделированием открывают новые возможности в комплексной оценке ландшафтов. Работы Б.В. Виноградова (1988), К.Н. Кулика (2010), A.C. Рулева и др. (2007) показали перспективность и актуальность этого научного направления. Установлено, что наиболее опасным из деградационных процессов идущих на территории Приволжской возвышенности является водная эрозия, обусловленная особенностями как геоморфологических, так и климатических условий. Использование аэро- и космосним-ков для картографирования и оценки ландшафтов обеспечивает актуализацию имеющейся информации. Разработка на их основе тематических карт даст полную информацию о площади, распространении и степени водной эрозии рассматриваемой территории. Разработка математических моделей для описания эрозионных процессов на основе статистического пространственно-временного подхода обеспечит достоверное прогнозирование эрозионной обстановки в исследуемых агроландшафтах. Применение аэрокосмических методов изучения и моделирова-

ния деградационных процессов в агроландшафтах на основе компьютерных технологий позволяет проводить мониторинг, оценку и картографирование эродированных агроландшафтов, что сокращает затраты на проектно-изыскательские работы, ускоряет их темпы, положительно отражается на результативности агролесомелиорации земель.

Цель исследований - разработать методику геоинформационного агролесомелиоративного картографирования и моделирования эрозионной деградации агроландшафтов на базе современных компьютерных технологий.

Задачи, решенные в процессе исследований:

- разработана методика компьютерного агролесомелиоративного картографирования агроландшафтов в геоинформационной среде, в том числе для определения и выделения эродированных земель;

- разработана методика компьютерного агролесомелиоративного моделирования агроландшафтов;

- определено пространственное распределение деградированных земель в агролесоландшафтах;

- осуществлено картографирование эрозионных процессов на основе ГИС-технологий и пространственно-временного анализа космоснимков;

- на тестовые участки разработаны уточненные почвенные и карты лесопри-годности.

Объектом исследований являлась южная часть Приволжской возвышенности (в пределах Волгоградской области). Эрозионные объекты на этой территории являются эталонами для сухостепной почвенно-географической зоны. В связи с чем, результаты исследований, полученные при использовании новых методов компьютерного картографирования и моделирования, могут быть использованы для агролесомелиоративного обустройства ландшафтов, выявления и прогнозирования эрозионных процессов в ландшафтах аналогах.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые была разработана методика компьютерного агролесомелиоративного картографирования агроландшафтов в геоинформационной среде и составлены тематические карты ландшафтов юга Приволжской возвышенности с применением геоинформационных технологий. На основе гистограммного анализа разновременных космоснимков территории разработаны уравнения регрессии изменения эрозионного состояния для характерных агроландшафтов, и на их основе осуществлено компьютерное моделирование динамики эрозионных процессов.

Теоретическая и практическая значимость работы определена разработкой качественно новой системы картографического и геоинформационного обеспечения опытных и проектных работ по лесомелиоративному противоэрозионно-

му обустройству эродированных земель на основе разработанных электронных тематических карт и моделей агроландшафтов юга Приволжской возвышенности.

Результаты реализации диссертационной работы будут способствовать созданию эрозионно-устойчивых агроландшафтов методами лесной мелиорации, сохранению и повышению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных угодий на юге Приволжской возвышенности, создадут условия для использования точной (координатной) агролесомелиорации, позволят сократить потери от нерационального использования агроландшафтов.

Исследования проводились с 2009 г. в процессе научно- исследовательских работ по тематическому плану Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелиорации (№ Госрегистрации - 01.2.00 611909), а также в рамках проекта поддержанного РФФИ (грант 10-05-97000-р_поволжье_а), в котором

автор являлся исполнителем.

Основные результаты работы реализованы при разработке инновационной "Технологии ландшафтного планирования адаптивного лесомелиоративного обустройства сельскохозяйственных земель в лесостепной, степной, полупустынной зонах европейской части РФ на основе геоинформационного картографирования и космоснимков высокого разрешения".

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность работы базируется на применении статистических методов обработки результатов опытов, в том числе корреляционного и регрессионного анализа. Результаты исследований докладывались на международных конференциях и симпозиумах: "Степи Северной Евразии", Оренбург, 2009; "Леса степной зоны европейской части России и ведение хозяйства в них", Пушкино, 2009; "Изучение и сохранение естественных ландшафтов", Волгоград, 2011; "Математическое моделирование в экологии", Пущино, 2011; "Современные проблемы географии, экологии и природопользования", Волгоград, 2012; "Степи Северной Евразии", Оренбург, 2012.

Коллективная разработка "Технология ландшафтного планирования адаптивного лесомелиоративного обустройства сельскохозяйственных земель в лесостепной, степной, полупустынной зонах европейской части РФ на основе геоинформационного картографирования и космоснимков высокого разрешения", удостоена диплома РАСХН за 2010 год.

Методология и методы исследований. Работа основана на оригинальной, разработанной в отделе ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследований ВНИАЛМИ методологии интегрирующей картографические, фотограмметрические, полевые методы исследований с использованием компьютерного дешифрирования и анализа аэро- и космоснимков агролесоландшафтов.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

- методика моделирования эрозионной деградации в агролесоландшафтах, отличающаяся внедрением в модели разработанных уравнений регрессии, описывающих изменение размеров и положения пространственных объектов во времени;

- методика агролесомелиоративного геоинформационного картографирования эрозионной деградации в агролесоландшафтах, отличающаяся трехмерным подходом при построении электронных карт и многомерным картографированием тематической ситуации;

- закономерности распределения форм рельефа а ландшафтах юга Приволжской возвышенности;

- закономерности динамики эрозионной деградации в агролесоландшафтах;

- закономерности (пространственно-временные) изменения сохранности ЗЛН в агролесоландшафтах.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ. Одна монография в соавторстве. Две статьи опубликованы в изданиях, предусмотренном списком ВАК для кандидатских диссертаций.

Личный вклад. Доля личного участия автора в выборе направления и проведении исследований, обработке полученных результатов, создании теоретических основ агролесомелиоративного картографирования и моделирования эрозионных процессов составляет 75%.

