Пространственное моделирование распределения открытых песков и дефлированных под влиянием антропогенных нагрузок территорий для мониторинга процессов опустынивания

В 1970-1980-х гг. из-за распашки и чрезмерного выпаса большая часть песчаных земель Калмыкии в районе Чёрных земель лишилась растительного покрова. Благодаря фитомелиоративным мероприятиям, снижению пастбищных нагрузок и благоприятной климатической флуктуации удалось предотвратить экологическое бедствие в регионе. Однако после периода устойчивого состояния в 2002–2010 гг. вновь усилились процессы опустынивания, и площадь открытых песков на Черных землях к 2019 г. приблизилась к значениям начала – середины 1990-х гг., а большая часть новых очагов опустынивания возникла в Астраханской области. Пастбищные нагрузки, являясь одним из ключевых факторов динамики состояния экосистем, распределены неравномерно, из-за этого требуется уточнение пространственных закономерностей антропогенной нагрузки на ландшафты.

Животноводческие фермы («чабанские точки», места концентрации скота) в регионе исследований (Черные земли — Калмыкия и западная часть Астраханской области) выделялись на основе экспертной интерпретации спутниковых изображений видимого диапазона прибора Landsat-5 TM на 1984–1986 гг. и Landsat-8 OLI на 2020 г. пространственного разрешения 30 м. Прилегающие к животноводческим фермам участки обладают достаточно четкими дешифровочными признаками: выделяются цветом и формой. Также животноводческие фермы являются «узлами» сходящихся грунтовых дорог, поэтому при отсутствии других признаков скопление дорог косвенно свидетельствует о наличии фермы. В непосредственной близости от ферм и поилок, как правило, могут находиться участки, полностью лишенные растительного покрова: открытые пески и котловины выдувания. Плотность животноводческих ферм может быть одним из показателей антропогенной нагрузки, которая ведет к опустыниванию. Из анализа пастбищных земель исключались используемые пахотные земли, как богарные, так и орошаемые.

Как показывают проведенные ранее исследования зона влияния выпаса скота распространяется на расстояние до 3 км от животноводческих ферм. Поэтому площадь пастбищ определялась как площадь земель, которые попадают в зону радиуса 3 км вокруг животноводческих ферм. Также были определены площади пастбищ в меньшем радиусе с интервалом 0,5 км. На более близкие к загонам для животных участки оказывается большее воздействие, поэтому важно представлять площади пастбищ на разном удалении от ферм. Для этого строились буферные зоны радиусом от 0,5 до 3 км, после чего они объединялись в один объект, а также определялось пересечение буферных зон от смежных ферм. После с получившимися геоинформационными слоями выполнялись оверлейные операции в геоинформационной программе: пересечение границами муниципальных образований, почвенных контуров. Определялись площади открытых песков и дефлированных территорий, попадающие в границы разной удаленности от животноводческих ферм. Также были определены площади потенциально возможных к использованию пастбищ с помощью инструмента геоинформационной обработки «полигоны Вороного». Этот инструмент позволяет построить полигоны вокруг точечных объектов, объединив площади, которые расположены к данной точке ближе, чем к любой другой. Таким образом, были выделены наиболее близкие к каждой ферме участки. Из анализа исключались соровые понижения и солончаки по разработанному методу, который представлен в разд. (Картографирование соровых понижений и солончаков на основе многолетних данных Landsat для совершенствования методов спутникового мониторинга процессов опустынивания).

Статистические данные о поголовье скота в разрезе муниципальных районов приводятся по Базе данных показателей муниципальных образований (https://www.gks.ru/dbscripts/munst/munst.htm). Достоверные данные в разрезе районов по поголовью скота доступны только с 2007 г. (это связано как с наличием данных в открытом доступе, так и изменением площадей пограничных между Астраханской областью и Калмыкией районов), поэтому пастбищные нагрузки для более раннего периода определены не были. Пастбищные нагрузки определялись как отношение среднего поголовья в условных головах овец на одну ферму в пределах района к площади полигона Вороного вокруг фермы. В реальности контуры пастбищ имеют более сложную форму и могут иметь площадь как большую, так и меньшую. Это же касается и поголовья скота, особенно учитывая большую долю неофициального поголовья. Но поскольку не все участки поставлены на кадастровый учет, а их границы не всегда соблюдаются при выпасе, то более точные способы определения актуальных площадей затруднены. Также в границах полигонов Вороного рассчитывались площади открытых песков согласно ранее полученным данным и сопоставлялись с величинами пастбищных нагрузок для полигонов.

Всего идентифицирована 1861 животноводческая ферма на 1984–1986 гг. и 1714 ферм на 2020 г., из которых 1275 не изменили своего местоположения с 1984 г. При этом на территории Калмыкии количество ферм уменьшилось на 312 (сильнее всего в Черноземельском районе — на 184), а в Астраханской области, наоборот, увеличилось на 165. Площадь пастбищ по полигонам Вороного вокруг животноводческих ферм после вычета соров, солончаков, пашни и населенных пунктов на 2020 г. равна 3,65 млн га, что достаточно точно согласуется со статистическими данными (3,69 млн га). При этом 78,3 % пастбищ расположены в трехкилометровой зоне вокруг животноводческих ферм, следовательно, подвергаются наиболее сильным нагрузкам. В 1980-х гг. площадь пастбищ составляла более 4 млн га, из которых на трехкилометровую зону приходилось 73,7 %.

