Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны Западного Предкавказья

Киселев, Евгений Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны Западного Предкавказья
ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны Западного Предкавказья"

На правах рукописи

□□3475218

Киселев Евгений Николаевич

ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ПОЛЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ В ПРЕДЕЛАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЗАПАДНОГО ПРЕДКАВКАЗЬЯ

25.00.23 - физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ставрополь - 2009

003475218

Работа выполнена в Кубанском государственном университете

Научный руководитель:

доктор географических наук, доцент Погорелов Анатолий Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, доцент Братков Виталий Викторович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Колесников Сергей Ильич

Ведущая организация:

Северо-Кавказское управление Росгидромета

Защита состоится 30 июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.256.10 при Ставропольском государственном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп. 2, аудитория 506. Факс (8652) 35-43-53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан 29 мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук, доцент К.Ю. Шкарлет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Проблема исследования влажности почв в семиаридных условиях юга России имеет явно выраженные теоретические и практические аспекты. В теоретическом плане актуальность изучения почвенной влаги определяется недостаточными знаниями ее свойств на исследуемой территории. Насущной методико-теоретической задачей является обоснование и разработка приемов оперативной оценки распределения влажности почвы по данным дистанционного зондирования. Одна из сторон решения этой задачи - моделирование поля анализируемого показателя почвы на основе установления функциональных и статистических связей влажности почвы с факторами ее формирования.

В прикладном смысле актуальность изучения влажности почвы необходимо рассматривать в агрометеорологической и сельскохозяйственной плоскости. Краснодарский край - один из наиболее продуктивных аграрных комплексов России, в котором растениеводство играет ключевую роль. Выращивание зерновых культур весьма требовательно к запасам продуктивной влаги в почве. Режим влажности почв выступает одним из элементов агропотенциала территории.

Естественные взаимодействия в системе почва- вода нарушаются по причине повсеместной антропогенной трансформацией почв в регионе. Признаки антропогенной трансформации - перераспаханность, дегумификация (минерализация) и пр. - находят свое отражение в модификации территориальной структуры влажности почвы. Подобные изменения заслуживают внимания и в связи с тем, что влаж-ностные характеристики почв относятся к критическим индикаторам ландшафтов.

Изученность проблемы. Опубликованные сведения о влажности почв на территории Западного Предкавказья исчерпываются справочной информацией. Накопленные за последние десятилетия данные измерений влажности почвы, выполняемых гидрометеорологической службой, до настоящего времени не получили должного обобщения. Целенаправленные исследования почвенной влаги с последующим пространственно-временным анализом регионального уровня не проводились. Можно констатировать, что изученность территориальной и временной структуры влажности почвы явно не отвечает природной (климатической, водно-балансовой) и хозяйственной значимости почвенной влаги.

Существующие пространственные обобщения 1970-1980-х гг., представленные в форме районирования и карт запасов продуктивной влаги в почве (С.А. Ве-риго, Л.А. Разумова, E.H. Романова, Л.С. Кельчевская и др.), относятся к макро-масштабному или зонально-географическому уровням.

Современные спутниковые данные и геоинформационные технологии предоставляют возможность развить традиционные методы исследований почвенной влаги и перейти от дискретного анализа (по наблюдениям на пунктах) к континуальному моделированию исследуемого показателя.

Цель диссертации - на основе обширного эмпирического материала описать территориальную структуру и динамику поля влажности почвы в степной зоне Западного Предкавказья, а также теоретически обосновать и разработать методику анализа и оперативного моделирования пространственного распределения запасов продуктивной влаги в почве. Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:

1. раскрыть физико-географическую обусловленность территориальной структуры и временного распределения почвенной влаги как климатического (метеорологического) и водно-балансового компонента;

2. исследовать сезонную и многолетнюю динамику влажности почвы посредством расчета статистических параметров многолетней изменчивости и установления закономерностей режима увлажнения почвы;

3. описать территориальную структуру поля влажности почвы в корнеобитаемом слое на исследуемой территории в связи с метеорологическими факторами ее формирования;

4. на основе ГИС-технологий разработать новые подходы к территориальному анализу и картографированию влажности почвы;

5. дать теоретическое обоснование и разработать методику оперативной оценки и картографирования влажности почвы на территории Западного Предкавказья по данным спутников AQUA и TERRA;

6. по данным спутниковых снимков выполнить статистическое исследование связей между территориально распределенными показателями влажности почвы и ее индикаторами - альбедо, температурой подстилающей поверхности, нормализованным вегетационным индексом.

Основным объектом исследования являются почвы степной зоны Западного Предкавказья в границах Краснодарского края и республики Адыгея. Предметом исследования выступает территориальная структура и динамика поля влажности почвы.

Исходные материалы представлены: 1. данными регулярных декадных измерений влажности почвы на 19 метеостанциях Краснодарского края (1969-2004 гг.); 2. данными стандартных метеорологических измерений показателей, определяющих режим почвенной влаги (осадки, температура и влажность воздуха и др.) (1969-2004 гг.); 3. космическими снимками спутников AQUA и TERRA; 4. данными дешифрирования космических снимков в виде численных значений ячеек растра с показателями влажности почвы, температуры поверхности, вегетационного индекса NDVI, альбедо.

Методы исследования. При разработке теоретических аспектов диссертации автор опирался на общеметодологические подходы в исследовании почвенной влаги, сформированные представителями отечественной школы почвоведения и агрометеорологии Г.Н. Высоцким, A.A. Роде, Н.Г. Иовенко С.А. Вериго, JI.A. Ра-зумовой, JI.C. Кельчевской и др. Исследования ряда авторов в области климатологии, агрометеорологии, ландшафтоведения, почвоведения и смежных дисциплин (Л.С. Кельчевская, Л.О. Карпачевский, И.И. Лебедева, В.П. Самсонова, A.A. Исаев, Э.Г. Коломыц, Ю.Г. Пузаченко, Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова и др.) оказали влияние на постановку задач и объяснение полученных результатов. В процессе обработки агрометеорологических и спутниковых данных широко использовались статистические методы - регрессионный и корреляционный анализ, тренды.

Картографическое обеспечение анализа поля влажности почв по данным наземных и спутниковых наблюдений опиралось на методику ГИС-картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов и др.). При использовании спутниковых снимков для моделирования метеорологических полей автор опирался на зарубежный опыт (Wagner, 1998; Lakhankar et al, 1998; Galantowicz et al, 2001; Zhan et al, 2002; McBratney et al, 2003 Hutchinson et al, 2006; и др.).

Основу программного обеспечения при статистической обработке информации составил пакет SPSS, а при геоинформационном моделировании и обработке спутниковых снимков - пакет ArcGIS (ESRI Inc., США).

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

1. установлены закономерности сезонного хода, многолетней вариабельности и пространственной корреляции влажности почв в корнеобитаемом слое на исследуемой территории;

2. с использованием комплекта построенных карт запасов продуктивной влаги в почве и сопутствующих метеорологических показателей раскрыта их территориальная структура на региональном уровне;

3. разработана структура, определено содержание и создана специализированная ГИС, предназначенная для анализа и картографирования запасов продуктивной влаги в почве, а также других агрометеорологических показателей;

4. обоснована и реализована методика оперативной оценки и картографирования влажности почв Краснодарского края;

5. выполнен многомерный статистический анализ влажности почв и ее индикаторов (температуры земной поверхности, альбедо, вегетационного индекса).

Научная и практическая значимость. Создание единой базы данных для хранения всей доступной информации по влажности почвы и сопутствующих данных усовершенствовало информационное обеспечение агрометеорологических исследований в Краснодарском крае. Разработанная методика картографирования запасов продуктивной влаги в почве применяется Краснодарским краевым центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (КЦГМС) в оперативной деятельности. Технология использования спутниковых снимков позволила дополнить данные наземных наблюдений континуальной информацией о полях влажности и сопутствующих агрометеорологических показателях. Построенные карты развивают представления о структуре поля запасов продуктивной влаги в почвах.

Диссертационное исследование в значительной мере связано с выполнением научно-исследовательских работ по гранту РФФИ (проект 04-05-65307-а), в котором диссертант являлся одним из исполнителей.

Апробация. Основные теоретические положения и практические результаты докладывались и обсуждались на X Всероссийском форуме «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2003); XVII и XVIII межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2004, 2005); научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Гузерипль, 2006); конференциях грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Туапсе, 2006, 2007); конференции «Проблемы гидрометобеспечения отраслей экономики и населения горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Архыз, 2007), а также на ежегодных студенческих конференциях в КубГУ (2003-2006). Результаты исследования неоднократно обсуждались на научно-методических семинарах и расширенных заседаниях кафедры геоинформатики КубГУ (2006-2009).

По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 работ.

Объем и структура работы. Диссертация объемом 208 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников (111 наименований, в том числе 29 иностранных). Работа содержит 70 иллюстраций, 15 таблиц, 17 приложений.

Первая глава посвящена оценке изученности и географическим факторам формирования почвенной влаги. Во второй главе характеризуются традиционные и современные исследования влажности почв. В третьей главе рассматривается временная динамика запасов продуктивной влаги в почве. Результаты анализа территориальной структуры влажности почв изложены в четвертой главе. В пятой главе рассмотрены возможности применения спутниковых съемок для прямых и косвенных оценок влажности почв.

Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю Анатолию Валерьевичу Погорелову за поддержку и постоянное внимание, сотрудникам кафедры геоинформатики КубГУ Е.Г. Ловцову, Е.В. Куркиной, Ж.А. Думит, Е.С. Бойко за плодотворное обсуждение на всех этапах работы, Г.М. Соля-нику и З.А. Бекух за ценные замечания. Отдельная признательность - руководителю Краснодарского краевого центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Ю.Ю. Ткаченко и сотрудникам отдела агрометеорологии за предоставленные данные и полезные консультации.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ЗАЩИЩАЕМЫЕ АВТОРОМ

1. Региональное строение полей метеорологических элементов и агро-гидрологических свойств почв обусловливает территориальную структуру и динамику поля влажности почвы в корнеобитаемом слое.

