Разработка методов спутникового мониторинга естественного плодородия пахотных почв.

Под плодородием почв понимается их способность удовлетворять потребности растений в элементах питания, влаге, воздухе, а также обеспечивать условия для их нормальной жизнедеятельности. Более правильно, по-видимому, говорить о плодородии земель, а не почв, так как на рост растений оказывают влияние и другие факторы (например, метеорологические или хозяйственные), которые к почвам не относятся.
Оценка плодородия земель может быть проведена на двух основных уровнях. Плодородие земель первого уровня может быть определено как естественное, зависящее только от природных свойств земель. Это потенциальное плодородие, которое не зависит от характера антропогенного воздействия на земли, а определяется лишь их нативными свойствами. На втором уровне оценивают актуальное плодородие земель, которое зависит также и от влияния человека. Например, возделывание сельскохозяйственной культуры может осуществляться без применения мелиораций, специальных агротехник и использования удобрений и химикатов. В этом случае урожайность культуры будет являться одной из характеристик уровня естественного плодородия земель. Урожайность культуры, возделываемой в рамках определенных технологий с применением удобрений, будет одной из характеристик актуального плодородия земель.
Оценка плодородия пахотных земель является сложной задачей в связи с тем, что урожайность разных растений на одном и том же типе земель может сильно различаться. Естественное плодородие земель может быть оценено путем вычисления (моделирования) урожайности некоей абстрактной культуры. Для оценки же актуального плодородия этот метод не имеет большой практической значимости, так как он не позволяет применить эту оценку к реально возделываемым культурам.
При оценке плодородия земель важен анализ пространственного варьирования плодородия. Результатом анализа может являться ранжирование земельных участков по уровню их плодородия. Кроме того, большое значение имеет изменение уровня плодородия земель от одного сезона вегетации к другому сезону. Это варьирование обусловлено как климатическими изменениями, так и изменениями свойств почв и специфики использования земель.
Традиционно оценка уровня плодородия земель опирается на анализ почвенного покрова. Однако почвенные карты в России на большей части пахотных земель не обновлялись уже более 20 лет, и реальное состояние почвенного покрова пахотных земель в России не известно. Оценки же на основе почвенных карт 20-летней давности могут дать искаженное представление о реальном плодородии земель. В ближайшие годы массовое обновление почвенных карт не планируется и вряд ли может быть осуществлено технически.
В качестве альтернативы почвенным картам для анализа плодородия земель предложено использование данных спутниковой съемки земной поверхности. Спутниковые данные могут быть использованы в первую очередь для анализа актуального плодородия земель в разрезе отдельных регионов. При этом в качестве основного показателя актуального плодородия земель используется состояние посевов, которое индицируется по величине вегетационного индекса NDVI. Используется величина сезонного максимума вегетационного индекса для пахотных полей. Для получения оценки актуального плодородия земель отдельных регионов, величины сезонного максимума индекса агрегируются для всех полей региона для каждого сезона вегетации. В качестве региона анализа наиболее оптимально использовать хозяйство или административный район. В результате агрегации при получении интегральной оценки косвенно учитывается и специфика используемых севооборотов и региональные особенности агротехники возделывания культур.
В подотчетный период был проведен анализ актуального плодородия земель Европейской части России на уровне административных районов. В качестве основной информации для проведения анализа использовались недельные композиты NDVI, полученные по данным MODIS за период с 2000 по 2010 годы. Сезонные максимумы NDVI были осреднены для пахотных угодий в каждом административном районе. Далее было проведено ранжирование районов по величине осредненного сезонного максимума вегетационного индекса, а также был проведен анализ вариабельности величины осредненного сезонного максимума NDVI. Полученные результаты представлены на рис. 16.9.1. и 16.9.2.
Полученные данные позволяют получить объективную оценку актуального плодородия пахотных земель региона. Сопоставление полученных данных с оценками, получаемыми на основе анализа чисто почвенных данных, позволит в дальнейшем получить информацию о роли антропогенного фактора в варьировании плодородия земель. Кроме того, полученные данные могут быть интерпретированы с точки зрения интенсивности круговорота основных химических элементов в почве.

 

Рис.16.9.1 Классы уровня актуального плодородия земель (от 1 – самый низкий до 6 – самый высокий)

 

Рис.16.9.2. Вариабельность уровня актуального плодородия земель (стандартное отклонение)