Воздействие выпаса на почвенно-растительный покров зависит от физических свойств почвенного покрова: на суглинистых почвах верхние горизонты уплотняются, а на песчаных почвах, наоборот, разрушаются. Поэтому пастбища на суглинистых почвах более устойчивы к выпасу и дефляции. На суглинистых почвах лишенные растительного покрова участки концентрируются в радиусе 0,5–1 км вокруг ферм. По мере облегчения гранулометрического состава почв пастбищ участки с открытыми песками проявляются на все больших расстояниях от ферм. При этом в 1984 г. только 37 % всех дефлированных площадей приходилось на трехкилометровый радиус вокруг ферм, к 2020 г. этот показатель увеличился до 51 %. Это связано с тем, что в 1970–80-х гг. основные площади подвижных песков были вызваны распашкой и располагались на месте современного заповедника «Черные земли», в окрестностях которого к тому времени уже не было мест концентрации скота. К 2020 г. практически во всех исследованных районах увеличилась доля дефлированных земель в трехкилометровых окрестностях ферм. Это стало результатом нерационального использования пастбищ и превышения допустимых нагрузок скота при выпасе.

В 1980-х гг. на территории Калмыкии содержалось около 3,3 млн овец и коз, минимума поголовье достигло к 2000 г. (0,6–0,7 млн голов), на период 2010–2020 гг. по данным статистики поголовье составляло около 2,5 млн голов или 1,4 тыс. голов овец на одну животноводческую ферму, 2,4 тыс. усл. голов овец с учетом крупного рогатого скота, лошадей и верблюдов. Согласно Постановлению Правительства Калмыкии от 27 апреля 2006 г. № 158 «О нормах нагрузки скота на пастбища на территории Республики Калмыкия» нормы пастбищных нагрузок устанавливаются на уровне 0,3–0,5 усл. голов овец/га. Данное требование в 2007–2020 гг. соблюдалось только на 19,5 % территории исследования (рисунок 1). При этом участки с наибольшими пастбищными нагрузками на песчаных почвах совпадают с местами локализации открытых песков. Если учитывать кратковременные превышения допустимых пастбищных нагрузок в отдельные годы при максимальном показателе поголовья за 2007–2020 гг., то превышения допустимых величин были на 87 % площади пастбищ. На большей части площади превышение составляет в 2–3 раза.

В результате сопоставления пастбищных нагрузок и площадей открытых песков и дефлированных земель в окрестностях животноводческих ферм подтверждено, что пастбищные нагрузки наиболее сильно влияют на участки на легких по гранулометрическому составу почвах (рисунок 2). Отмечена значимая сильная корреляционная связь доли открытых песков и как среднемноголетних пастбищных нагрузок (r = 0,82), так и максимальных за период (r = 0,88). Стоит отметить, что даже кратковременные превышения пастбищных нагрузок более 3 усл. голов овец/га на супесчаных и песчаных почвах приводят к резкому увеличению площади лишенных растительного покрова участков. Безусловно, кроме непосредственно пастбищных нагрузок на площадь подвижных песков влияет интенсивность эоловых процессов, обусловленных синоптической ситуацией и ветровой нагрузкой, тем не менее выпас препятствует самозарастанию песков.

Рисунок 1 — Пастбищные нагрузки за 2007–2019 гг.: среднемноголетние (слева) и максимальные (справа) (I — границы районов, II — границы муниципальных образований, III — границы ООПТ, IV — соровые понижения, солончаки и водоемы, V — пастбищные нагрузки, усл. голов овец на гектар)

Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования Земли позволяет выявить пространственную структуру антропогенных нагрузок на ландшафты. Животноводческие фермы обладают достаточно четкими дешифровочными признаками, поэтому могут быть достоверно картографированы. Закономерности их пространственного распределения могут служить основой для анализа величин пастбищных нагрузок. В совокупности с данными о поголовье скота становится возможным расчет величин пастбищных нагрузок, а геоинформационная обработка позволяет включить в анализ данные о почвенном покрове, продуктивности земель, их приуроченности к единицам административно-территориального деления. Дальнейшие исследования могут быть направлены на исследование изменений растительного покрова на разном удалении от животноводческих ферм в зависимости от пастбищных нагрузок и почвенно-растительных условий с применением как натурных, так и дистанционных методов.

Установлено, что к 2020 г. по сравнению с 1980-ми гг. уменьшилось количество животноводческих ферм на суглинистых почвах, а на песчаных почвах и песках, наоборот, увеличилось. При том что площадь пастбищ осталась практически неизменной. Это привело к росту пастбищных нагрузок на легких по гранулометрическому составу почвах. Более чем на 80 % территории пастбищ превышены допустимые нагрузки выпаса скота. Результатом этого стала активизация процессов опустынивания в регионе. Представленные на рисунке 2д, е эколого-математические модели позволяют спрогнозировать развитие массивов открытых песков и дефлированных территорий в зависимости от величин пастбищных нагрузок.

Рисунок 2 — Распределение площадей открытых песков и дефлированных территорий по пастбищам с разной нагрузкой (усл. гол. овец/га, а — среднемноголетняя нагрузка, б — максимальная нагрузка) и площадей пастбищ с разной нагрузкой (усл. гол. овец/га, в — среднемноголетняя нагрузка, г — максимальная нагрузка; I — глинистые и тяжелосуглинистые, II — среднесуглинистые, III — легкосуглинистые, IV — супесчаные, V — песчаные, VI — пески) и связь доли открытых песков и дефлированных площадей с пастбищными нагрузками (д, е — среднемноголетняя и максимальная нагрузка, I — фактические данные, II — аппроксимация сигмоидой, III — линейная регрессия)