В работе использованы материалы исследований, выполненных лично автором, а также с участием Лауреата премии Правительства РФ, доктора сельскохозяйственных наук, член-корреспондента Россельхозакадемии A.C. Рулева, заслуженного деятеля науки РФ, академика Россельхозакадемии, доктора сельскохозяйственных наук, К.Н. Кулика. Автор выражает искреннюю благодарность им, а также инженерно-техническим работникам A.A. Дзугаеву, ЮБ. Рыбальченко и всем сотрудникам отдела ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1 ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕГИОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе рассмотрены физико-географические условия региона исследования и обоснована актуальность выполненных исследований.

Приволжская возвышенность', являясь ярким геоморфологическим объектом, изучалась многими исследователями, такими как В.П. Бушинский, А.М. Гав-рилов, М.В. Карандеева, Е.А. Гаршинев, А.Т. Барабанов, И.Г. Зыков. Она расположена вдоль правого берега Волги от Нижнего Новгорода до Волгограда. По

Приволжской возвышенности проходит Волжско-Донской водораздел. Территория исследований представляет собой сложно сформированный ландшафт с ярко выраженным, расчлененным рельефом, обусловленным многообразием и высокой насыщенностью эрозионных форм. Средняя расчлененность овражно-балочной сетью составляет 0,4-1,0, в отдельных местах достигая 3,0-3,5 км/км2 и более. Глубина вреза эрозионной сети колеблется от 40 до 120 м.

Вследствие чего необходим точно ориентированный ландшафтный подход к ведению сельского хозяйства на рассматриваемых территориях, обеспечивающий надежное сохранение плодородия и базирующийся на современных методах геоинформационного картографирования и моделирования состояния агролесоланд-шафтов.

ГЛАВА 2 ПРОБЛЕМА АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО

КАРТОГРАФИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ

Изучение агролесоландшафтов проводится с использованием аэро - и кос-мосьемок и основано на результатах геоморфологического, геоботанического, почвенно-мелиоративного, эрозионного и др. обследований. Методические основы таких обследований приведены в работах Н. Н. Бобровицкой, A.C. Рулева, К.Н. Кулика, Н.С. Манаенковой и др.

В работах А.Т. Барабанова, А.И. Бурдэ, Е.А. Гаршинева, Б.В. Виноградова, И.Г. Зыкова, К.Н. Кулика, A.C. Рулева и др. представлены современные методики исследования и картографирования эрозионных процессов, в том числе с применением космоснимков и математического моделировании смыва.

В отделе ландшафтного планирования ВНИАЛМИ разработана методика применения ГИС для создания моделей ландшафтов и тематических геоинформационных слоев. В развитие ее необходимо разработать методики геоинформационного картографирования и моделирования состояния агролесоландшафтов и

эрозионных процессов в них.

Таким образом, продолжающиеся процессы эрозионной деградации в агро-лесоландшафтах делают необходимым дальнейшее их изучение, разработку научно обоснованных агролесомелиоративных мероприятий по их предотвращению, для чего необходима агролесомелиоративная географическая информационная система, предназначенная для обеспечения эффективного решения научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением агролесомелиоративной средой и территориальной организацией ландшафта.

ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ

Программой исследований было предусмотрено проведение камеральных, полевых и лабораторных исследований. На предварительном этапе были поставлены следующие программные вопросы:

1. Разработка методики компьютерного, геоинформационного картографирования эрозионной деградации в агроландшафтах.

2. Разработка методики применения компьютерных моделей для картографирования агроландшафтов и эрозионной деградации в них.

3. Теоретическое и методическое обоснование компьютерного картографирования эрозионной деградации агроландшафтов на основе комплекса геоинформационных программ и результатов анализа космоснимков.

4. Выявление функциональных зависимостей параметров изображения агроландшафтов на космоснимках от качественных и количественных характеристик эрозионной деградации.

5. Подбор полигонов и тестовых участков, являющихся модельными для картографирования эрозионных процессов на Юге Приволжской возвышенности.

6. Полевое эталонирование эрозионных процессов в агроландшафтах.

7. Составление космокарт эрозионной деградации на тестовые участки.

Объект исследований - южная часть Приволжской возвышенности в пределах Волгоградской области (рисунок 1). Для проведения исследований в 20092010 гг. были заложены полигоны "Вторая Ураковка" площадью 3,8 тыс. га, "Русская Ураковка" - 10,2 тыс. га, "Нижняя Липовка"- 2,4 тыс га, "Камышинский" -7,2 тыс. га, "Каменный" - 18,9 тыс. га, "Чапуринский" - 4,8 тыс. га, представляющие собой овражно-балочные водосборы (урочища) на которых, выбирались тестовые участки, охватывающие основные типологические группы.

В основе принятой методологии картографирования лежит компьютерный анализ изображений с выявлением параметрических характеристик эрозии. Анализ проводится по распределению пикселей с учетом того, что совокупность внешних признаков достаточно полно отражает реальное состояния эродированного участка, а каждый пиксель несет определенную информацию о свойствах и положении ландшафтных объектов.

В процессе анализа распределения пикселей и последующего моделирования состояния ландшафтного объекта необходимо учитывать соответствие изменения свойств объекта изменению фототона его изображения. Таким образом, важной составляющей такого анализа является изучение зависимости смытости от тона изображения.

Рисунок 1 - Космокарта Приволжской возвышенности и положение полигонов исследований

Смытость почв хорошо дешифрируются по снимкам агроландшафтов, при воздушно-сухом состоянии поверхностного слоя, как при малых, так и при сильных уровнях смыва. По результатам анализа и дешифрирования космоснимков создаются тематические цифровые космокарты эрозионного состояния ландшафта. С использованием компьютерного математико-картографического моделирования составляются прогнозные карты эрозионной деградации агролесоландшаф-тов.