По своему воздействию на запасы продуктивной влаги температура воздуха и осадки относятся к инерционным факторам сезонной и межсезонной временной протяженности. Фоновое (осредненное) термическое поле как условие режима влажности почвы демонстрирует пространственную и временную неоднородность, отчетливую анизотропию, проявленные в сезонном изменении положения изотерм, направлений и величин горизонтальных термических градиентов. В течение марта - июня происходит радикальное изменение регионального строения термического поля с фактической сменой направления термических градиентов на противоположное. Подобная неоднородность структуры говорит о значимости температуры воздуха как фактора пространственно-временной изменчивости влажности почвы. Необходимо указать на особые термические условия в северной части Краснодарского края, характеризующиеся заметной внутригодовой контрастностью и высокими горизонтальными градиентами.

На структуру поля осадков влияют континентальность и связанные с ней циркуляционные процессы. Наибольшая пространственная неоднородность в атмосферном увлажнении наблюдается в декабре-феврале, когда средние суммы осадков на равнинной части Краснодарского края осадков изменяются от 80 до 224 мм (рис. 16). В этот период область максимума осадков находится в юго-западной части исследуемой территории, минимум - на востоке.

Переходная зона между областями со средиземноморским и континентальным типами годового хода осадков характеризуется наличием двух более или менее проявляющихся внутригодовых максимумов.

В теплый период пространственные контрасты осадков менее выражены, причем максимум увлажнения сдвигается на юго-восток. В период, предшествующий севу озимых, осадки выступают лимитирующим фактором в центре и на севере края (рис. 1а), где сентябрьские нормы осадков не превышают 37 мм. Отчетливый зимний минимум осадков на востоке свидетельствует о наименее благоприят-

ных условиях возобновления вегетации именно в этой части Краснодарского края (рис. 16).

Рис. 1. Распределение средних сумм осадков: а - сумма за сентябрь, б - сумма за декабрь-февраль, в - сумма за два месяца, предшествующие 3-й декаде мая, г - сумма за два месяца, предшествующие 2-й декаде июня

Однако в фазы колошения и достижения молочной спелости озимой пшеницы юго-восточный сектор края оказывается в наилучших условиях увлажнения, в то время как на западе в Приазовье в целом отмечается уменьшение фоновых сумм осадков (рис. 1 в, г). Весной главной закономерностью в распределении сумм осадков является их постепенное увеличение вглубь территории Краснодарского края. Структура поля фоновых осадков в течение года претерпевает существенные изменения, главным из которых при объяснении режима формирования влажности почвы следует назвать перемещение в равнинных районах Краснодарского края области максимума осадков от западного побережья зимой вглубь территории на восток весной-летом. Это усиливает неоднородность в пространственном распределении осадков в ключевые фазы перезимовки и вегетации озимых: во все рассматриваемые периоды экстремальные суммы осадков на относительно небольшой территории различаются кратно (рис. 1). Такая неоднородность и изменчивость в увлажнении свидетельствует о необходимости учета вклада осадков в структуру поля влажности почвы.

Уровень изученности генетических и морфологических свойств почв Западного Предкавказья (Черноземы..., 1985; Вальков и др., 2002; Лебедева, 2003; Вальков и др., 2006; Соляник, 2004 и др.) несомненно выше, чем их климатических (почвенный климат) и гидрологических (водный режим и режим влажности) свойств. С появлением новой субстантивной классификации почв (Шишов и др., 2004) в существующие региональные почвенные карты, очевидно, необходимо вносить коррективы, поскольку изменение принципов классификации приводит к изменению объема и содержания выделенных таксонов. Опубликованные почвенные карты Краснодарского края и Адыгеи, сопутствующие им классификации и материалы показывают, что интерпретации пространственного распределения почв в разных источниках отличаются в деталях, несущественных для исследований водно-физических свойств почв на региональном уровне.

Водно-физические и агрогидрологические (механический состав, максимальная гигроскопичность, влагоемкость и др.) свойства почв являются их неотъемлемым атрибутом, поэтому выделяемые любые единицы классификации почв априори позволяют в известной мере судить и о режиме влажности. По мнению Л.С. Кельчевской (1983), тип и подтип почвы закономерно включают оценку их естественного увлажнения, что делает возможным систематизацию почв по их гидрологическим свойствам, т.е. составление так называемого почвенного гидроряда или гидрологической классификации почв по аналогии с гидротермическим рядом. Имея представление о систематизации почв по степени их естественного увлажнения на данной территории, можно выполнить косвенную оценку режима увлажнения и запасов продуктивной влаги, переходя от фоновых показателей к установлению закономерностей территориальной структуры увлажнения на уровне типов и подтипов почв.

2. Временной динамике влажности почв IV на исследуемой территории свойственны закономерности, выраженные в подобии ее внутригодового распределения в разных частях региона, установленных статистических параметрах многолетней изменчивости, сезонном ходе территориальной корреляции IV, а также отсутствии достоверных многолетних трендов запасов продуктивной влаги в почве.

Среди показателей содержания влаги в почве наиболее важным является запас продуктивной влаги IV в метровом слое (0-100 см), оказывающий инерционное влияние на состояние растительности и саму урожайность. Среди сельскохозяйственных культур края доминируют озимые, поэтому анализировались данные наблюдений за влажностью почвы под озимыми культурами (пшеница, ячмень), почвенные условия которых являются типичными для степной части края.

К числу традиционных методов исследования режима влажности относятся построение графиков годового хода запасов продуктивной влаги, эпюр и гидроизо-плет. Исследование режима влажности проводилось в двух направлениях: 1) анализ временной динамики (внутригодовой и многолетней) запаса продуктивной влаги; 2) анализ сезонного распределения влажности почвы на разных глубинах в пределах корнеобитаемого слоя (0-100 см) IV, (ю. Изучение сезонного распределения влажности почвы в корнеобитаемом слое проводилось путем построения эпюр с применением процедуры интерполяции в среде ГИС.

При рассмотрении годового хода среднемноголетних запасов продуктивной влаги в почве IV годового целесообразно ориентироваться на ключевые перио-

ды вегетации озимых: осенняя вегетация (посев - прекращение вегетации), весенняя вегетация (возобновление роста - выход в трубку), формирование колоса и цветка (выход в трубку - цветение) и формирование зерна (цветение - восковая спелость). Для кривых годового хода среднемноголетних запасов продуктивной влаги в метровом слое 1Ут характерен одновершинный вид (рис. 2) с хорошо выраженными максимумом в зимний период и минимумом летом. На всей территории отмечается подобие осредненного годового хода 1Уию, что свидетельствует о хорошей согласованности сезонной изменчивости гидротермических факторов формирования запасов продуктивной влаги.

—•—Армавир -*-Ейск -•—Краснодар -М-Кущевскм

Лабинск ——Оградна* —Пр.-Ахтарск —»-Тимашевск —I—Тихорешс -в— Усть-Лабинск

VIII [X X XI XII I II III IV V VI VII

Рис. 2. Годовой ход средних многолетних запасов продуктивной влаги почвы в слое 0-100 см

В сглаженном ходе 1¥т следует выделить 3 фазы: 1) август-декабрь - фаза монотонного роста влажности почв с положительным балансом приходно-расходных составляющих увлажнения почв; 2) январь-март - фаза относительной стабилизации , когда приходно-расходные элементы водного баланса приблизительно равны; 3) фаза постепенного уменьшения 1Ут с апреля по июль, в течение которой баланс увлажнения почвы в корнеобитаемом слое устойчиво отрицательный. На большей территории края сев озимой пшеницы происходит обычно в первой декаде октября. К этому времени запасы продуктивной влаги под сельскохозяйственными культурами бывают практически израсходованы. Осенью расход влаги на транспирацию незначителен, испарение с поверхности почвы вследствие понижения температуры и повышения относительной влажности уменьшается. Это способствует постепенному пополнению запасов продуктивной влаги в корнеобитаемом слое. С началом вегетации (2-3 декады марта) наблюдается значительное уменьшение продуктивной влаги под озимыми (рис. 2) по причине активной эва-потранспирации и повышения температуры воздуха. С этого времени на величине

расходов влаги из почвы начинают сказываться характер развития корневой системы и состояние надземной массы растений.

Годовой ход запасов продуктивной влаги по среднедекадным данным в слоях 0-10, 0-20 и 0-50 см в общих чертах схож с динамикой в рассмотренных выше слоях, но отличается амплитудой Ж.

В качестве показателей межгодовой временной изменчивости № с декадным временным разрешением использовались среднеквадратические отклонения а и коэффициенты вариации С„ Наибольший интерес представляют сведения о вариабельности запасов продуктивной влаги в метровом и пахотном (0-20 см) слоях. Внутригодовой ход среднеквадратических отклонений запасов продуктивной влаги (т.е. абсолютных показателей временной изменчивости) в слое 0-100 см омо на анализируемых станциях довольно хаотичен. Однако в виде общей тенденции можно отметить стремление среднеквадратических отклонений к минимуму в феврале-марте и к максимальным значениям на большинстве пунктов наблюдений в июне-июле. Установленный ход оюо в феврале-марте является зеркальным по отношению к годовым изменениям среднемноголетних значений и объясняется вкладом абсолютных величин ]¥ в показатели вариаций. Характерные пределы внутриго-довых изменений а!0о на отдельных пунктах составляют 17-45 мм (Ейск), 15-43 мм (Краснодар), 32-64 мм (Армавир), 28-63 мм (Отрадная).

Коэффициент вариации С„ как статистический показатель, представляя нормированную величину предпочтителен при оценке многолетней временной изменчивости IV. Подекадная динамика С„ независимо от слоя имеет выраженные сезонные закономерности (рис. 3). Отчетливый минимум Су наблюдается в феврале-апреле, что свидетельствует об относительной межгодовой стабильности запасов продуктивной влаге в этот период во всех почвенных слоях, иначе говоря. Максимумы Су отмечаются в подавляющем большинстве случаев в июне - в период, когда влагообеспеченность растений наиболее важна.

Рис. 3. Годовой ход коэффициента вариации запасов продуктивной в слое почвы 0-100 см

Для всех слоев характерно заметное уменьшение Су к концу июля, вызванное, вероятно, не метеорологическими, а биологическими причинами. После уборки озимых запасы продуктивной влаги начинают увеличиваться, влияя на многолетнюю вариабельность IV в сторону ее уменьшения

Годовая динамика запасов продуктивной влаги во всех слоях сохраняет черты подобия, однако, как и следовало ожидать, большая изменчивость Ш свойственна слоям 0-10 и 0-20 см, где процессы водообмена менее инерционны в сравнении с метровым слоем.

