По статье Аннет Тиерманн и др. в журнале Geoinformatics, сентябрь 2002 г.
Разработана ГИС-модель ветровой эрозии почв. Ее апробация проводилась на тестовых участках в Германии, Швеции и Великобритании.
Введение
Для возникновения ветровой эрозии почв необходимы три условия: сильный ветер у поверхности, сухая и рыхлая поверхность, отсутствие растительного покрова. Негативные последствия этого процесса особенно актуальны для восточной и южной Европы, с ним также связаны экологические проблемы в районах с умеренным климатом на северо-западе Европы. Раз в 10 лет потери почвы за весенний период могут здесь доходить до 40 тонн с гектара.
В последние десятилетия риск ветровой эрозии значительно возрос из-за интенсификации сельскохозяйственного производства и расширения площади посевов. Рост масштабов эрозии, вызывающей серьезные экологические и экономические проблемы, потребовал разработки систем мониторинга и прогнозирования пространственно-временных последствий этого процесса.
Модель ветровой эрозии
ГИС-модель процессов ветровой эрозии разработана в рамках проекта WEELS, спонсируемого рядом европейских стран. Она обеспечивает прогноз развития эрозии на трех масштабных уровнях. На региональном уровне она позволяет идентифицировать проблемные территории, по которым необходимо более детальное рассмотрение. Следующий уровень — определение риска ветровой эрозии на уровне конкретного участка на основе таких исходных параметров как характеристика верхнего слоя почвы, протяженность поля, преобладающие направления ветра и наличие ветровых барьеров. Третий уровень, для которого требуются наиболее подробные данные, обеспечивает моделирование воздействия ветровой эрозии на 30-летний период и составление прогнозов, базирующихся на сценариях возможного изменения климата и различных вариантах землепользования.
Идентификация проблемных территорий
Метод выделения районов с высоким риском ветровой эрозии использует данные о типах почв (масштаба 1:50 000), карты землепользования (масштаб 1:25 000) и статистику землепользования. Сначала районы с определенным типом верхнего слоя почвы группируются в шесть классов по степени риска эрозии. Риск зависит от механического состава почв, определяющего их устойчивость к эрозии. Почвы с высоким содержанием глинистой и илистой фракции относятся к классу «риска эрозии нет», а почвы с высоким содержанием песка, особенно мелкого, характеризуются, как почвы «с очень высоким риском эрозии».
Данные о типах почв и землепользовании хранятся как покрытия ArcInfo. По ним выделяются земли, находящиеся в сельскохозяйственном обороте, участки с определенным типом почв и соответствующим классом эрозионной опасности.
Оценка типов возделываемых культур
Для получения реальных оценок риска ветровой эрозии в анализ добавляются подробные данные об использовании земель. Такие данные, предоставляемые, например, Департаментом статистики по Северной Германии, содержат информацию о 48 типах возделываемых культур. Засеваемые этими культурами участки классифицируются в зависимости от состояния почвенного покрова в наиболее опасный для развития эрозии период: с марта по май. Пастбища и поля, находящиеся под паром, защищены от ветровой эрозии в максимальной степени, поскольку растительный покров сохраняется на них в течение всего года, в то время как культуры с поздней датой посева, такие как кукуруза и овощи, не обеспечивают достаточную защиту от ветровой эрозии почвы в весенний период.
Результат совместной оценки типов почв и категорий использования земель показан на рис. 1. Для каждого муниципального образования Нижней Саксонии показана доля почв с высокой степенью подверженности эрозии, на которых возделываются культуры, способствующие развитию эрозии. Использование этой базы данных на региональном уровне позволяет выделить проблемные участки и сформировать основу для дальнейших исследований процессов ветровой эрозии на конкретных сельскохозяйственных угодьях.
Рис. 1. Доля сельскохозяйственных земель с высоким риском ветровой эрозии по муниципалитетам Нижней Саксонии, Германия.
Риск ветровой эрозии на уровне поля
Для определения местоположения конкретных полей Геологической службой Нижней Саксонии был разработан модуль к ArcInfo «Определение потенциальной ветровой эрозии», в основу которого положен алгоритм оценки потенциального риска развития ветровой эрозии на уровне каждого поля на пахотных землях (в масштабе 1:5000). Этот алгоритм образует основу для третьей, наиболее сложной части модели, использующей различные сценарии. Соответствующая база данных содержит информацию об использовании земель (данные ATKIS), различные параметры почв, данные о защищенных от ветра участках и преобладающих направлениях ветра, а также данные о размерах полей. Эти данные накладываются на топографию местности. Очень полезно также провести полевые исследования и уточнить существующие карты, а также провести оценку эффективности “ветровых барьеров”, таких как лесополосы.