Математико-картографическое моделирование деградации ландшафтов осуществляется путем создания цифровых прогнозно-динамических моделей аг-ролесоландшафтов на основе широкого применения ГИС-технологий, аэрокосмической информации и специализированных картографических программ. Методика построения модели ландшафта основана на создании и использовании геоинформационной системы и баз данных с информацией из нескольких источников, а

именно: космоснимка участка поверхности, ландшафтной карты, топографической карты на этот же участок поверхности, почвенной карты, карты растительности. Для расширения возможностей системы применяется присоединение баз данных других геоинформационных систем и специализированных ГИС сайтов, внесение результатов GPS обследования модельных точек, с указанием их топографических координат и отметок высот. Высоты рельефа при моделировании определяются на основе данных космических исследований. При компьютерной обработке дискретных отметок высот, с целью создания непрерывного потока данных в модели, чаще всего используется интерполяционный метод универсального кригинга. На основе ЦМР строятся специализированные карты для анализа ландшафта, такие например, как карты водосборов. Преобразование данных для проведения пространственно-временного анализа производится в табличной форме, где каждому значению функции ставится в соответствие значение аргументов по простиранию и по времени, а сами значения функций могут быть вычислены на основании найденных уравнений регрессии. Объединение структурно-цифровой модели рельефа и функциональных зависимостей, описывающих динамику изменения состояния объекта моделирования во времени, дает возможность разработать модель рельефа, носящую прогностический характер.

Мониторинг осуществляется на основе космоснимков высокого и сверхвысокого разрешения, дешифрирование которых дает возможность разработки адекватных математико-картографических моделей, позволяющих с достаточной точностью - количественно оценить состояние, проанализировать тенденции изменения и осуществить прогноз развития ситуации в эрозионноопасных агроланд-шафтах.

Таким образом, разработанная методика картографирования и моделирования агроландшафтов в среде ГИС дает возможность с определенной достоверностью охарактеризовать их параметры, выявить динамику и оценить уровень эрозионной деградации.

ГЛАВА 4. АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ

В южной части Приволжской возвышенности, ограниченной междуречьем рек Волга и Иловля с общей площадью 1156 тыс. га, преобладающими являются территории с высотами 50 - 150 м (рисунок 2), занимающие около 80% этой площади. К примеру, площадь территории, имеющая высоту 120 м, составляет 250 тыс. га или около 22% от общей территории исследований.

Высота

■50 0 50 100 150 200 250 ргльгфа,«

Рисунок 2 - Распределение площади исследуемой территории по высотам

Использование картографических компьютерных программ дает возможность построить карты углов наклона склонов (рисунок 3) и уклонов рельефа.

Рисунок 3 - Карта углов наклона склонов

Анализ карты углов наклона склонов показал, что основной фон составляют территории с углами от 0 до 3°, среднее значение 1,6°, стандартное отклонение 1,7°. Такая карта обеспечивает выявление расчлененности территорий и выбор объектов для разработки их агролесомелиоративного обустройства. Карты пластики рельефа и выделения выпуклых и вогнутых поверхностей (рисунок 4) для южной части Приволжской возвышенности разработаны для выявления расчлененности на всей территории исследований.

Рисунок 4 - Выделение вогнутых и выпуклых поверхностей

Картографирование смытости пашни было осуществлено на основе гипотезы о том, что минеральные горизонты имеют более светлый тон, по сравнению с верхним, гумусированным горизонтом. Поэтому, диапазон тона изображения ДБ от тона минерального (светлого) слоя (Рс) до тона гумусированного, несмытого слоя (Бн) выбирался как базовый. Разделение этого диапазона на четыре поддиапазона позволило провести качественную оценку смытости по уровням несмытые,

слабосмытые, среднесмытые и сильносмытые. Тон изображения при компьютерном дешифрировании был определен по гистограммам распределения пикселей на однородном участке снимка.

В результате исследования участка Приволжской возвышенности общей площадью 1196800 га, установлено, что к вогнутым элементам рельефа относится 429829,22 га или 35,91%, к выпуклым - 766970,78 га или 64,09%. При этом площадь катены Иловлинского водосбора 776570 га, и при протяженности притоков 1,2 и крупных 3 порядка 1937,8 км общая расчлененность составляет 0,25 км/км2. Площадь волжского водосбора 420230 га, протяженность тальвегов 1634,1 км, общая расчлененность 0,39 км/км2.

Картографические модели распределения высот и уклонов склонов разработаны доя выявления особенностей геоморфологии агролесоландшафтов и выделения морфоизографы, на рисунке 5 приведены такие модели полигона "Каменный".

с.ш.

50.29

40,08 ЧС.04

<555 45.58 «.57 45.58 45.59 45.6 45.61 45.62 45.63 ВД.

а

Профиль 1

ЭООО 4000 Дківніїин, V

Рисунок 5 - Модели уклонов склонов (а) и диаграмма (б) распределения уклонов

(профиль)

С использованием этих диапазонов были составлены карты контуров смы-тости на тестовом участке "пашня 9" (рисунок 6). Результаты исследования контуров деградации показывают, что 7 % пашни на участке "пашня 9" сильносмыты, среднесмыты около 46 %, слабосмыты 33 %, несмыты только 14 %. Всего 53% пашни находятся в неудовлетворительном состоянии по смытости.

- атьносмьпые£ - среднесмьпые ■■ -слабосмыгые ЩЦ -несмытые

Рисунок 6 - Карта контуров смытости на тестовом участке "пашня 9"

Геоинформационный анализ агролесоландшафга полигона "Вторая Ураков-ка" обеспечил картографирование контуров с различной степенью смытости.

По гистограммам фотоэталонов установлены диапазоны фототона для дешифрирования смытости почв: несмытые - ДРн=94-109; слабосмытые ДРслб=110 -120; среднесмьпые Д1хрд=121-142; сильносмытые ДРслн более 143. В результате, в среде ГИС были созданы тематические слои - космокарты контуров земель и контуров эрозионной деградации, что обеспечило актуализацию информации и выявление очагов.

На полигоне "Каменный" проведены полевые исследования с отбором и анализом почвенных образцов. Это дало возможность уточнить почвенную карту и разработать электронную карту лесопригодности почв (рисунок 7).

Анализ деградации почвы показал, что контуры сильносмытых почв приурочены к резким перегибам склонов, к бровкам крутых склонов балок, к конусам выноса оврагов, расположенных на плоских участках.

Они расположены сравнительно узкими полосами вдоль оврагов, балок, по-тяжин и на более крупных перегибах склонов и изображаются светлыми полосами.

