Мониторинг изменений площадей открытых песков и дефлированных территорий на юго-востоке европейской части России

В настоящее время продолжаются процессы деградации почвенного и растительного покрова зональных пастбищных ландшафтов на юго-востоке европейской части РФ: в Астраханской области, республиках Дагестан и Калмыкия, а также в Ставропольском крае. Поэтому требуется регулярная оценка изменений площадей открытых песков. Существенная межгодовая и внутрисезонная динамика площадей песчаных массивов, вызванная эоловым переносом и пастбищными нагрузками, визуально заметна на разновременных спутниковых изображениях (рисунок 1). Данное исследование является продолжением мониторинга изменений площадей открытых песков и пыльных бурь на юге европейской части России. Целью работы является определение площадей дефлированных пастбищ, лишённых растительного покрова в 2023 г., и анализ их изменений по сравнению с периодом 2019–2022 гг. на юге европейской части России с использованием данных дистанционного зондирования высокого пространственного разрешения.

Исследование основывается на классификации спутниковых изображений Landsat и Sentinel-2, прошедших процедуры коррекции атмосферных искажений и радиометрической калибровки, доступных в системе «Вега-Science». Выбирались даты съёмки по возможности близкие к максимуму вегетации в мае и первой половине июня, когда покрытые фотосинтезирующей растительностью участки максимально контрастируют с открытыми песками. В 2023 г. из-за повышенной облачности весной не было возможности использовать свободные от облаков данные Landsat, полученные на весь регион исследований в близкие даты съёмки, а также данные Sentinel-2 и формируемые на их основе ежемесячные композитные изображения. Поэтому примерно 30 % площади покрытия региона спутниковыми изображениями составили данные Sentinel-2, приведённые к пространственному разрешению 30 м, соответствующему данным спутниковой системы Landsat 8/9 OLI. Выбранные данные имеют достаточно высокое пространственное разрешение для выделения границ участков подвижных песков относительно небольшой площади.

Каждый тайл спутниковых изображений классифицировался отдельно из-за различий в датах и характеристиках используемых сенсоров, после чего все данные объединялись в результирующий растровый файл. Применялся метод классификации изображений, включающих NDVI и коэффициент спектральной яркости (КСЯ) в красном диапазоне длин волн. Использование NDVI необходимо для отделения вегетирующей растительности, КСЯ в красном диапазоне спектра наиболее информативен при низких значениях проективного покрытия и при значительном вкладе нефотосинтезирующей растительности, что важно для выделения сообществ эфемероидов, которые после окончания вегетации могут быть ошибочно отнесены к участкам без растительного покрова. Результат представлен на рисунке 2.

 
Рисунок 1 — Спутниковые трёхмесячные композитные изображения Sentinel-2 массивов подвижных песков на пастбищах в весенний (слева) и осенний (справа) периоды 2020 и 2023 гг.

Из анализа исключались населённые пункты, пахотные земли, а также многочисленные природные солончаки и соровые понижения, которые были предварительно картографированы отдельно. Их площадь составила около 245 тыс. га. По состоянию на май 2023 г. зафиксировано 244 тыс. га открытых песков и дефлированных участков без растительного покрова (рисунок 3), что практически соответствует их площадям в 2019 году и больше на 25 тыс. га по сравнению с весной 2022 года. Площадь стабильных массивов открытых песков и дефлированных территорий, переходящих из года в год, составляет 61 тыс. га, если за начальный период считать 2019 г. и 85,1 тыс. га относительно 2020 года. Рост площадей, лишённых растительного покрова в 2023 г., пришёлся главным образом на север Дагестана (+40,2 тыс. га) и северо-восток Ставропольского края (+2,6 тыс. га). В Калмыкии и Астраханской области отмечено снижение площадей дефлированных пастбищ на 7,6 и 9,9 тыс. га соответственно. Период 2022–2023 гг. в Астраханской области характеризовался нормальным увлажнением (рисунок 3б), а конец весны и начало лета 2023 г. в Калмыкии были самыми влажными за последние годы (рисунок 3а).