Эпюры строились по среднемноголетним данным, а также за аномальные по влагообеспеченности растений годы - 1978-79 г. (засушливый) и 2002-03 г. (влажный). Общей закономерностью является уменьшение средних запасов продуктивной влаги с глубиной независимо от времени года, однако в разные периоды, равно как и в разные годы, это уменьшение определяется неодинаковыми вертикальными градиентами. Сравнение «нормальных» изоплет и изоплет за аномальные по влажности почвы годы позволяет заключить, что они имеют очень мало общего. Это свидетельствует о том, что климатические нормы не характеризуют реальные метеорологические условия.

Изучение эпюр показало, что в течение одного агрометеорологического года режим влажности почвы в слое 0-100 см в отдельные периоды, несмотря на инерционность характеристики, может радикально меняться, переходя, например, от избыточного увлажнения к недостаточному, и наоборот. Поэтому ключевые фазы развития растений в течение одного года могут иметь совершенно разное почвенное влагообеспечение.

Анализ сопряженного хода запасов продуктивной влаги, осадков и температуры воздуха в разные годы (рис. 4, 5) отчетливо показывает реакцию влажности почвы на метеорологические элементы и позволяет судить о локальном механизме почвенного водного баланса. Осадки выступают ключевым фактором накопления влаги в почве, определяя ее динамику в рассматриваемых почвенных горизонтах. По данным рассматриваемых пунктов наблюдений скорость реакции влажности почвы на режим осадков, заметная по эпюрам, в слоях 0-20 и 0-50 см, составляет обычно 1-3 декады. При этом в мае-июне инерционность процессов почвенного водообмена намного ниже, чем в месяцы холодного полугодия.

Анализ многолетних изменений Ж в метровом слое для первых декад апреля (возобновление вегетации), июня (цветение) и ноября показал, что период 19692004 гг. характеризуется слабо выраженным ростом запаса продуктивной влаги с низкой достоверностью тренда. Можно заключить, что в исследуемый период содержание влаги в почве на фоне закономерных межгодовых флуктуаций в целом было стационарным.

Посредством анализа корреляционных матриц установлена довольно слабая в целом территориальная согласованность многолетних изменений запасов продуктивной влаги в почве в течение года, причем пространственная корреляция запасов влаги в корнеобитаемом слое становится статистически значимой летом (июнь).

1 к) ч i 1

■ Ш W, ч 1 i

1-1Х ИХ J-1X 1-Х 1.x J-X l.xi 2-VI 3-Xt M 2-11 Mil 2-III J-III 1-1V 2-l\ 3-1% l-\ I-V l-VI J-VI 3-VI

Рис. 4. Годовой ход декадных сумм осадков (1), температуры воздуха (2) в 1978-79 г. и среднемноголетней температуры воздуха (3) на станции Усть-Лабинск

Рис. 5. Годовой ход декадных сумм осадков (1), температуры воздуха (2) в 2002-03 г. и среднемноголетней температуры воздуха (3) на станции Усть-Лабинск

3. Особенности структуры поля запасов продуктивной влаги в почве в пахотном и корнеобитаемом слоях обусловлены распределением сумм осадков за предыдущие декады/месяцы. Структура и сопряженность полей картографируемых переменных обосновываются комплектом построенных нзолиней-ных карт.

Фоновые показатели распределения влажности почв позволяют абстрагироваться от локальной изменчивости поля IV, вызванной пространственными флук-туациями литогенной основы (гранулометрического состава), микрорельефом и пр., и сосредоточиться на территориальных закономерностях регионального масштаба. Для поиска таких фоновых закономерностей целесообразно воспользоваться стандартной для практики моделирования геполей процедурой. Моделирование поля запасов продуктивной влаги в почве осуществлялось нами методом интерполяции (экстраполяции) данных прямых измерений IV на 18 станциях, относительно равномерно распределенных на исследуемой территории. Создан комплект карт, отражающих фоновое распределение влажности почв в слоях 0-20 и 0-100 см с декадным временным разрешением. Способ изображения - количественный фон. Для обеспечения сравнительного анализа карт применялась универсальная шкала с шагом 3 и 20 мм соответственно для слоев 0-20 и 0-100 см. Усиление информативности карт достигалось в некоторых случаях показом изогнет.

К концу сентября (перед севом озимых) запасы продуктивной влаги под сельскохозяйственными культурами достигают минимума. Наименьшие величины Щ00 (40-60 мм) наблюдаются на северо-востоке территории, наибольшие (120-140 мм) - на юго-востоке; на большей части рассматриваемой территории Я'юо>60 мм (рис. 6 а).

В фазу возобновления вегетации значения ГГщо близки к максимальным за год, распределяясь довольно равномерно на исследуемой территории в диапазоне 120-180 мм (рис. 6 б). Несколько хуже увлажнены почвы в северной части края с преобладающими величинами й7юо=130^-150 мм, что, тем не менее, позволяет отнести средние запасы продуктивной влаги в целом к очень хорошим и хорошим (на большей части территории) и удовлетворительным (на северо-востоке). В фазу выхода в трубку (3-я декада апреля) Цгт колеблется от 170 до 100 мм с общей тенденцией уменьшения с юга на север и северо-восток (рис. 6 в). К 3-й декаде мая в фазу колошения озимых фоновое распределение 1¥т характеризуется отчетливой закономерностью понижения запасов продуктивной влаги в почве с юга равнинной части края на север от 130-100 мм до 60-80 мм.

Схожесть структуры полей IVт на конец мая и сумм осадков за два предшествующих месяца, а также почти буквальное совпадение в пространстве абсолютных величин сравниваемых показателей показывает приоритетный вклад осадков в формирование поля IVт. Подобную структуру полей демонстрируют суммы осадков за май и средние запасы продуктивной влаги на 1-ю декаду июня в период цветения озимых (рис. 6 г). Наконец, к 3-й декаде июня с достижением восковой спелости озимых средние запасы продуктивной влаги приближаются к своему годовому минимуму - на большей части территории они не превышают 60 мм, сохраняя закономерность постепенного уменьшения с юго-востока на северо-запад Краснодарского края.

Рис. 6. Средние запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-100 см: а - на 3-ю декаду сентября, б - на 3-ю декаду марта (возобновление вегетации), в - на 3-ю декаду апреля (выход в трубку), г-на 1-ю декаду июня (цветение озимых). Изогиеты показывают суммы осадков за предыдущий месяц

В целом наибольшие отклонения от нормы в режиме многолетнего увлажнения почвы в течение года свойственны северной части территории, что говорит об относительной межгодовой неустойчивости этого показателя в сравнении с южными и юго-восточными районами.

4. Приемы геоинформационного картографирования дают возможность разработать принципиально новые подходы к территориальному анализу влажности почвы, преодолевающие противопоставление двух основных способов традиционного картографирования - изолинейного (интерполяционного) и генетико-типологического.

Изолинейное картографирование способно привести к упрощенному представлению распределения запасов продуктивной влаги. Однако, с другой стороны, оно дает представление о региональных и мезомасштабных закономерностях переменной, абстрагируясь от локальной изменчивости Ш, определяемой, главным образом, прямым и опосредованным влиянием литогенного фактора. Решалась методическая задача оценки распределения влажности почв под озимыми на основе учета дискретных почвенных ареалов. При постановке задачи мы исходили из дис-

кретно-континуальной природы самой почвы в проявлениях ее морфологических свойств и почвенного климата.

Весной в период максимальной влажности почв средние многолетние запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы весьма изменчивы. Так, в 1-й декаде марта они колеблются от 126 мм (Тихорецк) до 212 мм (Славянск-на-Кубани), в 3-й декаде мая - от 70 мм (Сосыка) до 133 мм (Лабинск). Подобные контрасты вызваны существенно различающимися морфологическими и связанными с ними водно-физическими свойствами почв на исследуемой территории, которые при достаточно однородном климатическом и геоморфологическом фоне выступают основными пространственно дифференцирующими факторами влажности почв.

Типы и подтипы почв включают оценку их естественного увлажнения, что делает правомерным использование данных таксономических единиц при картографировании пространственного распределения показателей влаги в почве. На этом основан генетико-типологический подход картографирования, при котором производится первоначальная генетическая группировка почв, а затем осуществляется последующая их типология с учетом гидрологических свойств почв (Кельчев-ская, Полевая, 1970; Кельчевская, 1971, 1983). Существующая сеть наблюдений в Краснодарском крае явно не способна отразить структуру поля влажности с пространственным разрешением, соответствующим точности почвенной карты. Как известно, зависимость водно-физических свойств почв (полная и наименьшая вла-гоемкость) от их генетико-морфологических особенностей (мощность отдельных горизонтов, механический состав, плотность, структура, сложение и пр.) в наибольшей мере проявляется при близких климатических условиях.

Основное преимущество реализации геоинформационных технологий применительно к предлагаемой методике анализа влажности почв заключаются в возможностях растровых операций, предусматривающих комбинирование слоями посредством растрового калькулятора и переклассификации (reclassify) ячеек. Комбинирование слоями, представленными а) изолинейными картами запасов продуктивной влаги в почве и б) почвенной картой, позволяет построить результирующие модели (поверхности) с учетом заданного веса слоев (ячеек растра). Тем самым убирается противопоставление двух приведенных технологий построения карт влажности почв.

Ключевым моментом анализа является процедура классификации растровых слоев, особенно ответственная при разбиении на классы всего множества типов/подтипов почв, т.е. фактически установлении почвенного гидроряда для исследуемой территории. Под гидрорядом понимается систематизация типов/подтипов почв в соответствии с их гидрологическими свойствами (гидроморфизмом) в ряду изменения почв от автоморфных до гидроморфных. Систематизация почв в виде почвенного гидроряда позволила выполнить эксперимент с комбинированием растровых слоев и построением разных вариантов карты, отражающей степень естественного увлажнения почв. Карта синтезирует две индексных составляющих естественного увлажнения почв: запасы продуктивной влаги в метровом слое и типы почв.

Моделирование предполагало выполнение растровых операций с учетом определенного вклада (весов) этих составляющих.

Операции в растровом калькуляторе выполнялись по формуле GRID HY = GRID S*Ks + GRID Н*Кн, где GRID HY - выходной растр, GRID S - растр типов почв с присвоенными классами естественного увлажнения, К - весовой коэффициент, GRID Н - растр распределения запасов продуктивной влаги (на 3-ю декаду мая).