Для определения геоморфологических особенностей склонов в меридиональном направлении построена цифровая модель меридионального профиля участка Приволжской возвышенности, которая не только наглядно показывает размещение склонов вдоль профиля в направлении на юго-запад, но и позволяет рассчитать статистические параметры рельефа. Уравнение, описывающее изменение

высоты (Я м) по протяженности {х, км) меридионального профиля юга Приволжской возвышенности с коэффициентом достоверности аппроксимации Я2 = 0,921, может быть представлено в виде:

Н=64,242ет59х, (1)

Условные обоичачвнив: Группы лвсолригодности почв!

I - лкрпригодньв*

II - условно ЛВСОЯРИГОДКЫВ

III ■ ограниченно. ЛВСОП0ИГОДНЫВ

IV- нвлвсопрнгодныв

Рисунок 7 -Карта лесопригодности почв на полигоне "Каменный"

Для широтного профиля характерна относительно плоская часть с общим уклоном в сторону тальвега менее 0,15°, и склон восточной экспозиции, протяженностью около 5 км с углом наклона 1,58°. Склон имеет профиль выпуклой формы. Исследования изменения высоты рельефа (Я, м) по протяженности склона (х, км) позволили вывести уравнение аппроксимации (Я2=0,899):

Н=18,7(1-ехр(0,174х))+210 (2)

Предложена модифицированная модель эволюции катены с учетом ее привязки к центру масс. Форма поперечного сечения овражно-балочного склона имеет форму Б образной кривой, которая с высоким коэффициентом Я2 (более 0,995) описывается уравнением логистической функции в нормированных величинах.

Н(1)=100/1+А -ехр(В-1+С) (3)

где: Н(1) - текущая высота профиля, %;

А - коэффициент определяющий положение центра масс системы "Высота -

Протяженность - Форма склона",

В, С- коэффициенты, определяющие форму и наклон кривой; / - ширина сечения профиля, %. Вычисленный на основе статистическою анализа эволюции склона и при принятых краевых условиях коэффициент А равен 69,7.

Исследование динамики изменения формы склона показали, что зависимость коэффициентов В и С от периодов времени носит линейный характер:

B,.= Во-(0,0330, (4)

C, = С0 + (2,590, (5)

где? = 0,1,2..л; В„ =0,434; Со= 35;

С учетом приведенных выше допущений уравнение (3) запишется: Н(1)=((100-5Г)/(1+69,7 -ехр(0.434-0.033«) -1+(2.591-35)))+51 (6)

На рисунке 8 приведены разновременные космоснимки тестового участка "поле 1" на полигоне "Каменный". Результаты дешифрирования приведены в таб-

ЛИ11Р 1

2004 г.

2010 г.

2011 г.

Рисунок 8 - Изменение площади эрозионной деградации на тестовом участке

"поле 1"

Таблица 1 - Изменение площади смытых участков на участке "Каменный"

Год Площадь, га Площадь, % Прирост площади, % Среднегодовой прирост, % Уровень деградации

2004 0,67 5,33 Норма

2010 1,56 12,46 7,13 1,19 Риск

2011 2,15 17,23 4,77 - Кризис

Рассматривая динамические характеристики деградации участка пашни на

тестовом участке "Каменный" площадью 12,5 га, можно отметить, что прирост площади сильно деградированных участков в период с 2004 по 2010 год составил 7,13%, а среднегодовой 1,19 %, что соответствует уровню деградации Риск.

Прирост смытой площади за 2010- 2011 год составил 4,77%, что соответствует уровню деградации "Кризис" (среднегодовой прирост за 7 лет составил 1,7%). На рисунке 9 приведена кривая изменения площади деградированных участков (&£). На основе этой кривой разработано уравнение регрессии (Я2=0,981) и прогнозная кривая изменения площади деградированных участков:

8с1 = 0,658е°'1585х, (7)

где л = (1„-Ц)\

т - текущий год исследований; ?о - год начала исследований.

Таким образом, в рассматриваемом агролесоландшафте наблюдается ускоренное развитие эрозии.

Площадь, га

-♦-Эксперимент -в-Прогвоз

Рисунок 9 - Изменение площади деградированных участков

В результате анализа космоснимков получены данные по изменению сохранности стокорегулирующей лесной полосы (рисунок 10).

За 10 летний период, (рисунок 11) выявлено, что сохранность шестирядной стокорегулирующей лесной полосы из вяза приземистого составила к 2012 году всего 31,1%.

Для этого насаждения получена прогнозно-математическая модель экспоненциального типа (Я2 = 0,995) в виде:

у=67,45еАОШ, (8)

где_у - сохранность насаждений, %; х - временной интервал, год.

Рисунок 10-Космоснимки стокорегулирующей лесной полосы

Сохранность,%

70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0

ОД) -I-

-•-расчет -»«-эксперимент

Рисунок 11 - Изменение сохранности лесной полосы на участке "ЛП"

Прогноз динамики показал, что к 2020 году ее сохранность составит 1517%.

Основная часть насаждений на водоразделах юга Приволжской возвышенности достигла предельного возраста и без лесохозяйственных работ расстраивается и в конечном итоге выпадает. Исследование состояния системы защитных лесных насаждений на полигоне "Вторая Ураковка" подтвердило этот вывод. Система включает 37 лесных полос, 7 массивов искусственных лесных насаждений общей площадью 137,7 га. Проведена оценка сохранности лесных насажде-

ний, выявлены их площади по категориям и по уровням деградации (таблица 2).

Таблица 2 - Сохранность лесных насаждений на полигоне "Вторая Ураковка"

Характеристика Уровень деградации Всего

Норма Риск Кризис Бедствие

Количество лесных полос, шт. 4 3 8 22 37

Площадь лесных полос, га 14,6 5,6 12,4 49,5 82,1

Количество лесных массивов, шт. 0 0 4 3 7

Площадь лесных массивов, га 0 0 49,8 21,7 71,5

Площадь естественных насаждений, га 514

При этом из 37 полос полностью распалась 21 (уровень деградации "Бедствие"), общей площадью более 48 га или 59,6% от всей площади насаждений, а вместе с полосами с уровнем деградации "Кризис" - более 60%. В нормальном состоянии находится 4 полосы или 18,1% площади насаждений. В целом система искусственных насаждений находится в бедственном положении.

