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. Для дистанционного обследования территории применяют также метод лазерного дистанционного зондирования (ЛДЗ). Установки ЛДЗ могут быть размещены на самолетах или вертолетах сельскохозяйственной авиации. В этом случае обеспечивается сбор информации с больших площадей за короткий промежуток времени, методы ЛДЗ обладают высокой чувствительностью и разрешением.

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). Зависимость эта описывается простыми эмпирическими уравнениями. Для каждой из таких функций общий вид уравнения не зависит от типа почвы, но значения постоянных коэффициентов закономерно изменяются для почв разного генезиса в широких пределах. Таким образом, использование спектральных характеристик позволяет оперативно и объективно оценивать содержание различных красящих компонентов, а по изменению во времени их содержания можно судить о скорости и направлении многих почвенных процессов.

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 учитыватьвлияние 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+ (Po ~7PmJ X е"Ш'

где р — коэффициент спектрального отражения почвы; р0 — то же для безгумусной почвообразующей породы; Pmin — то же Аля многогумусной почвы; Н — содержание гумуса, %; к — константа. При анализе функции р от Н при Н = 0 величина р= р0, при Н>10% величина р = р^ (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, карбонатности почв, степени покрытия их растительностью.

Дистанционные методы пригодны для получения информации о нефтяном загрязнении почв.