При определении весовых коэффициентов мы исходили из того, что вклад в увлажнение генетико-морфологического критерия - типа почв - несомненно доминирует, определяя «узор» их естественного увлажнения на фоне сглаженного поля запасов продуктивной влаги с соотношением весов KS/KH = 2/1 (рис. 7).

У/Л горная row'Topiw

Рис. 7. Распределение показателей естественного увлажнения почвы согласно гидрологической классификации. Во врезке при картографировании применялось соотношение Ks/ Кн = 1.

Вместе с тем, экспериментальный характер моделирования дает возможность варьировать весами используемых критериев увлажнения почв, а также применять модели (поверхности) полей средних многолетних запасов продуктивной влаги в почве для разных месяцев (декад).

Таким образом, предложен и реализован способ построения тематической карты в единых интегральных показателях, дающей целостное изображение влажности почвы с учетом фоновых количественных показателей влажности и номинальной типологии почв.

5. Данные спутников AQUA и TERRA позволяют разработать методику оперативной оценки и картографирования влажности почвы и ее индикаторов на территории Западного Предкавказья с пространственным разрешением 1 км.

Для изучения структуры запасов продуктивной влаги доступен весь арсенал дистанционных методов съемки в разных диапазонах электромагнитного спектра. Использование дистанционных методов позволяет оперативно получить целостную картину пространственного распределения влажности почв в поверхностном горизонте и сопутствующих показателей на большой территории. В зависимости от применяемого оборудования дистанционные методы делятся на съемки в видимом, ближнем инфракрасном, дальнем инфракрасном и радио- диапазонах. Спутниковая съемка, помимо значительного пространственного охвата, имеет ряд преимуществ. Съемка в радиодиапазоне не зависит от погодных условий (облачности) и времени суток. При определении влажности поверхностного слоя почвы в радиодиапазоне используется только информация самого радиометра. При других видах съемки для расчета влажности почвы необходима дополнительная информация (метеорологические данные, морфологические и гидрологические характеристики почв).

В работе использованы снимки, полученные со спутников AQUA (запущен NASA в мае 2002 г.) и TERRA (запущен в декабре 1999 г.) с помощью сенсоров AMSR-E и MODIS. Сканер AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer) разрабатывался с учетом целенаправленного изучения влажности почв. Пространственное разрешение съемки сканером AMSR-E равно 50 км. Сканер MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), имеющий 36 спектральных каналов в видимом, ближнем, среднем и дальнем ИК-диапазонах, предназначен для более широкого применения. Доступ к спутниковым снимкам осуществлялся через Интернет-сервис LP DAAC (The Land Processes Distributed Active Archive Center), позволяющий сделать выборку из информационного архива европейской программы экологического мониторинга EOS (Earth Observing System). Большая часть спутниковой информации LP DAAC распространяется в специфическом формате HDF (Hierarchical Data Format), который позиционируется как формат для сложных составных данных, включающих тексты, растры, таблицы и т.д. В расширении формата HDF-EOS нами получены данные по следующим показателям, фигурирующим как информационные продукты: влажность почвы WR, альбедо Л, температура подстилающей поверхности LST (дневная /д и ночная /н), нормализованный вегетационный индекс NDVI, характеризующий количество фотосинтетически активной биомассы.

Показатель влажности почвы WR имеет временное разрешение 1 сутки, при этом пространственный охват одного снимка - вся поверхность земной суши. Поскольку радиолучи беспрепятственно проходят через толщу атмосферу, то, в отличие от оптического диапазона, облачность не влияет на получаемое количество и качество данных. Показатели альбедо и вегетационного индекса представлены в архиве LP DAAC с 16-дневным осреднением, температура поверхности - с 8-дневным осреднением (composite image). Такое осреднение связано с невысокой временной изменчивостью данных переменных в течение указанного промежутка времени. Кроме того, выбранное временное разрешение минимизирует шумовое влияние облачности на извлекаемые переменные/!, /д, /н, NDVI.

Образцы снимков показаны на рисунке 8.

Для экспериментов со спутниковыми данными нами установлен временной период апрель - декабрь 2003 г. Выбор этого периода обусловлен, в первую очередь, полнотой исходных данных и репрезентативностью метеорологических условий. Материалы представлены 15 комплектами по 5 снимков, характеризующих ключевые фазы произрастания озимой пшеницы в течение выбранного года.

Рис. 8. Распределение влажности почвы Wr в поверхностном слое (а) и температуры подстилающей поверхности LST(б) по данным спутников Terra и Aqua (20 мая 2003 г.)

Методика обработки первичных спутниковых данных для каждой даты (периода) съемки состояла из следующих процедур: 1) преобразование числового формата атрибутивной информации в формат, распознаваемый ArcMap (unsign 16 bit - sign 16 bit); 2) удаление со снимка пикселов, не несущих атрибутивную нагрузку (водная поверхность, бракованные пикселы, облака и др.) с присвоением им атрибута «нет данных»; 3) перевод числового формата атрибутов из целого (integer) в формат с плавающей точкой (float); 4) расчет значения пиксела с помощью коэффициента масштабирования (Scale Factor).

Для проведения статистического анализа все снимки приведены к одному масштабу с равными размерами пиксела. Снимки с данными А, /д, ?н, NDVI с исходным пространственным разрешением 1 км были подвергнуты операции агрегирования (aggregate) - пропорциональному увеличению в 25 раз - до размеров пиксела на снимке с влажностью почвы с пространственным разрешением 25 км. В качестве метода агрегирования применялся Mean - вычисление среднего значения пиксела на участке агрегирования.

Вся последовательность действий для обработки каждого снимка довольно трудоемка и ее «ручная» реализация требует больших временных затрат, имея в виду количество уникальных снимков (75). Автоматизация их обработки была достигнута построением специальной модели (алгоритма) «Soil Moisture» в приложении ArcMap Model Builder. Алгоритм включает все процедуры пространственной обработки и серии операций картографической алгебры над входными переменными.

Выполненные действия относятся к техническим особенностям обработки снимков, предшествующим извлечению из них числовых значений переменных. На заключительном этапе обработки полученный многозональный растровый файл преобразовывался в табличный вид в формате DBF для последующих статистических расчетов и проведения корреляционного анализа переменных. Итоговая таблица (260 записей и 92 поля) содержит координатное описание каждого пиксела и синхронные числовые данные по показателям А, /д, tH, NDVI, fVR, т.е. все необходимые сведения для статистических расчетов и анализа.

Информация, полученная после обработки спутниковых данных, позволяет выявить сопряженность полей рассматриваемых переменных, проверить рабочие гипотезы пространственных распределений, а также посредством статистического (корреляционного, регрессионного) анализа оценить величину вклада каждого показателя в формирование влажности поверхностного слоя почвы. Тем самым материалы спутниковых съемок на основе предлагаемой методики их обработки получают вполне предметную реализацию - дополнительное эмпирическое обоснование территориально-временной структуры поля влажности почв на новом техническом уровне.

6. Функциональная зависимость между влажностью почвы и ее индикаторами, а также парная корреляция между пространственно распределенными переменными показывают стохастический характер их сезонных связей. Корреляция между анализируемыми переменными в течение года не сохраняет устойчивость.

Содержательная часть анализа полученных спутниковых материалов заключается в конечной оценке связей между пространственными показателями влажности почвы ¡Уц и ее индикаторами, в качестве которых выступают, как было сказано, А, /д, /н, Ж>VI. Оптимальным способом поиска таких связей служат статистические приемы исследования.

Статистическая обработка включала исследование зависимостей между влажностью почвы П\ и переменными 1¥^=/(А, /д, N014), предусматривающее построение корреляционных матриц переменных и уравнений регрессии для расчета Матрицы коэффициентов корреляции, позволяющие оценить связность между переменными, построены для 15 сроков наблюдений, важных для произрастания озимой пшеницы. Применялся коэффициент корреляции Пирсона г. Примеры матриц приведены (табл. 1). Их интерпретация направлена на раскрытие взаимосвязей между измеряемыми физическими показателями почвы.

Взаимная корреляция анализируемых переменных показывает наличие внут-ригодовых (внутрисезонных) изменений характера парных связей. Иначе говоря, корреляция между одними и теми же парными переменными не сохраняет устойчивость в течение года, обладая определенными чертами уникальности. В каждом конкретном случае это имеет свое объяснение, связанное с изменение физического содержания рассматриваемого показателя. Прежде всего, на наш взгляд, при интерпретации временного хода парной корреляции соответствующих показателей следует учитывать состояние растительности, прямо и опосредованно влияющей на физические характеристики поверхности почвы (альбедо, температура и др.). Состояние растительности, опосредующей физические параметры поверхности, может иметь характер «шума», неодинаково распределенного в пространстве.

Физические показатели поверхности почвы способны «откликаться» также и на непериодические изменения метеорологических условий (выпадение осадков, продолжительность периода без осадков, флуктуации термических условий и пр.). Таким образом, полученные матрицы отражают, кроме того, стохастический характер изменений переменных.

Таблица 1

Пример матрицы парных коэффициентов корреляции переменных, извлеченных из спутниковых снимков и характеризующих состояние почв на соответствующую

дату (период)

Показатель Гк, г/см3 А 'Д. "С /н,°С Ый VI ИЪо*. г/см3

20 апреля 2003 г.

г/см3 1 -0,025 0,420 -0,520 0,401 0,757

А -0,025 1 0,533 -0,050 0,703 0,018

'д,°С 0,420 0,533 1 -0,460 0,490 0,285

'н, °С -0,520 -0,050 -0,460 1 -0,373 -0,313

ЫйУ1 0,401 0,703 0,490 -0,373 1 0,387

о, г/см3 0,757 0,018 0,285 -0,313 0,387 1

1 июня 2003 г.