Современные компьютерные технологии позволяют в приемлемом временном режиме выполнять целенаправленную обработку и автоматизированную интерпретацию массивов динамических картографических данных.

Новая эффективная технология моделирования с использованием геоинформационных программных комплексов является основой для изучения закономерностей процессов, протекающих в них и прогнозирования развития эрозионных процессов.

ГЛАВА 5 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ

В главе приведена методика и расчет потерь природно-хозяйственной значимости земель. В соответствии с действующей "Методикой определения размеров ущерба от деградации почв и земель ..." размер ущерба рассчитывается по формуле:

У = Нс^хКэхКс^Кп + Дх^хКв, (6)

где У- размер ущерба от деградации почв и земель (руб.);

Не - норматив стоимости;

Дх - годовой доход с единицы площади (руб.);

5 - площадь деградированных почв и земель (га);

Кэ - коэффициент экологической ситуации территории,

Кв - коэффициент пересчета в зависимости от периода восстановления деградированных земель;

Кс - коэффициент пересчета в зависимости от изменения степени деградации

почв и земель;

Кп - коэффициент для особо охраняемых территорий.

В результате расчетная потеря стоимости и неполученного дохода в результате эрозии на рассмотренном тестовом участке "поле 1" полигона "Каменный", площадью составляет 35628 руб. в год.

Применение аэрокосмических методов и геоинформационных технологий снизит стоимость исследований агроландшафтов (без учета стоимости космос-нимков) до 800 руб. за гектар, обеспечивая снижение стоимости крупномасштабного агролесомелиоративного картографирования эрозионных ландшафтов в 3-4 раза.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Южная часть Приволжской возвышенности по своему геоморфологическому строению, почвенным и природно-климатическим условиям является ландшафтным объектом с активными эрозионными процессами.

2. Почвы региона исследований характерны для степной зоны - темно-каштановые, каштановые и светло-каштановые малогумусные, маломощные в основном глинистые и тяжелосуглинистые, карбонатные - в различной степени подвержены деградации и составляют 72% пахотных земель.

3. В регионе исследований около до 75% пашни подвержены водной эрозии.

4. На территории Приволжской возвышенности преобладают склоны северной экспозиции, около 42% территории, южной - 38%. Эти склоны в большей степени эродированы, как по расчлененности, так и по смытости почв. Мощность почвенных горизонтов А+В на северных склонах почти в 2 раза выше, чем на южных

5. Картографическое геоинформационное обеспечение агролесомелиорации в настоящее время становится необходимым при организации противоэрозионных мероприятий.

6. Для проведения анализа агролесоландшафта необходимо использование актуальных данных дистанционного зондирования - снимков поверхности, как оптических, так и радарных. Использование современных компьютерных технологий позволяет перейти к моделированию элементов ландшафта, а применение математических моделей оценить динамику и прогноз эрозионных процессов, планирование противоэрозионных мероприятий.

7. Картографирование с использованием аэрокосмической информации обеспечило за счет снижения затрат высокую эффективность дистанционной оценки динамики смыва почв, содержания гумуса, выявления распределения и площади контуров подверженных эрозионной деградации, определения измене-

ния площадей смытых участков, обусловленных проявлением эрозионных и дефляционных процессов.

8. Исследования, проведенные на тестовых участках, позволили скорректировать дешифровочные признаки смытости почв, что обеспечивает точность оценки и прогноза эрозионного состояния агролесоландщафтов.

9. Ландшафты на территории исследований в значительной степени дегра-дированы, вследствие чего необходима разработка информационно-картографического обеспечения агролесомелиоративных мероприятий по их восстановлению.

10. Использование ГИС дает возможность оценить взаимосвязи объектов, их взаиморасположение и взаимодействие, понять ситуацию в данном регионе, сделать правильный выбор и лучше подготовиться к принятию решений.

11. Дешифрирование космоснимков эродированных почв и линейных эрозионных форм рельефа рекомендуется проводить на основе фотоэталонов с учетом результатов выборочных полевых исследований.

12. Смытость почв хорошо дешифрируется по снимкам агроландшафтов при воздушно-сухом состоянии поверхностного слоя, как при малых, так и при сильных уровнях смыва. При этом на снимках пахотного слоя отмечаются отличия в тоне изображения, которые при сопоставлении с эталонами дают возможность идентификации уровня смытости.

13. При плоскостном смыве на космоснимке эрозионного ландшафта наблюдается изменение тона изображения, в приводораздельной и присетевой частях склона тон изображения более темный, соответствующий несмытым и мало-смытым почвам; примерно в середине склона он становится более светлым, что соответствует смытым и сильносмытым почвам вплоть до обнажения коренных пород.

14. ГИС-анализ территории обеспечил выявление контуров эрозионной деградации, выделение смытых контуров и границ и их картографирование, что дает возможность выбора лучшего варианта агролесомелиоративного обустройства ландшафта.

15. Анализ распределения пикселей и выделение диапазона дает возможность картографирования контуров с различной степенью смытости. Установлены следующие диапазоны фототона для дешифрирования смытости почв в контуре: несмытые - ДРн=94-109; слабосмытые ДРслб=110 -120; среднесмытые ДРсрд=121-142; сильносмытые ДРслн более 143.

16. Создание в среде ГИС тематических слоев - космокарт с выделенными контурами земель и эрозионной деградации обеспечивает актуализацию имеющейся информации о состоянии агролесоландшафтов, выявление очагов деграда-

ции с установлением их точного расположения.

17. Предлагаемая логистическая математическая модель формы склона дает возможность прогнозировать не только его изменения, но и исследовать распределение величины уклонов в пространстве. Анализ производных позволит определить верхнюю и нижнюю границы зон переходов между устойчивыми (не эро-зионноопасными) и неустойчивыми (эрозионноопасными) участками склонов и оптимальное размещение противоэрозионных насаждений или устройств.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанные тематические карты и модели можно рекомендовать для создания комплексной агролесомелиоративной ГИС, обеспечивающей систему агролесомелиоративных противоэрозионных мероприятий на территории юга Приволжской возвышенности общей площадью 1194,574 тыс га.

