Дистанционный почвенный экологический мониторинг

Дистанционный почвенный экологический монито­ринг — контроль состояния почв с помощью дистанцион­ных методов. Использование результатов съемки земной поверхности из космоса и аэрофотоснимков позволяет получать информацию с больших площадей.

С помощью дистанционных методов можно осущест­влять раннюю диагностику недостаточности элементов минерального питания в почвах; диагностику состояния растительности после обработки гербицидами; диагности­ку недостаточности содержания влаги в почве; создавать карты текущего состояния почв (степени засоленности, кислотности в данном районе); выявлять различные виды деградации почв. Использование дистанционных методов дает возможность создавать широкомасштабные банки данных по состоянию почв, наблюдать динамику их изме­нения. Эффективно сочетание наземных и дистанционных наблюдений. Наземный мониторинг, включающий отбор почвенных проб и их анализ, может как предшествовать дистанционному наблюдению, так и следовать за ним в качестве уточняющего этапа.

Дистанционные методы анализа почв основаны на спектральной отражательной способности (СОС) почв — способности почв избирательно поглощать и отражать электромагнитные излучения определенных длин волн в зависимости от химического состава и физического стро­ения поверхности. По изменению спектральных характе­ристик почв можно оценивать потерю гумуса и изменение его качественного состава, проследить процессы засоления, оподзоливания, развития эрозии и т. д.

Отражение света почвами зависит от их влажности, содержания гумуса, карбонатов, железа, солей, размера агрегатов (Орлов, Суханова, Розанова, 2001).

В системе наземного мониторинга для характеристики СОС используют спектральные коэффициенты отражения (СКО). Спектральным, коэффициентом, отражения называ­ют величину, равную отношению светового потока, рассе­янного освещенной поверхностью почвы во всех направле­ниях, к световому потоку, падающему на эту поверхность в определенном интервале длин волн. СКО определяют в лабораторных условиях на спектрофотометрах типа СФ-10, СФ-14, СФ-18 с применением интегрирующей сферы, где учитывается весь диффузно отраженный от объекта све­товой поток.

В системе дистанционного мониторинга используются спектральные коэффициенты яркости (СКЯ). Спектральный коэффициент яркости равен отношению интенсивности потока излучения, отраженного поверхностью объекта в каком-либо направлении, к интенсивности потока, отра­женного в том же направлении от идеально рассеивающей поверхности. Измерение СКЯ проводят, как правило, с борта самолета, космического корабля, вышки или с руки полевыми спектрометрами. Промышленный выпуск таких приборов в нашей стране, к сожалению, пока не налажен, и исследователи пользуются авторскими экземплярами, изготовленными для каждой конкретной задачи.

Измерение СКЯ в полевых условиях связано с рядом особенностей, так как если в лабораторных условиях по­лучение СКО зависит только от точности прибора, то в полевых условиях необходимо учитывать влияние внешних факторов: условия освещения, влажность почвы, степень об­работки почвы и т. д. Поэтому для уменьшения погрешности приходится прибегать к увеличению объема выборки.

Наибольшее влияние гумуса на спектральные свойства почв проявляется в области длин волн 700 — 750 нм. Анализ большого набора почв, как современных, так и погребенных, показал, что связь между коэффициентом отражения света при 750 (700) нм и содержанием органического углерода выражается зависимостью, близкой к экспоненциальной. При высоком содержании гумуса окраска почв обуслов­лена практически только органическим веществом и мало меняется с увеличением его содержания. При уменьшении содержания гумуса отражение начинает быстро нарастать, приближаясь к отражательной способности породы. Такая связь для поверхностных горизонтов почв лесостепной и степной зон описывается функцией вида:

Р= Pmin + (Ро “ ⁷Pmln) ^Х Є'*”

где р — коэффициент спектрального отражения почвы; р₀ — то же для безгумусной почвообразующей породы; Pmin — ^{то же} многогумусной почвы; Н — содержание гумуса, %; к — константа. При анализе функции р от Н при Н = 0 величина р= р₀, при Н>10% величина р = p_mln (Виноградов, 1988).

Большие отклонения от средних не позволяют в единич­ных образцах определять содержание органических веществ в почвах по величине коэффициентов отражения. Но при дистанционных измерениях СКЯ прибор автоматически усредняет значения для больших площадей, что существенно снижает разброс данных и позволяет рекомендовать этот метод для мониторинговых исследований.

На закономерных изменениях СКО по почвенному про­филю основана и оценка степени эродированности почв. Вспашка смытых и несмытых почв проводится обычно на одинаковую глубину, при этом наблюдается как бы разбав­ление верхнего слоя нижележащим горизонтом. Для почв с разной окраской горизонтов по результатам измерения СКО можно оценить степень припахивания нижележащих горизонтов.

Достоверно дешифрируется динамика структур почвен­ного покрова, связанная с антропогенными нарушениями его в результате водной и ветровой эрозии, вторичного засоления, заболачивания, изменений форм использования земель.

Для оценки загрязнения земной поверхности исполь­зуются совместно черно-белые и цветные ИК — аэрофо­тоснимки. При этом выявляются нарушения растительного покрова, свалки, деградация лесов, деградация пастбищ. Дистанционные методы позволяют выявить зоны пере­выпаса скота. На аэрофотоснимках прослеживаются все стадии пастбищной дегрессии, удается оценить урожай пастбищных трав с точностью до 50 кг/га и учесть эту информацию. Сравнение изображений в разные годы поз­воляет выявить ареалы опустынивания и оценить скорости его развития.

Дистанционные наблюдения оказались полезными при выявлении ранних признаков засухи, при оценке интенсив­ности эоловых процессов, динамики растительного покрова. Наиболее активно используется этот вид наблюдений при мониторинге опустынивания.

Характер кривых яркости позволяет диагностировать засоленные поверхности, различия во влажности, карбо- натности почв, степени покрытия их растительностью. Дис­танционные методы пригодны для получения информации о нефтяном загрязнении почв.