г/см3 1 -0,199 0,270 -0,604 0,396 0,689

А -0,199 1 0,556 0,017 0,359 0,328

/д.°С 0,270 0,556 1 -0,488 0,301 0,453

<н, °С -0,604 0,017 -0,488 1 -0,490 -0,730

ту] 0,396 0,359 0,301 -0,490 1 0,620

1УК0, г/см3 0,689 0,328 0,453 -0,730 0,620 1

*Примечание: здесь и далее 1Р'ко - влажность почвы за предыдущий срок измерений

Наряду с неизбежными флуктуациями в динамике парной корреляции, отражающими стохастический характер связей между переменными, отмечены и устойчивые закономерности. В результате анализа корреляционных матриц отметим следующие положения: во-первых, наличие сезонного изменения корреляции между разными переменными, обусловленного независимым характером их годового хода, во-вторых, статистическую значимость выбранных переменных, выступающих индикаторами состояния влажности почвы Заслуживает внимания, как правило, высокая парная корреляция между текущей влажностью почвы и влажностью почвы за предыдущий срок измерений ¡Ум (достигающая 0,77-0,96), а также между альбедо А и вегетационным индексом А® VI. Установлена значимая обратная связь между влажностью почвы и ночной температурой земной поверхности с коэффициентами парной корреляции -0,5...-0,6.

Параметры некоторых полученных уравнений регрессии, позволяющих реализовать зависимость Ц\=/(А, (я, N071), представлены в таблице 2. Коэффициенты регрессии и величины стандартной ошибки Е свидетельствуют о применимости уравнений для расчета Вклад каждой переменной характеризуется величиной коэффициента при показателе. В целом наиболее значим вклад в срочные величины переменных альбедо А и влажности почвы за предыдущий срок наблюдения 1¥м. При этом значимость той или иной переменной в разные даты меняется.

Таблица 2

Параметры множественной регрессии, рассчитанные по данным спутниковых

снимков

Дата Коэффициенты при переменных Я Е

С0И5< А 'л 'н МЗР7 1Гко

10.04.2003 0,158 -0,831 0,002 -0,008 0,078 0,220 0,662 0,0206

20.04.2003 0,106 -0,464 0,002 -0,012 0,009 0,706 0,883 0,0160

01.05.2003 0,151 -1,320 0,003 -0,007 -0,054 0,155 0,963 0,0085

20.05.2003 0,010 0,878 -0,001 -0,001 0,028 0,938 0,828 0,0180

*Со/ш - свободный член уравнения; К - коэффициент корреляции; Е - стандартная ошибка регрессионной модели (г/см3).

Выполненный анализ принципиально отличается от операций с данными «точечных» измерений на метеосети, поскольку, по сути дела, относится к континуальным феноменам, которые представлены материалами спутникового сканирования. Укажем на два аспекта подобного анализа - технический и информативный: 1) анализ основан на растровых операциях - ряде описанных манипуляций с моделями полей; 2) данные спутниковых наблюдений (мониторинга) адекватны целям оперативной региональной оценки состояния почв и факторного анализа влажности ее поверхностного слоя.

Заключение

В процессе исследования получены следующие научные и методические результаты:

1. Территориальная структура и временная динамика почвенной влаги в степной зоне Западного Предкавказья обусловлены региональным строением полей метеорологических элементов (температура и дефицит влажности воздуха, осадки), а также распределением агрогидрологических свойств почв. Ключевым фактором формирования запасов продуктивной влаги в почве служат осадки. Структура поля фоновых осадков подвержена заметным внутригодовым изменениям, ключевым из которых при объяснении режима формирования влажности почвы является постепенное перемещение в течение декабря-июля области максимума осадков от западного побережья на восток вглубь территории Западного Предкавказья.

2. Годовой ход осредненных декадных значений запасов продуктивной влаги в корнеобитаемом слое почвы 1Ут подобен на всей рассматриваемой территории - кривые годового хода имеют одновершинный вид с выраженным зимним максимумом и летне-осенним минимумом. Сезонность хода многолетней изменчивости проявляется в зимнем минимуме и летнем максимуме коэффициентов вариации запасов продуктивной влаги в разных слоях почвы. В течение одного агрометеорологического года режим влажности почвы в слое 0-100 см может радикально меняться, переходя от избыточного увлажнения к недостаточному, и наоборот.

3. Территориальная структура поля среднемноголетней влажности почвы в течение агрометеорологического года претерпевает существенные изменения, что подтверждается комплектом построенных изолинейных карт. К концу сентября (перед севом озимых) запасы продуктивной влаги под сельскохозяйственными

культурами достигают минимума. Наименьшие величины lVm (40-60 мм) наблюдаются на северо-востоке территории, наибольшие (120-140 мм) - на юго-востоке. В фазу возобновления вегетации значения Wm близки к максимальным за год, распределяясь на исследуемой территории в диапазоне 120-180 мм. На среднюю дату (период) колошения озимой пшеницы при 90%-ной обеспеченности запасами продуктивной влаги в корнеобитаемом слое в условиях плохой влагообеспеченности находится 77% территории, в условиях недостаточного увлажнения - 14% и в условиях удовлетворительного увлажнения - 9%.

4. На основе ГИС-технологий разработан и реализован способ территориального анализа влажности почв, интегрирующий приемы традиционного картографирования - изолинейный и генетико-типологический. Комбинирование слоями, представленными а) изолинейными картами запасов продуктивной влаги в почве и б) почвенной картой, позволяет построить результирующие модели (поверхности) с учетом заданного веса слоев (ячеек растра). Результирующая карта синтезирует две индексных составляющих естественного увлажнения почв: запасы продуктивной влаги в метровом слое и типы/подтипы почв.

5. По материалам спутников AQUA и TERRA разработана методика оперативной оценки и картографирования влажности почвы и ее индикаторов (альбедо, температура подстилающей поверхности, нормализованный вегетационный индекс NDVI) с пространственным разрешением 1 км. Числовые данные, извлеченные из снимков, позволяют определить сопряженность полей переменных и выполнить их статистический анализ.

6. В результате статистического анализа показателей влажности почвы в верхнем ее слое и индикаторов влажности установлено, что парная корреляция между одними и теми переменными в течение года не сохраняет устойчивость. На временной ход корреляции влияют флуктуации метеорологических условий, а также состояние растительности, опосредующей физические параметры подстилающей поверхности. Высокая корреляция (0,77...0,96) наблюдается между текущей влажностью почвы и влажностью почвы за предыдущий срок измерений, а также между альбедо и вегетационным индексом; статистически значима обратная связь (-0,5...-0,6) между влажностью почвы в приповерхностном слое и ночной температурой земной поверхности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Погорелов A.B., Ткаченко Ю.Ю., Киселев E.H., Брусило В.А. Атмосферные осадки как фактор формирования катастрофического паводка в Краснодарском крае (опыт геостатистического анализа) // Экологический вестник научн. центров Черноморского экономического сотрудничества. Краснодар, 2004, №2. -С.77-86.

2. Погорелов A.B., Ткаченко Ю.Ю., Киселев E.H. Исследование региональных флуктуации атмосферных осадков и речного стока (геостатистический подход) // Экологический вестник научн. центров Черноморского экономического сотрудничества. Краснодар, 2004, №4. - С. 47-58.

3. Погорелов A.B., Киселев E.H. Моделирование поля влажности почвы на территории Краснодарского края с использованием спутниковых снимков // Вестник

Северо-Кавказского государственного технического университета. Ставрополь, 2009, № 1 (9).-С. 39-44.

Статьи в научных трудах и журналах

4. Погорелов A.B., Гладской И.Б., Брусило В.А., Киселев E.H. Анализ структуры метеорологических полей посредством геоинформационного моделирования // Тез. докл. X Всероссийского форума «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование». М.: ГИС-Ассоциация, 2003. - С.29-31.

5. Погорелов A.B., Гладской И.Б., Брусило В.А., Киселев E.H. ГИС-технологии как инструмент исследования региональных гидрометеорологических процессов (бассейн реки Кубани) // Мат. XVII межреспубл.научно-практич.конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий». Краснодар, 2004. - С.183-184.

6. Киселев E.H. О динамике влажности почв в равнинных районах Краснодарского края // Мат. XVII межреспубл. научно-практич. конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий». Краснодар, 2004. - С. 196-198.

7. Погорелов A.B., Киселев E.H. ГИС-картографирование влажности почв на территории Краснодарского края // Сб. мат. девятой Всероссийской конференции «Наука. Экология. Образование». Краснодар, 2004. - С. 273-275.

8. Погорелов A.B., Брусило В.А., Киселев E.H. Об анизотропии полей атмосферных осадков малых временных разрешений // Мат. XVIII межреспубл. научно-практич. конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий». Краснодар, 2005. - С. 241-243.

9. Погорелов A.B., Акопов Д.Н., Киселев E.H. Опыт дешифрирования водных объектов на территории Краснодарского края по данным спутниковых снимков (Landsat 7) // Тез. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы гидрометеорологии горных территорий Северного Кавказа и пути их решения». Ростов-на-Дону, 2006. -С. 50-52.

10.Погорелов A.B., Киселев E.H. Геоинформационные методы в практике пространственного анализа влажности почвы // Экологический вестник научн. центров Черноморского экономического сотрудничества. Краснодар, 2006, Приложение №1,- С. 77-84.

11 .Погорелов A.B., Салпагаров А.Д., Киселев E.H., Куркина Е.В. Геоинформационный метод в практике региональных физико-географических исследований. Кисловодск: МИЛ, 2007. - 200 с.

12.Киселев E.H., Погорелов A.B. Режим влажности почв на территории Краснодарского края // Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества. Краснодар. Вып. 5,2008. - С. 117-125.

1 З.Киселев E.H. Исследование влажности почвы по данным спутниковых снимков (на примере Краснодарского края) // Географические исследования Краснодарского края: Сб научн. тр. Вып. 2. Краснодар, Кубан. гос. ун-т, 2007. - С. 122-135.

14.Киселев E.H. Пространственно-временной анализ индикаторов влажности почв Краснодарского края по данным спутников «AQUA» и «TERRA» // Географические исследования Краснодарского края: Сб. научн. тр. Вып. 3. Краснодар, Кубан. гос. ун-т, 2008. - С. 50-61.

Киселев Евгений Николаевич

Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны западного Предкавказья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Бумага тип. №2. Печать трафаретная Тираж 100 экз. Заказ № 658 от 27.05.09 г. Кубанский государственный университет.

350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149. Центр "Универсервис", тел. 21-99-551.

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Киселев, Евгений Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СВОЙСТВА И ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ.

1.1. Основные свойства почвенной влаги.

1.2. Факторы формирования почвенной влаги.

1.3. Значение почвенной влаги для сельскохозяйственного производства.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ.

2.1. Методы измерения влажности почв.

2.2. Основные методы обобщения и анализа.

2.3. ГИС-технологии в практике исследования влажности почв.

2.4. Создание специализированной базы геоданных.