2. Разработанную методику моделирования эрозионноопасных склонов можно рекомендовать для проведения исследований эрозионных процессов в ландшафтах - аналогах и создания по их результатам картографо-математических моделей эрозионных процессов в них.

3. Разработанные тематические карты можно рекомендовать как основу для планирования агролесомелиоративного противоэрозионного обустройства земель сельскохозяйственного назначения.

4. Разработанные математические модели можно рекомендовать для прогнозирования изменений уровней деградации агролесоландшафтов.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях, предусмотренных перечнем ВАК, для опубликования основных научных результатов диссертаций

1. Рулев A.C. Методология геоинформационного моделирования / A.C. Ру-лев, В. Г. Юферев, М.В. Юферев // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. -М., 2011.- №5.- С. 5-6.

2. Рулев А. С. Геоинформационные исследования эрозионной деградации в агроландшафтах / A.C. Рулев, В.Г. Юферев, М.В. Юферев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2013. - № 2 (30). - С. 84-88.

Монография коллективная

3. Кулик К.Н. Адаптивно-ландшафтное обустройство земель сельскохозяйственного назначения лесостепной, степной и полупустынной зон Европейской

части Российской Федерации / К.Н. Кулик, A.C. Рулев, М.В. Юферев и др. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2012. - 124 с.

Статьи в научных сборниках и журналах

4. Юферев В.Г. Применение компьютерных технологий при дешифрировании и анализе космоснимков агроландшафтов / В.Г. Юферев, М.В. Юферев, К.Б. Бакурова // Степи Северной Евразии: матер. V междунар. симпозиума / Под ред. A.A. Чибилева. - Оренбург: ИПК "Газпромпечать", ООО "Оренбурггазпромсер-вис", 2009. - С. 755-757.

5. Юферев В.Г. Дешифрирование и оценка экологического состояния защитных лесных насаждений на основе компьютерного анализа космофотосним-ков / В.Г. Юферев, М.В. Юферев // Леса степной зоны европейской части России и ведение хозяйства в них: сб. статей, посвящ. 60-летию филиала ФГУ ВНИЛМ Южноевропейской НИЛОС. - Пушкино: ВНИЛМ, 2009. - С. 119-122.

6. Рулев A.C. Картографо-аэрокосмический мониторинг аридных агроландшафтов/ A.C. Рулев, В .Г. Юферев, М.В. Юферев //Вестник института комплексных исследований аридных территорий. - Элиста, 2011. - №1 (22). - С. 57-63.

7. Юферев В.Г. Анализ состояния ландшафтов Волго-Ахтубинской поймы с использованием аэрокосмических методов / В JT. Юферев, H.A. Андронычев, М.В. Юферев // Изучение и сохранение естественных ландшафтов: сб. статей международной научно-практической конференции, посвящ. 80-летнему юбилею Волгоградского государственного социально-педагогического университета и естественно-географического факультета ВГСПУ (12-15 сентября 2011 г.). - М.: Планета, 2011.-С.27-31.

8. Рулев A.C. Компьютерное моделирование агролесоландшафтов в геоинформационной среде / A.C. Рулев, В.Г. Юферев, М.В. Юферев // Математическое моделирование в экологии: материалы Второй Национальной конференции с международным участием, 23-27 мая 2011 г. - Пущино: ИФХиБПП, РАН, 2011. - С. 228-230.

9. Юферев М.В. / Моделирование геоморфологических особенностей рельефа в ландшафтах приволжской возвышенности Волгоград / М.В. Юферев // Защитное лесоразведение в Российской Федерации: материалы Международной научно-практической конференции, г. Волгоград 17-19 октября 2011 г. - Волгоград: ВНИАЛМИ, 2011С. 277-280.

10. Андронычев Н.О. Геоинформационная оценка состояния ландшафтов Волго-Ахтубинской поймы / Н.О. Андронычев, В.Г. Юферев, М.В. Юферев // Современные проблемы географии, экологии и природопользования: материалы

Международной научно-практической конференции, г. Волгоград 25-26 апреля 2012 г. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2012. - С. 119-123.

11. Юферев В .Г. Геоинформационные методы оценки параметров деградации земель / В .Г. Юферев, М.В. Юферев // Степи Северной Евразии: матер, шестого междунар. симпозиума и VIII международной школы-семинара "Геоэкологические проблемы степных регионов"/ Под ред. А.А. Чибилева. - Оренбург: ИПК "Газпромпечать", ООО "Оренбурггазпромсервис", 2012. - С. 835-839.

Юферев Михаил Валерьевич АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ

И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В ЛАНДШАФТАХ ЮГА ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ (В ПРЕДЕЛАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

Подписано в печать 02.10.2013. Формат 60x90 1/16 Объем 1,0 ус. п. л. Тираж 100. Заказ 10. 400062, Волгоград-62, Университетский проспект, 97. Печагно-множительный участок ВНИАЛМИ.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Юферев, Михаил Валерьевич, Волгоград



ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАЦИИ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ

На правах рукописи

ЮФЕРЕВ МИХАИЛ ВАЛЕРЬЕВИЧ

АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В ЛАНДШАФТАХ ЮГА ПРИВОЛЖСКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ (В ПРЕДЕЛАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ)

06.03.03 - агролесомелиорация, защитное лесоразведение и озеленение населенных пунктов, лесные пожары и борьба с ними

О

со

Диссертация на соискание ученой степени ^ со кандидата сельскохозяйственных наук

СО §

СЧ

СМ

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук Рулев А. С.