 
Рисунок 2 — Площади открытых песков и дефлированных земель по состоянию на весну 2023 г.
(I -государственная граница РФ, II – границы регионов, III – границы районов, IV – участки без растительного покрова,
V – соры и солончаки, VI – водоёмы)

 
Рисунок 3 — Динамика накопленных месячных сумм осадков в 2019-2023 гг. по данным метеостанций Яшкуль (а), Досанг (б) и Южно-Сухокумск (в) и динамика площадей открытых песков и дефлированных территорий (г):
I – Астраханская обл., II – Республтка Дагестан, III – Республика Калмыкия, IV – Ставропольский край

Согласно Базе данных показателей муниципальных образований (https://rosstat.gov.ru/free_doc/new_site/bd_munst/munst.htm) поголовье домашнего скота на начало 2023 г. практически не изменилось в сравнении с 2022 г., оставаясь на уровне примерно 2,6 млн голов овец и коз., что является минимальной величиной за последние 10-15 лет. Снижение поголовья после 2020 г. и достаточное увлажнение в 2023 г. способствовали восстановлению растительного покрова на значительных площадях в Калмыкии и Астраханской области. На севере Дагестана 2022 г. был самым сухим, даже в сравнении с чрезвычайно засушливым 2020 г. (рисунок 3в), что привело к практически ежемесячным пыльным бурям. Таким образом, к росту площадей открытых песков к маю 2023 г. на севере Дагестана и северо-востоке Ставропольского края привели засушливый 2022 г. с интенсивными дефляционными процессами и сухое начало весны 2023 г.

В Астраханской области после 2020 г. отмечается устойчивое снижение площадей пастбищ, лишенных растительного покрова. Отчасти это происходит из-за восстановления значительных по площади выгоревших территорий в Красноярском районе на границе с Казахстаном. В 2019 и 2020 годах здесь выгорело более 100 тыс. га. На песчаных почвах в результате пожаров резко увеличивается альбедо из-за сгорания растительной ветоши и напочвенного покрова, при этом данный эффект сохраняется в течение нескольких лет. Таким образом, прирост площадей без растительного покрова весной 2021 г. в Астраханской области вызван не только засухой 2020 г., но и масштабными степными пожарами. В пользу этого факта свидетельствует и резкое снижение площади открытых песков в 2022 г. (рисунок 4а), в том числе около 40 тыс. га, соответствующих выгоревшей ранее площади, на которой восстановленная на песчаных почвах растительность привела к снижению яркости земного покрова.

В 2023 г. по данным всех метеостанций региона исследований наблюдалось достаточно высокое увлажнение в осенний период. В результате к концу сентября площадь участков без растительного покрова сократилась на 85 тыс. га по сравнению с маем, достигнув 159 тыс. га. В 2023 г. заметно снизилось количество пыльных бурь, особенно сильно уменьшилась их площадь в сравнении с периодом 2020-2022 гг. По данным ВНИИГМИ-МЦД (http://aisori-m.meteo.ru) метеостанциями в Южно-Сухокумске, Яшкуле и Астрахани не зарегистрировано ни одного дня с пыльной бурей, в Элисте и Буденновске было три дня с этим явлением преимущественно слабой интенсивности. Только в Лагани было шесть дней с пыльными бурями слабой интенсивности, что соответствует среднемноголетнему значению и в значительной степени может быть связано с выдуванием материала с обсыхающего дна отступающего Каспийского моря при преобладающих здесь восточных ветрах. Ни одна из этих локальных пыльных бурь не была зафиксирована средствами дистанционного зондирования из космоса.

Рисунок 4 — Изменение площадей опустынивания в 2019–2023 гг. (по отношению к предыдущему году:
I – переходящая площадь опустынивания, II – уменьшение, III –прирост;
а – Астраханская область, б – Республика Дагестан, в – Республика Калмыкия, г – Ставропольский край)

В результате проведённого исследования установлено, что ситуация с ростом площадей подвижных песков и дефлированных территорий на юге европейской части России в 2022–2023 гг. стабилизировалась относительно периода 2020–2021 гг. В 2023 г. отмечены только единичные локальные пыльные бури слабой интенсивности, в то время как в период 2020–2022 гг. эти явления разной силы были регулярными. Площадь лишённых растительного покрова пастбищ на конец весны 2023 г. составляла 244 тыс. га, к концу сентября в результате восстановления растительного покрова она снизилась до 159 тыс. га. Растительность на зарастающих перевеянных песках представлена сорными однолетними видами, из-за чего при неблагоприятных гидротермических условиях сохраняется высокий риск повторения резкого увеличения площадей открытых песков и пыльных бурь подобно 2020–2021 гг.

Отсутствие достаточного количества безоблачных изображений высокого пространственного разрешения в течение вегетационного сезона 2023 г. (в том числе ежемесячных композитных изображений Sentinel-2) не позволило в полной мере оценить внутригодовую динамику площадей дефлированных пастбищ. Для дальнейшего мониторинга изменений площадей открытых песков целесообразно использовать трехмесячные композитные изображения, доступные в системе «Вега-Science» и соответствующие временам года: весна (1 марта – 31 мая), лето (1 июня – 31 августа) и осень (1 сентября – 30 ноября).