ГЛАВА 3. РЕЖИМ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ.

3.1. Постановка проблемы и особенности исследования.

3.2. Годовой ход запасов продуктивной влаги в почвах.

3.3. Многолетняя динамика влажности почв.

ГЛАВА 4. ТЕРРИТОРИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ЗАПАСОВ ПРОДУКТИВНОЙ ВЛАГИ В ПОЧВЕ.

4.1. Изученность территориальной структуры запасов продуктивной влаги и принципы ее картографирования.

4.2. Территориальное распределение запасов продуктивной влаги в почве.

4.3. Методика территориального анализа влажности почв на основе растровых операций.

ГЛАВА 5. ДИСТАНЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВ.

5.1. Обзор методов дистанционного исследования.

5.2. Методика и результаты обработки спутниковых изображений.

5.3. Статистический анализ влажности почвы и ее индикаторов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны Западного Предкавказья"

Актуальность исследования. Проблема исследования влажности почв в семиаридных условиях юга России имеет явно выраженные теоретический и практический аспекты. В теоретическом плане актуальность изучения почвенной влаги определяется недостаточными знаниями ее свойств на исследуемой территории. Среди них: водно-физические свойства, взаимосвязи влажности почвы с местными факторами географической среды, территориальные закономерности распределения и временная динамика запасов продуктивной влаги в почве. Насущной методико-теоретической задачей является обоснование и разработка приемов оперативной оценки распределения влажности почвы по данным дистанционного зондирования вкупе с ограниченным количеством наземных измерений. Одна из сторон решения этой задачи — моделирование поля анализируемого показателя почвы на основе установления функциональных и статистических связей влажности почвы с факторами ее формирования с последующей реализацией моделей в среде ГИС.

В прикладном смысле актуальность изучения влажности почвы необходимо рассматривать в агрометеорологической и сельскохозяйственной плоскости. Краснодарский край - наиболее продуктивный аграрный комплекс России, в структуре сельскохозяйственного производства которого растениеводство играет ключевую роль. Перед аграрным комплексом края поставлена цель повышения продуктивности агроценозов. Выращивание и урожайность многих, в первую очередь, зерновых сельскохозяйственных культур весьма требовательны к запасам продуктивной влаги, которая является важнейшим фактором произрастания зерновых культур. То же самое следует сказать и о кормовой базе мясо-молочного животноводства. В этом смысле режим влажности почв выступает одним из элементов агропотенциа-ла территории.

Значительная часть пахотных земель степной зоны Краснодарского края (общей площадью около 3,9 млн. га) нуждается в мелиоративных мероприятиях, как по причинам засушливости почв, так и переувлажнения. Сведения о влажности почв и агрогидрологических особенностях территории представляют несомненный интерес для установления обоснованных норм орошения и разработки рациональной технологии возделывания сельскохозяйственных культур. Известно, что анализ степени засушливости/переувлажнения почв определяет дифференцированную разработку агро

I , технических (рыхление, безотвальная вспашка и др.) и мелиоративных (орошение, снегозадержание, посадка лесополос и др.) мероприятий.

Естественные взаимодействия в системе почва-вода нарушаются в связи с повсеместной антропогенной трансформацией почв в регионе (агропоч-вы), что представляет собой самостоятельную геоэкологическую проблему. Признаки антропогенной трансформации — перераспаханность, дегумифика-ция (минерализация), изменения водно-балансовых показателей — находят свое отражение в модификации пространственно-временной структуры влажности почвы. Подобные изменения заслуживают внимания и потому, что влажностные характеристики почв в ландшафтообразующем смысле относятся к критическим индикаторам.

Степень изученности проблемы. Имеющиеся опубликованные сведения о влажности почвы на территории Западного Предкавказья исчерпываются справочной информацией (Агроклиматический., 1985-1993; Агроклиматические., 1975). Накопленные за последние десятилетия данные измерений влажности почвы, выполняемых на пунктах метеорологической сети Краснодарского края, до настоящего времени не получили должного обобщения. Целенаправленные исследования почвенной влаги с последующим пространственно-временным анализом субрегионального уровня не проводились. Можно констатировать, что изученность территориальной структуры и временной изменчивости влажности почвы в степной зоне Западного Предкавказья явно не отвечает природной (климатической, водно-балансовой) и хозяйственной значимости почвенной влаги.

Фундаментальные исследования, ориентированные на изучение взаимосвязи почвенной влаги с метеорологическими факторами, основываются на точечных данных в разных почвенно-климатических условиях. Существующие пространственные обобщения, представленные в форме районирования и карт запасов продуктивной влаги в почве (С.А. Вериго, Л.А. Разумова, Е.Н. Романова, Л.С. Кельчевская и др.), относятся к макромасштабному или зонально-географическому уровням.

Современные спутниковые данные и геоинформационные технологии обработки и анализа пространственной информации предоставляют возможность развить традиционные методы исследований почвенной влаги и перейти от дискретного анализа (по данным наблюдений на отдельных пунктах) к континуальному моделированию исследуемого показателя с субрегиональной (мезомасштабной) степенью пространственной детализации.

Цель диссертации - на основе обширного эмпирического материала описать территориальную структуру и динамику поля влажности почвы в степной зоне Западного Предкавказья, а также теоретически обосновать и разработать методику анализа и оперативного моделирования территориального распределения запасов продуктивной влаги в почве. Для достижения поставленной цели определены следующие основные задачи:

3. описать территориальную структуру поля влажности почвы в корнеоби-таемом слое на исследуемой территории в связи с метеорологическими факторами ее формирования;

6. по данным спутниковых снимков выполнить статистическое исследование связей между территориально распределенными показателями влажности почвы и ее индикаторами - альбедо, температурой подстилающей поверхI ности, нормализованным вегетационным индексом.

Основным объектом исследования являются почвы степной зоны Западного Предкавказья в границах Краснодарского края и республики Адыгея. Площадь рассматриваемой территории составляет 53 тыс. км2. Предметом исследования выступает территориальная структура и динамика поля влажности почвы.

Исходные материалы, использованные в работе, представлены: 1. данными регулярных декадных измерений влажности почвы на 19 метеостанциях Краснодарского края (1969-2004 гг.); 2. данными стандартных метеорологических измерений показателей, определяющих режим почвенной влаги (осадки, температура и влажность воздуха и др.) (1969-2004 гг.); 3. космическими снимками спутников AQUA и TERRA; 4. данными дешифрирования космических снимков в виде пространственно координированных атрибутов — численных значений ячеек растра с показателями влажности почвы, температуры поверхности, вегетационного индекса NDVI, альбедо.

Основные исходные картографические материалы представлены почвенной картой и картой почвообразующих пород (Почвенно-экологический., 1999), климатическими (Справочники по климату СССР, вып. 13, части П, IV) и ландшафтными картами (Краснодарский., 1999). При картографировании использована цифровая топографическая основа с набором базовых слоев масштаба 1:200 000.

Методы исследования. При разработке теоретических аспектов диссертации автор опирался на общеметодологические подходы в исследовании почвенной влаги, сформированные представителями отечественной школы почвоведения и агрометеорологии Г.Н. Высоцким, А.А. Роде, Н.Г. Иовенко С.А. Вериго, JI.A. Разумовой, JI.C. Кельчевской и др. Исследования ряда авторов в области климатологии, агрометеорологии, ландшафтоведения, почвоведения и смежных дисциплин (JI.C. Кельчевская, JI.O. Карпачевский, И.И. Лебедева, В.П. Самсонова, А.А. Исаев, Э.Г. Коломыц, Ю.Г. Пузаченко, Ю.Ф. Книжников, В.И. Кравцова и др.) оказали влияние на постановку задач и объяснение полученных результатов.

В процессе обработки агрометеорологических данных в виде рядов распределения широко использовались статистические методы - регрессионный и корреляционный анализ, тренды. Многомерному статистическому анализу подвергались пространственно координированные агрометеорологические данные, извлекаемые из спутниковых снимков.

Картографическое обеспечение анализа структуры поля влажности почв опиралось на методику геоинформационного картографирования (A.M. Берлянт, И.К. Лурье, B.C. Тикунов и др.), как в случае построения моделей геополей по материалам наземных измерений, так и в случае использования материалов дистанционного зондирования.

При использовании спутниковых снимков для моделирования соответствующих метеорологических полей автор опирался на зарубежный опыт (Wagner, 1998; Galantowicz et al, 2001; Zhan et al, 2002; Hutchinson et al, 2006; Chauhan et al, 2000; Lakhankar et al, 1998; McBratney et al, 2003 и др.).

Основу программного обеспечения при статистической обработке информации составил пакет SPSS, а при геоинформационном моделировании и обработке спутниковых снимков — пакет ArcGIS компании ESRI с модулями Geostatistical Analyst, Spatial Analyst, Model Builder.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

2. с использованием комплекта построенных карт запасов продуктивной влаги в почве и сопутствующих метеорологических показателей раскрыта территориальная структура поля влажности почв на субрегиональном уровне;

4. обоснована и реализована методика оперативной оценки и картографирования влажности почв степной зоны Западного Предкавказья;

5. выполнен многомерный статистический анализ влажности почв и ее индикаторов (температуры земной поверхности, альбедо, вегетационного индекса) с оценкой вклада этих индикаторов).

Основные положения, защищаемые автором:

1. Региональное строение полей метеорологических элементов и агрогидро-логических свойств почв обусловливает территориальную структуру и динамику поля влажности почвы в корнеобитаемом слое.

2. Временной динамике влажности почв РГна исследуемой территории свойственны закономерности, выраженные в подобии ее внутригодового распределения в разных частях региона, установленных статистических параметрах многолетней изменчивости, сезонном ходе территориальной корреляции W, а также отсутствии достоверных многолетних трендов запасов продуктивной влаги в почве.

Научная и практическая значимость. Создание единой базы данных для хранения всей доступной информации по влажности почвы и сопутствующих данных усовершенствовало информационное обеспечение агрометеорологических исследований в степной зоне Западного Предкавказья в границах Краснодарского края и республики Адыгея. Разработанная методика картографирования запасов продуктивной влаги в почве используется Краснодарским краевым центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в оперативной деятельности. Предлагаемая технология использования спутниковых снимков позволила дополнить данные ограниченных наземных наблюдений важной континуальной информацией о полях влажности и сопутствующих агрометеорологических показателях. Построенные карты развивают представления об основных закономерностях регионального распределения и временной динамике запасов продуктивной влаги в почвах.