Волгоград - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РЕГИОНА ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................................11

1.1. Геолого-морфологические условия..............................................................11

1.2. Климатические условия.................................................................................16

1.3. Почвенные условия........................................................................................17

1.4. Растительность................................................................................................19

1.5. Эрозионные процессы в агролесоландшафтах............................................20

ГЛАВА 2. ПРОБЛЕМА АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО

КАРТОГРАФИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ

ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ..........................................................25

2.1. Теоретические предпосылки геоинформационного картографирования эрозионной деградации в агроландшафтах на основе аэрокосмоснимков.....25

2.2. Использование ГИС технологий и математических моделей для

картографирования эрозионной деградации в агроландшафтах......................34

ГЛАВА 3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ..........................................................40

3.1. Программа и объект исследования...............................................................40

3.2. Оценка эрозионного состояния агроландшафтов.......................................42

3.3. Методика дешифрирования очагов эрозионной деградации по космоснимкам........................................................................................................45

3.4. Методика картографирования эрозионной деградации в агроландшафтах.....................................................................................................54

3.5. Методика моделирования эрозионной деградации в агроландшафтах....57 ГЛАВА 4. АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ.........................................................................................64

4.1. Картографирование эрозионной деградации в агроландшафтах Приволжской возвышенности..............................................................................64

4.2. Геоинформационное картографирование контуров эрозионной деградации..............................................................................................................78

4.3. Эталонирование эрозионной деградации в агролесоландшафтах..........102

4.4. Моделирование эрозионной деградации агроландшафтов......................118

4.5. Оценка состояния и динамики эрозионной деградации...........................122

4.6. Моделирование и картографирование сохранности ЗЛЫ в эрозионных

ландшафтах..........................................................................................................128

ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ АГРОЛЕСОМЕЛИОРАТИВНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ ЭРОЗИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ В АГРОЛАНДШАФТАХ...........................137

5.1. Эколого-экономическая оценка степени деградации агроландшафтов .138

5.2. Эффективность применения ГИС-технологий для оценки и

картографирования состояния агроландшафтов..............................................141

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................173

ПРИЛОЖЕНИЕ В................................................................................................174

ПРИЛОЖЕНИЕ Г................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ Д................................................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ Е................................................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж...............................................................................................178

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ И...............................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ К................................................................................................181

ВВЕДЕНИЕ

Агролесоландшафты юга Приволжской возвышенности являются сложной экологической системой, которая в жестких субаридных условиях территорий юга России находится в состоянии неустойчивого равновесия. При этом внешнее воздействие на систему, превышающее порог устойчивости, выводит ее из этого состояния и она, как любая саморегулирующаяся система, стремится вернуться в исходное состояние. Однако процессы естественного восстановления являются длительными по времени. В зависимости от вида деградации они могут длиться от нескольких, до нескольких тысяч лет. В связи с этим важной научной задачей является изучение процессов изменения экологического состояния таких ландшафтов.

По данным Государственного (национального) доклада "О состоянии и использовании земель Российской Федерации в 2008 году" [57], практически во всех субъектах Российской Федерации продолжается тенденция по ухудшению состояния земель. Среди опасных негативных процессов на территории Российской Федерации интенсивно развиваются эрозия, дефляция, опустынивание и другие процессы, ведущие к потере плодородия сельскохозяйственных угодий и выводу их из хозяйственного оборота. Водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий. Эрозия является одним из наиболее опасных видов деградации, вызывающих разрушение почв и утрату их плодородия.

Опасными в эрозионном отношении являются территории Южного федерального округа, где 24,3% земель подвержены этому виду деградации.

Интенсивность и пространственное распространение эрозионных процессов определяют снижение плодородия сельскохозяйственных угодий в агролесо-ландшафтах, вследствие чего, возникает необходимость выделения показателей, их характеризующих.

Аэрокосмические исследования в совокупности с геоинформационными технологиями и компьютерным моделированием открывают новые возможности

в комплексной оценке ландшафтов с учетом фактора времени. Работы Б.В. Виноградова, К.Н. Кулика, A.C. Рулева и др. [205, 206, 210] показали перспективность и актуальность этого научного направления.

Агролесоландшафты юга Приволжской возвышенности относятся к району средней и сильной эрозии [17]. Эрозионное состояние изучаемой территории характеризуется высокой овражно-балочной расчлененностью, доходящей до 2 км/км и более, что в сочетании с большими углами наклонов склонов уменьшает площадь территории используемой под пашню, ухудшает ее качество, понижает уровень грунтовых вод и т.д. При этом эродированные земли характеризуются большим разнообразием почвенных, литологических и растительных условий, оказывающих влияние на характер их хозяйственного использования. Эрозионные процессы в различной степени динамичны. Скорость их зависит как от климатических, так и антропогенных факторов.

Расчлененность рельефа обусловлена смывом почвы и донным размывом, особенно на прибалочных склонах восточной и южной экспозиций [183]. Значительные площади балочных склонов с углами наклона более 5°, заняты смытыми почвами, обнажениями коренных пород, что затрудняет механизированную обработку, ограничивает применение мероприятий по коренному улучшению травостоя. Такое состояние ландшафтов обуславливает необходимость сплошного облесения балочных земель. При уменьшении расчлененности рельефа уменьшается количество сильноэродированных почв в балочной сети и, соответственно, возрастают возможности размещения прибалочных и приовражных лесных полос, с водозадерживающих и водоотводящих гидротехнических сооружений.

Различные звенья овражно-балочных систем отличаются по почвенно-геоморфологическим и растительным условиям, проявлению эрозии почв, возможностям их хозяйственного использования.

В связи с вышесказанным, можно сделать вывод, что наиболее опасным из деградационных процессов идущих на территории Приволжской возвышенности является водная эрозия, обусловленная особенностями как геоморфологических, так и климатических условий.

Актуальность работы определяется тем, что процесс водной эрозии приводит к ухудшению почвенного и растительного покрова, ухудшению климата и микроклимата региона. Здесь эрозионными процессами в той или иной мере охвачено до 50% пашни [57]. Эрозия, являясь фактором деградации окружающей среды, оказывает неблагоприятное влияние на благополучие региона в целом. Помимо того, что существенно снижается плодородие почв, часть их переходит в земли непригодные для ведения сельского хозяйства, почва выносится в гидрографическую сеть, ухудшая общее состояние водоемов. В связи с этим картографирование и моделирование эрозионной деградации в агроландшафтах юга Приволжской возвышенности является научной задачей, решение которой позволит: своевременно определять очаги эрозии, составлять тематические карты как текущего, так и прогнозируемого состояния эродированных ландшафтов и на их основе осуществлять планирование противоэрозионных мероприятий для эффективной защиты территории.

Так как аэро- и космоснимки содержат обширную информацию о современном состоянии территории, то их использование для картографирования и оценки ландшафтов обеспечивает актуализацию имеющейся информации. Разработка на их основе тематических карт даст полную информацию о площади, распространении и степени водной эрозии рассматриваемой территории. Разработка математических моделей для описания эрозионных процессов на основе статистического пространственно-временного подхода обеспечит достоверное прогнозирование эрозионной обстановки в исследуемых агроландшафтах.

Применение аэрокосмических методов изучения и моделирования деграда-ционных процессов в агроландшафтах на основе компьютерных технологий позволяет проводить мониторинг, оценку и картографирование эродированных аг-роландшафтов, что сокращает затраты на проектно-изыскательские работы, ускоряет их темпы, положительно отражается на результативности агролесомелиорации земель.

Цель исследований - разработать методику агролесомелиоративного картографирования и моделирования эрозионной деградации агроландшафтов, создать

тематические электронные карты и модели для геоинформационных систем на базе современных компьютерных технологий.

Задачи исследований, решенные в процессе исследований:

- разработана методика компьютерного агролесомелиоративного картографирования агроландшафтов в геоинформационной среде, в том числе для определения и выделения эродированных земель, отличающаяся трехмерным подходом при построении электронных карт и многомерным картографированием тематической ситуации;

- разработана методика компьютерного агролесомелиоративного моделирования агроландшафтов, отличающаяся внедрением в модели разработанных уравнений регрессии, описывающих изменение размеров и положения пространственных объектов во времени;

- определено пространственное распределение деградированных земель в агролесоландшафтах;

- осуществлено картографирование эрозионных процессов на основе ГИС-технологий и пространственно-временного анализа космоснимков;

- на тестовые участки разработаны уточненные почвенные и карты лесопри-годности.

Объектом исследований являлась южная часть Приволжской возвышенности (в пределах Волгоградской области). Эрозионные объекты на этой территории являются эталонами для сухостепной почвенно-географической зоны. В связи с чем, результаты исследований, полученные при использовании новых методов компьютерного картографирования и моделирования, могут быть использованы для агролесомелиоративного обустройства ландшафтов, выявления и прогнозирования эрозионных процессов в ландшафтах аналогах.

Геоинформационные технологии, основанные на компьютерной обработке геокодированных данных, в том числе об эрозионном состоянии агроландшафтов, дешифрировании космоснимков и создании тематических картографических слоев, дают возможность анализа таких данных с точной географической привязкой к объектам исследований,

Мониторинг осуществляется на основе космоснимков высокого и сверхвысокого разрешения, дешифрирование которых дает возможность разработки адекватных математико-картографических моделей, позволяющих с достаточной точностью - количественно оценить состояние, проанализировать тенденции изменения и осуществить прогноз развития ситуации в эрозионноопасных агроланд-шафтах.

Научная новизна работы в том, что впервые была разработана методика компьютерного агролесомелиоративного картографирования агроландшафтов, подверженных водной эрозии и составлены тематические карты ландшафтов юга Приволжской возвышенности с применением геоинформационных технологий. На основе гистограммного анализа разновременных космоснимков территории разработаны уравнения регрессии изменения эрозионного состояния характерных агроландшафтов и на их основе осуществлено компьютерное моделирование динамики эрозионных процессов.

Практическая значимость работы определена качественно новым картографическим и геоинформационным обеспечением опытных и проектных работ по лесомелиоративному противоэрозионному обустройству эродированных земель, на основе разработанных электронных тематических карт и моделей агроландшафтов юга Приволжской возвышенности.

Результаты реализации диссертационной работы будут способствовать созданию эрозионно-устойчивых агроландшафтов методами лесной мелиорации, сохранению и повышению плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных угодий на юге Приволжской возвышенности, создадут условия для использования точной (координатной) агролесомелиорации, позволят сократить потери от нерационального использования агроландшафтов.

Исследования проводились с 2009 г. в процессе научно- исследовательских работ по тематическому плану Всероссийского научно-исследовательского института агролесомелиорации (№ Госрегистрации - 01.2.00 611909).

Исследования проводились в рамках проекта поддержанного РФФИ (грант 10-05-97000-р_поволжье_а), в котором автор являлся исполнителем.

Основные результаты работы реализованы при разработке инновационной "Технологии ландшафтного планирования адаптивного лесомелиоративного обустройства сельскохозяйственных земель в лесостепной, степной, полупустынной зонах европейской части РФ на основе геоинформационного картографирования и космоснимков высокого разрешения".

Результаты исследований докладывались на международных конференциях и симпозиумах: "Степи Северной Евразии", Оренбург, 2009; "Леса степной зоны европейской части России и ведение хозяйства в них" Пушкино, 2009; "Изучение и сохранение естественных ландшафтов", Волгоград, 2011; "Математическое моделирование в экологии", Пущино, 2011; "Современные проблемы географии, экологии и природопользования"; Волгоград, 2012; "Степи Северной Евразии", Оренбург, 2012.

Разработка "Технология ландшафтного планирования адаптивного лесомелиоративного обустройства сельскохозяйственных земель в лесостепной, степной, полупустынной зонах европейской части РФ на основе геоинформационного картографирования и космоснимков высокого разрешения" удостоена диплома РАСХН за 2010 год.

Работа основана на оригинальной, разработанной в отделе ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследований ВНИАЛМИ методологии, интегрирующей картографические, фотограмметрические, полевые методы исследований с использованием компьютерного дешифрирования и анализа аэро-и космоснимков агролесоландшафтов.

На защиту выносятся следующие основные положения работы:

- методика моделирования эрозионной деградации в агролесоландшафтах;

- методика агролесомелиоративного геоинформационного картографирования эрозионной деградации в агролесоландшафтах;

- закономерности геоморфологии ландшафтов юга Приволжской возвышенности;

- закономерности динамики эрозионной деградации в агролесоландшафтах;

- закономерности (пространственно-временные) изменения сохранности

3JIH в агролесоландшафтах.

Большое содействие и помощь в проведении работ оказали Лауреат премии Правительства РФ, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент Рос-сельхозакадемии A.C. Рулев; заслуженный деятель науки РФ, академик Россель-хозакадемии, доктор сельскохозяйственных наук К. Н. Кулик, а также весь коллектив отдела ландшафтного планирования и аэрокосмических методов исследовани