Уровни риска при ветровой эрозии
Подробные данные по таксации почв группируются в пять классов с различными уровнями риска ветровой эрозии в зависимости от механического состава верхнего слоя почвы, ее генезиса и стадии развития. В зависимости от степени подверженности почвы ветровой эрозии, для каждого класса задается так называемая “допустимая протяженность” поля — расстояние, при котором достигается равновесие между эрозией почвы и отложением наносов. Для почв с высоким содержанием глинистой и илистой фракции это расстояние больше, чем для песчаных почв. При наличии защитных растительных полос, расположенных вдоль преобладающего направления ветра, значение допустимой протяженности поля может возрасти. Все участки пашни с высоким потенциальным риском ветровой эрозии для районов Германии, в которых выполнялись исследования по проекту WEELS, показаны на рис. 2. Действительная протяженность полей для этих подверженных эрозии участков превышает допустимую длину поля при преобладании восточных и западных ветров.
Рис. 2. Поля с потенциальным риском ветровой эрозии в Германии, изучавшиеся в рамках проекта WEELS, выделены красным цветом.
Обработка информации в ArcInfo
На диаграмме (рис. 3) показаны основные этапы использования модуля ArcInfo. При наличии покрытий с данными об использовании земель и по таксации почв, информации о преобладающих направлениях ветра и данных о ширине полей может быть выполнен комплекс аналитических процедур.
Рис. 3. Схема работы модуля ArcInfo «Определение потенциальной ветровой эрозии».
Сначала проводится слияние (операция merge) двух упомянутых выше покрытий. В исходную таблицу атрибутов покрытия с данными о землепользовании для каждого участка пашни добавляются такие атрибуты таксации почв, как механический состав верхнего слоя почвы, генезис почвы и стадия развития почвы. Если участку пашни соответствует более одного выдела с данными о таксации почв, то будут использованы только атрибуты большего таксационного района. В результате, каждому участку пашни присваивается однозначная характеристика таксации почв.
На следующем этапе по координатам с покрытия землепользования генерируются ветровые линии (переменные направления ветра), которые можно вращать в соответствии с заданным углом (1-360°). Расстояние между линиями задается в метрах и используется в модели в качестве одной из переменных.
Затем выбираются все дуги в покрытии землепользования с барьерными атрибутами типа «лес» и «живая изгородь» и создается буферная зона с подветренной, защищенной от ветровой эрозии, стороны от барьеров. Ее размеры меняются в зависимости от заданного направления ветра и ширины защищенного от ветра участка вдоль защитных полос. Результирующее покрытие совмещается с покрытием с данными о направлении ветра.
И, наконец, каждый участок пашни (за исключением участков, защищенных от ветра) сопоставляется с таблицей, содержащей все возможные сочетания механического состава верхнего слоя почвы, ее генезиса и стадии развития, а также соответствующих допустимых размеров поля. Участки пашни классифицируются как “участки без риска ветровой эрозии” в том случае, если реальная протяженность поля меньше допустимого размера, или как “участки с риском ветровой эрозии”, если реальная протяженность поля превышает допустимый размер. В расчете принимается во внимание протяженность самой длинной ветровой линии в пределах каждого земельного участка, поскольку этот параметр и определяет реальную интенсивность ветровой эрозии.
В результате таких действий создаются крупномасштабные (1:5000) карты риска ветровой эрозии, необходимые для планирования защитных мероприятиях на уровне каждого участка.
Заключение
Описанная процедура выделения проблемных участков и полей с потенциальным риском эрозии обеспечивает поиск “горячих точек” ветровой эрозии на региональном уровне. Необходимые для этого исходные данные доступны в большинстве государств Европы. Для более детальных исследований на уровне конкретных полей необходимо иметь соответствующие данные о верхнем слое почв, данные о форме поля и ветровых барьерах. Во многих европейских странах эти данные, с разной степенью полноты, могут быть получены на основе существующих цифровых наборов данных. Если таких данных нет, то необходимо проводить полевые исследования, а их результаты перевести в цифровой вид.
Эти разработки имеют еще один важный аспект. Скоро в Германии будет принят Закон об охране почв, предусматривающий введение стандартов их качества. В этих стандартах, помимо прочего, будут учитываться оценка риска эрозии для конкретных полей и природоохранные меры, необходимые для их сохранения. Для этих целей будет применяться методика, основанная на использовании ГИС.
Подход, ориентированный на выделение районов с потенциальным риском ветровой эрозии на разных территориальных уровнях, позволяет сфокусировать внимание и финансовые средства на самых уязвимых участках. В дальнейшем, по выявленным «проблемным» полям оправдано проведение детального моделирования и создание прогноза реального риска ветровой эрозии.