Апробация. Работа выполнена на основе личных исследований автора с 2001 по 2009 гг. и материалов, собранных в процессе творческого сотрудничества с Краснодарским краевым центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (КЦГМС).

Основные теоретические положения и практические результаты докладывались и обсуждались на X Всероссийском форуме «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование» (Москва, 2003); XVII межреспубликанской научно-практической конференции «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2004, 2005); научно-практической конференции «Проблемы гидрометеорологии горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Гузерипль, 2006); конференциях грантодержателей РФФИ и администрации Краснодарского края «Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края» (Туапсе, 2006, 2007); конференции «Проблемы гидрометобеспечения отраслей экономики и населения горных территорий Северного Кавказа и пути их решения» (Архыз, 2007), а также на ежегодных студенческих конференциях в КубГУ (2003-2006). Результаты исследования неоднократно обсуждались на научно-методических семинарах и расширенных заседаниях кафедры геоинформатики КубГУ.

Методы обработки первичных данных и оперативного ГИС-картографирования влажности почвы, предложенные автором, апробированы и внедрены в практику агрометеорологического обеспечения КЦГМС, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 работ, в том числе 3 в научных журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация (объемом 207 страниц) состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 112 наименований, в том числе 29 иностранных. Работа содержит 207 страницы текста, включая 70 иллюстраций, 15 таблиц, 17 приложении. Работа выполнена на кафедре геоинформатики географического факультета Кубанского государственного университета.

Заключение Диссертация по теме "Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов", Киселев, Евгений Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе представлен первый региональный опыт целостной характеристики влажности почв - одного из критических в условиях се-миаридного климата индикаторов природных ландшафтов, а в сельскохозяйственном отношении — важнейшего элемента агропотенциала территории. До сих пор сведения о влажности почв степной зоны Западного Предкавказья исчерпывались ограниченным набором справочных данных, причем недостаток сведений относился как к режиму, так и обобщению пространственных данных. Основным итогом работы стало разноплановое исследование территориальной структуры и динамики влажности почвы в степной зоне Западного Предкавказья, включающее научно-методические и содержательные аспекты. В научно-методическом отношении, на наш взгляд, интерес представляют следующие разработки, использующие, главным образом, приемы гео. информатики:

1. Разработан и апробирован метод построения эпюр (изоплет запасов продуктивной влаги в слое 0-100 см) по данным наблюдений на отдельных станциях, основанный на геостатистических приемах интерполяции. Эпюры иллюстрируют непрерывную внутригодовую динамику влажности в измеряемом слое с возможностью сравнительного анализа влажности на разных горизонтах в едином пространственно-временном континууме.

2. Предложены и внедрены в практику анализа исходных материалов алгоритмы автоматизированной обработки пространственных данных, базирующиеся на возможностях модуля Model Builder пакета ArcGIS. Алгоритмы существенно снижают трудоемкость обработки первичных спутниковых материалов, построение моделей полей влажности почвы и расчеты ошибок моделирования.

3. На основе растровых операций с картами запасов продуктивной влаги в почвах и картами почв обоснован и реализован метод систематизации (классификации) почв по степени их естественного увлажнения. Предложенный метод принципиально расширяет существующие подходы к региональному и мезомасштабному моделированию влажности почв, синтезируя посредством картографической алгебры (map algebra) изолинейное картографирование (пространственную интерполяцию точечных измерений) и генетико-типологический подход.

4. Разработана комплексная методика технической обработки материалов спутниковых снимков, позволяющая в одном файле создавать композитное изображение из пяти необходимых переменных физического состояния земной поверхности, с последующим получением таблицы с числовыми характеристиками переменных для статистической обработки. Методика предусматривает фильтрацию пикселов, не несущих атрибутивной нагрузки, а также установление необходимого пространственного разрешения выходных растровых данных путем процедуры агрегирования.

В содержательном аспекте наиболее значимые результаты сводятся к следующему:

1. Описаны ведущие факторы формирования почвенной влаги — метеорологические элементы (температура воздуха и почвы, влажность воздуха, атмосферные осадки), почвы (таксономическое деление, водно-физические свойства), растительность (в виде вегетационного индекса). Описание большинства факторов включало построение соответствующих карт. Применительно к метеорологическим элементам, относящимся к инерционным факторам сезонного режима влажности почв в корнеобитаемом слое, установлены особенности региональной структуры полей метеорологических переменных в ключевые фазы развития озимых. Наиболее изменчиво поле осадков, поэтому последние оказывают наибольшее влияние на динамическое формирование запасов продуктивной влаги в почве.

2. Выполнен многосторонний анализ режима влажности почв, включавший установление закономерностей годового хода запасов продуктивной влаги W в корнеобитаемом слое, а также слоях 0-10, 0-20 и 0-50 см; расчет и интерпретация параметров многолетней изменчивости запасов продуктивной влаги в почве, в том числе с применением метода эшор и изучения сопряженного хода метеорологических элементов; характеристику многолетней динамики влажности почв и оценку ее пространственной корреляции на региональном уровне. Годовой ход осредненных декадных значений W в кор-необитаемом слое почвы подобен на всей рассматриваемой территории — кривые годового хода повсеместно имеют одновершинный вид с отчетливо выраженным зимним (январь-февраль) максимумом и летне-осенним (август-сентябрь) минимумом. Сезонность хода многолетней изменчивости W проявляется в зимнем минимуме и летнем максимуме коэффициентов вариации запасов продуктивной влаги в разных слоях почвы. Анализ корреляционных матриц показал относительно низкую региональную согласованность запасов продуктивной влаги в почве в течение года, причем корреляция в корне-обитаемом слое почвы становится статистически значимой летом. В течение одного агрометеорологического года режим влажности почвы в слое 0-100 см, несмотря на инерционность характеристики, может радикально меняться, переходя, например, от избыточного увлажнения к недостаточному, и наоборот.

3. Построенный комплект карт позволяет оценить фоновые закономерности пространственной структуры поля влажности почвы в ключевые фазы развития озимой пшеницы, а также отличия фонового распределения W от соответствующих полей в конкретные, в том числе и аномальные, годы. Так, к 3-й декаде мая в фазу колошения озимых фоновое распределение в корне-обитаемом слое W\m характеризуется отчетливой закономерностью понижения запасов продуктивной влаги в почве с юга равнинной части края на север от 130-100 мм до 60-80 мм. Ко 2-й декаде июня (состояние молочной спелости озимых) средние запасы продуктивной влаги в метровом слое почвы повсеместно уменьшаются - от 40-Н50 мм на севере и северо-востоке края до 100-120 мм на юго-востоке исследуемой территории. Расчеты обеспеченности показали, что на среднюю дату (период) колошения озимой пшеницы при 90%-ной обеспеченности запасами продуктивной влаги в корнеобитаемом слое JVtoo 77% территории находится в условиях плохой влагообеспеченно-сти, 14% - в условиях недостаточного увлажнения и 9% - в условиях удовлетворительного увлажнения.

4. По данным обработанных спутниковых материалов выполнен статистический анализ пространственных показателей (заданное разрешение 25 км) влажности почвы в верхнем ее слое и индикаторов влажности (альбедо, дневная и ночная температура поверхности, вегетационный индекс), ос-редненных в пикселе. В результате корреляционного анализа установлено, что корреляция между одними и теми же парными переменными в течение исследованного года не сохраняет устойчивость. На временной ход парной корреляции соответствующих показателей влияет состояние растительности, опосредующей физические параметры поверхности; кроме того, показатели поверхности почвы «откликаются» на непериодические изменения метеорологических условий (выпадение осадков, продолжительность периода без осадков, флуктуации термических условий и пр.), имеющих характер «шума». Полученные статистически надежные (Я=0,503-Ю,963) регрессионные зависимости текущей влажности верхнего слоя почвы от ее индикаторов позволяют выполнять косвенные оценки влажности.

Основные прикладные результаты исследования получены при:

- разработке метода оперативного картографирования запасов продуктивной влаги в почве на территории Западного Предкавказья;

- создании комплекта карт фоновых показателей запасов продуктивной влаги в почве и сопутствующих метеорологических показателей,

- разработке базы геоданных и собственно ГИС «Влажность почв Краснодарского края».

Созданная ГИС, содержащая все табличные и картографические материалы работы, спутниковые снимки, алгоритмы автоматизированных расчетов, открыта для наполнения и может быть рекомендована для расширенного анализа метеорологических элементов и последующего экспериментального моделирования.

В ближайшем будущем научно-методическое применение результатов, на наш взгляд, может быть связано с двумя взаимодополняющими направлениями научного поиска: во-первых, с разработкой аппарата среднесрочного прогнозирования запасов продуктивной влаги в почве на основе установленных связей между влажностью почв и ее факторами, во-вторых, с совершенствованием технологии дешифрирования влажности почвы и ее индикаторов по материалам спутниковых съемок.

Список публикаций по материалам диссертации

1. Погорелов А.В., Гладской И.Б., Брусило В.А., Киселев Е.Н. Анализ структуры метеорологических полей посредством геоинформационного моделирования // Тез. докл. X Всероссийского форума «Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. Образование», М.: ГИС-Ассоциация, 2003. С.29-31.

2. Погорелов А.В., Гладской И.Б., Брусило В.А., Киселев Е.Н. ГИС-технологии как* инструмент исследования региональных гидрометеорологических процессов (бассейн реки Кубани) // Мат. XVII межрес-публ.научно-практич.конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2004. С. 183-184.

3. Киселев Е.Н. О динамике влажности почв в равнинных районах Краснодарского края // Мат. XVII межреспубл. научно-практич. конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2004. С.196-198.

4. Погорелов А.В., Ткаченко Ю.Ю., Киселев Е.Н., Брусило В.А. Атмосферные осадки как фактор формирования катастрофического паводка в Краснодарском крае (опыт геостатистического анализа) // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, Краснодар, 2004, № 2. С.77-86.

5. Погорелов А.В., Киселев Е.Н. ГИС-картографирование влажности почв на территории Краснодарского края // Сб. материалов девятой Всероссийской конференции «Наука. Экология. Образование», Краснодар, 2004. С. 273275.

6. Погорелов А.В., Ткаченко Ю.Ю., Киселев Е.Н. Исследование региональных флуктуации атмосферных осадков и речного стока (геостатистический подход) // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2004, № 4. С. 47-58.

7. Погорелов А.В., Брусило В.А., Киселев Е.Н. Об анизотропии полей атмосферных осадков малых временных разрешений // Мат. XVIII межреспубл. научно-праьсгич. конф. «Актуальные вопросы экологии и охраны природы экосистем южных регионов России и сопредельных территорий», Краснодар, 2005. С. 241-243.

8. Погорелов А.В., Акопов Д.Н., Киселев Е.Н. Опыт дешифрирования водных объектов на территории Краснодарского края по данным спутниковых снимков (Landsat 7) // Тез. докл. науч.-практ. конф. «Проблемы гидрометеорологии горных территорий Северного Кавказа и пути их решения», Ростов-на-Дону, 2006. С. 50-52.

9. Погорелов А.В., Киселев Е.Н. Геоинформационные методы в практике пространственного анализа влажности почвы // Экологический вестник научных центров Черноморского экономического сотрудничества, 2006. Приложение № 1. С. 77-84.

Ю.Погорелов А.В., Салпагаров А.Д., Киселев Е.Н., Куркина Е.В. Геоинформационный метод в практике региональных физико-географических исследований. Кисловодск: МИЛ, 2007. 200 с.

П.Киселев Е.Н., Погорелов А.В. Режим влажности почв на территории Краснодарского края // Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества, Краснодар, вып. 5, 2008. С. 117-125.

12.Киселев Е.Н. Исследование влажности почвы по данным спутниковых снимков (на примере Краснодарского края) // Географические исследования Краснодарского края: Сб научн. тр. Вып. 2, Краснодар, Кубан. гос. унт, 2007. С. 122-135.

13.Киселев Е.Н. Пространственно-временной анализ индикаторов влажности почв Краснодарского края по данным спутников «AQUA» и «TERRA» // Географические исследования Краснодарского края: Сб научн. тр. Вып. 3, Краснодар, Кубан. гос. ун-т, 2008. С. 50-61.

14.Погорелов А.В., Киселев Е.Н. Моделирование поля влажности почвы на территории Краснодарского края с использованием спутниковых снимков // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. Ставрополь, 2009, № 1 (9). С. 39-44.

Статьи № 4, 6 и 10 опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. м

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Киселев, Евгений Николаевич, Краснодар

1. Агроклиматические ресурсы Краснодарского края / Отв.редакторы З.М. РусееваиШ.Ш. Народецкая. JL: Гидрометеоиздат, 1975. -276 с.

2. Агрометеорологический ежегодник, 1969-1989 гг. Ростов-н/Д: Гидрометеоиздат, 1985-1993.

3. Астахова Н.И. О распределении весенних влагозапасов почв Украины // Труды УкрНИГМИ, вып. 124,1974. С. 36-45.

4. Атлас запасов продуктивной влаги в почве под озимыми зерновыми культурами на Европейской территории Союза / Л.С. Кельчевская, Л.И. Полевая, Т.А. Гончарова и др. Новосибирск, ГУГК, 1983. - 56 с.

5. Атлас. Краснодарский и край. Республика Адыгея. Минск: Издательство, 1996.-48 с.

6. Блохин Е.В. Экология почв. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 228 с.

7. Берлянт A.M. Картография. М.: Аспект-пресс, 2001. 336 с.

8. Бондарев А.Г. Основные черты водного режима дерново-подзолистых почв // Сб трудов Горьковского СХИ. 1973. Вып. 52. С. 158-162.

9. Бондарев А.Г., Димо В.Н., Кузнецова И.В. Зонально-провинциальные особенности физических свойств и режимов почв Европейской части СССР. В кн.: Проблемы почвоведения. М.: 1978. С. 21-27.

10. Ю.Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Достоинства и недостатки новой классификации почв России // Почвоведение. 2006. №5. С. 621626.

11. Вальков В.Ф., Штомпель Ю.А., Тюльпанов В.И. Почвоведение (почвы Северного Кавказа). Краснодар: Советская Кубань, 2002. 710 с.

12. Вериго С.А., Разумова Л.А. Почвенная влага. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. -328 с.

13. Вериго С.А., Разумова Л.А. Почвенная влаги и ее значение в сельскохозяйственном производстве. Л.: Гидрометеоиздат, 1963. 292 с.

14. Виноградова А.А., Дмитренко В.П. Особенности режима увлажнения почвы в степной зоне Украины // Труды УкрНИГМИ. 1971. Вып. 109. — С. 81-89.

15. Высоцкий Г.Н. Избранные труды. М.: Сельхозгиз, 1960. 435 с.

16. Высоцкий Г.Н. Режим почвенной влажности, грунтовых вод и солей в степных и лесостепных почвогрунтах // Труды I Всесоюзного гидрологического съезда. Вып. 6.M.-JL: Геологическое изд-во. 1933. С. 36-41.

17. Геоинформатика: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под. ред. B.C. Тикунова. -М.: Издательский центр «Академия», 2005.-480 с.

18. Грингоф И.Г., Попова В.В., Страшный В.Н. Агрометеорология. Л.: Гид-рометеоиздат, 1987. 311 с.

19. Джонстон К., Вер Хоеф Д. М., Криворучко К., Лукас Н. ArcGIS Geostatistical Analyst. Руководство пользователя. ESRI. М.: DATA+, 2001.-278 с.

20. Дмитриев Е.А. и др. Некоторые закономерности статистического распределения значений влажности почв / Е.А. Дмитриев, Л.О. Карпачевский, Н.С. Орешкина и др. //Почвоведение. 1977. № 3. С. 135-141.

21. Дмитриев Е.А. Математическая статистика в почвоведении. М.: Изд-во МГУ, 1972.-292 с.

22. Дубинин М.Ю. Импорт и обработка данных в формате HDF. 2006. URL: http://gis-lab.info/qa/hdfimport-sa.html

23. Жуков В.А. Исследование статистической структуры полей влагозапасов в почве // Труды ИЭМ. 1970. Вып. 18. С. 27-34.

24. Иовенко Н.Г. Водно-физические свойства и водный режим почв УССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. — 352 с.

25. Исаев А.А. Атмосферные осадки. Часть II. Мезоструктура полей жидких осадков. М.: Географический факультет МГУ, 2001. — 98 с.

26. Капотов А.А., Крестовский О.И., Соколова Н.В. Влажность и промерзание почвогрунтов в районах Северо-Запада ETC // Труды Г ПИ. 1974. Вып. 214.-С. 201-227.

27. Караваева Н.А., Лебедева И.И., Герасимова М.И., Скворцова Е.Б. Геогра-фо-генетическая концепция пахотных горизонтов и опыт их типизации // Почвоведение. 2003. № 12. С. 1413-1421.

28. Карпачевский JI.O. Динамика свойств почвы. М.: Геос, 1997. 169 с.

29. Качинский Н.А. Почва, ее свойства и жизнь. М.: Наука, 1975.-295 с.

30. Кельчевская JI.C. Методы обработки наблюдений в агрометеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.-215 с.

31. Кельчевская JI.C. Влажность почв Европейской части СССР. JL: Гидрометеоиздат, 1983а. -184 с.

32. Кельчевская JI.C. Научные основы картирования запасов продуктивной влаги под сельскохозяйственными культурами // Труды ВНИИСХМ. 19836. Вып. 6. 136 с.

33. Кельчевская JI.C., Полевая Л.И. Методическое пособие по картированию влажности почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. — 60 с.

34. Киселев Е.Н. Исследование влажности почвы по данным спутниковых снимков (на примере Краснодарского края) // Географические исследования Краснодарского края. Сб. научн. трудов. Вып. 2. Краснодар, 2007. — С. 122-136.

35. Киселев Е.Н., Погорелов А.В. Режим влажности почв на территории Краснодарского края // Вестник Краснодарского регионального отделения Русского географического общества, Краснодар, вып. 5, 2008. С. 117125.

36. Киселев, Е.Н. Пространственно-временной анализ индикаторов влажности почв Краснодарского края по данным спутников «AQUA» и «TERRA» // Географические исследования Краснодарского края. Сб. научн. трудов. Вып. 3. Краснодар, 2008. С. 50-61.

37. Кисиленко А.А., Вилькес А.А. Пространственно-временная изменчивость продуктивных влагозапасов на Украине в слоях 0-20 и 0-100 см под озимыми культурами по непаровым предшественникам // Труды УкрНИГ-МИ. 1975. Вып. 193. С. 87-94.г

38. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 220 с.

39. Книжников Ю.Ф., Кравцова В.И., Тутубалина О.В. Аэрокосмические методы географических исследований. М.: Академия, 2004. 334 с.

40. Коломыц Э.Г. Полиморфизм ландшафтно-зональных систем. Пущино, 1998.-312 с.

41. Константинов А.Р. Погода, почва и урожай озимой пшеницы. JL: 1978. -248 с.

42. Конторщиков В.И. Статистическая структура поля влажности почвы Украины. Д.: Гидрометеоиздат, 1979. 119 с.

43. Кравцова В.И. Космические методы исследования почв. М.: Изд-во «Аспект Пресс», 2005. 190 с.

44. Краснодарский край. Почвенно-экологический атлас. Краснодар: Комитет по земельным ресурсам и землеустройству Краснодарского края, 1999. — 44 с.

45. Лебедева И.И. Современные гумусовые аккумуляции и черноземы Русской равнины // Современные проблемы почвоведения: Тр. Почв, ин-та• им. В.В. Докучаева РАСХН. М., 2000. С. 55-68.

46. Лебедева И.И., Герасимова М.И., Тонконогов В.Д. Новая классификация почв России: предварительные итоги обсуждения // Классификация почв России. 2005. URL: http://soils.narod.ru/appendices/librarv/letterl.html/

47. Леонова Н.Е. Временная и пространстенная изменчивость влагозапасов почвы в правобережной части Верхнего Дона // Труды ГГИ. 1974. Вып. 214.-С. 184-200.

48. Лурье И.К. Геоинформационное картографирование. Методы геоинформатики и цифровой обработки космических снимков: учебник. М., КДУ, 2008.-424 с.'

Информация о работе

Киселев, Евгений Николаевич
кандидата географических наук
Краснодар, 2009
ВАК 25.00.23

Диссертация

Территориальная структура и динамика поля влажности почвы в пределах степной зоны Западного Предкавказья - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы