Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Введение

Солнечная радиация является одним из основных факторов энергетического баланса поверхности земли, влияющего на экологически важные характеристики микроклимата, включая температуру поверхности сельскохозяйственных угодий, потребности в испарении и влажности почвы. При этом температура поверхности почвы относится к показателям, по которым на основе метеорологических данных оценивается биоклиматический индекс, определяющий комфортность климата [1]. Одна из ключевых научных задач состоит в установлении и формализации взаимосвязей между глобальными или региональными прогнозами климатических изменений и динамикой тепло- и влагообеспечения отдельных полей, при этом адаптация технологий возделывания сельскохозяйственных культур к микроклиматическим особенностям полей в агроландшафтах является одной из проблем как адаптивно-ландшафтного, так и точного земледелия [2]. Дистанционное зондирование Земли позволяет оценивать влажность почвогрунтов, а также уровень близко залегающих грунтовых вод [3]. Формирование температурных условий почвенного покрова определяется интенсивностью роста и развития растений, их высотой и сомкнутостью, определяющими величину их проективного покрытия [4]. Метеорологические исследования позволили составить классификацию термического состояния почв, основанную на среднемесячной наименьшей температуре в годовом цикле на стандартных глубинах измерения [5]. Также отмечается, что водопотребление почвы и транспирация растения коррелируют с температурой воздуха [6]. Отмечается, что регулируемый дефицитный полив и частичное высушивание корневой зоны сельскохозяйственных растений относятся к способам осуществления дефицитного орошения в условиях аридизации климата, когда необходимо обеспечить баланс между фотосинтезом и транспирацией [7]. Высокую эффективность в увлажнении почвы при выращивании саженцев плодовых деревьев играет капельное орошение, реализуемое с мая по август, за счет интенсивной транспирации и водопотребления, а также снижения испаряемости за счет затенения контуров поверхностного увлажнения [8]. Эффективным теплофизическим мелиорантом, улучшающим физико-химические условия выращивания яровой пшеницы на дерново-подзолистых почвах, является биоуголь. Установлено, что теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность почв, а также температура подстилающей поверхности могут изменяться путем добавления биоугля за счет возрастания турбулентного потока тепла [9].

Действие температурного фактора на продуктивность культур, таких как хлопчатник, оказывает существенное влияние, особенно в генеративную фазу развития, такую как развитие пыльцы [10]. Исследования выяснили, что пространственная изменчивость таких характеристик, как влажность и плотность почвы, значимо влияет на теплопроводность почвенных слоев, являясь ключевой причиной неоднородности температурного режима. Рельеф местности, микрорельеф и направление склона также существенно влияют на перераспределение влаги, неоднородность уплотнения и, соответственно, неравномерное прогревание верхних слоев почвы [11].

Задача определения теплопроводных и температуропроводных свойств каштановых почв методом тепловой мелиорации эффективно решается в случаях, когда испарение с поверхности почвы отсутствует, вызывает отрицательный термический эффект. На открытых участках почв Волгоградской области в межполосной зоне облесенных полей, благодаря повышенной теплоемкости, грунт прогревается сильнее, чем на участках без лесных полос [12]. Сочетание наземного автоматизированного мониторинга почв и данных космического мониторинга позволяет исследовать температурные и термодинамические свойства почв и почвообразовательных процессов [13]. Сочетание этих технологий с интернетом вещей (IoT) позволяет получать и анализировать информацию о характеристиках поля, процессах распределения теплопроводности и влажности почвы, что имеет важное значение для планирования более эффективной ирригации и прогнозирования урожая [14].

Температурный режим почв – важнейший фактор функционирования агроэкосистем, определяющий интенсивность множества процессов в почвах. Исследования, основанные на количественных оценках интенсивности внутрипочвенных процессов при разных температурах, становятся все более актуальными в различных сферах, особенно для прогнозирования развития эрозионных процессов и регулирования продуктивности сельскохозяйственных экосистем.

Цель исследования – изучение пространственного распределения поверхностной температуры поля на сельскохозяйственных территориях, отличающихся по засушливости методом дистанционного зондирования. Для достижения поставленной цели авторами решены следующие задачи:

а) мультиканальные космоснимки муниципальных образований Саратовской области обработаны с целью извлечения канала B10 в дальнем ИК-диапазоне (10,60–11,19 мкм) для определения величины поверхностной температуры (LST), а также извлечения ближнего и коротковолнового каналов B5 и B6 для расчета индекса NDMI;

б) построены картограммы распределения поверхностной температуры на сельско-хозяйственных территориях данных муниципальных образований;

в) проведен корреляционный анализ между значениями средними температуры поверхности поля LST и величиной NDMI.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являлись почвы полей, расположенных в правобережье и левобережье Саратовской области, в районах, различающихся по аридности: Вольском, Базарно-Карабулакском, Аткарском, Турковском, Краснопартизанском, Саратовском, Энгельсском, Марксовском, Федоровском, Новоузенском. Данные о влажности почвы и о значениях вегетационных индексов относились к периоду 01.07.2024 – 01.08.2024.

В качестве исходных материалов для задач дистанционного зондирования авторами применялись мультиканальные снимки, полученные спутником Landsat 8. Обработка данных SRTM и картографирование полученного материала проводились с помощью программного комплекса QGIS (версия 3.28.0). При этом выбрана географическая система координат WGS 84 EPSG 4326. Статистическая обработка полученных данных реализована в программном комплексе Statistica (версия 10). Для уточнения пространственного разрешения и повышения точности интерпретации данных была применена методика пан-шарпинга, что позволило объединить изображения с различным пространственным разрешением. В частности, для Landsat 8 использовали комбинацию панхроматического канала с пространственным разрешением 15 м и мультиспектральных каналов с разрешением 30 м для получения изображений высокого качества. Это улучшило детализацию и позволило более точно определить границы объектов на местности [15]. Каналы B10 мультиканальных снимков были обработаны с помощью модуля RS&GIS в программном комплексе QGIS. Обнаружена выраженная инфракрасная компонента в спектрах отражения сельскохозяйственных территорий (рис. 1).

Для оценки уровня аридности территории авторами применялся стандартизованный индекс различий увлажненности (NDMI). Его величина характеризует уровень влажности в растительности и применяется для оценки аридности и почвенного газообмена. Индекс NDMI определяется в соответствии с формулой

(1)

где NIR и SWIR – показатели эффективности отражения в ближнем и коротковолновом инфракрасном спектральных каналах соответственно в мультиканальном снимке.

Этот индекс показывает различия в увлажненности, обладает высокой чувствительностью к структуре растительного покрова, поскольку позволяет оценивать содержание влаги на нескольких уровнях растительности, в отличие от других индексов, которые измеряют влагу лишь в верхнем слое. Повышение засушливости вызывает снижение доли NIR-компоненты и увеличение доли SWIR-компоненты в спектре отражения растений. Это объясняется разными характеристиками отражения растительности и почвы. Снижение значений NDMI свидетельствует о возрастании аридности региона. Чтобы определить NDMI, использовалась классификация спектральных данных изображения с последующим преобразованием в shp-файл, который наиболее удобен для ГИС-анализа.

Результаты исследования и их обсуждение

Понижение индекса NDMI соответствует увеличению аридности климата. Авторами установлено (таблица), что аридность районов Саратовской области увеличивается при переходе с севера на юг области в следующем порядке: Вольский, Базарно-Карабулакский, Аткарский, Турковский, Краснопартизанский, Саратовский, Энгельсский, Марксовский, Федоровский, Новоузенский районы. В этом же направлении возрастает величина средней температуры поверхности земли (таблица).

Рис. 1. Картограмма распределения температуры поверхности почвы по районам и расположенным на них сельскохозяйственным угодьям (а – Энгельсский район, б – Базарно-Карабулакский район)

Значения индекса NDMI и температуры поверхности земли (LST) сельскохозяйственных полей, расположенных в районах Саратовской области, различающихся по аридности

Данный факт может объясняться несколькими причинами. Во-первых, это снижение почвенной влаги. В условиях аридного климата уровень осадков значительно уменьшается. Почва теряет влагу, и уменьшается процесс испарения воды с ее поверхности и с поверхности растений вследствие транспирации. Испарение и транспирация обычно потребляют значительное количество энергии, охлаждая поверхность. При их уменьшении больше солнечной энергии переходит в тепловую, что повышает температуру поверхности.

Во-вторых, возрастание температуры почвы в условиях увеличения аридности климата объясняется снижением фитомассы. В аридных условиях растения страдают от недостатка влаги и зачастую погибают или существенно уменьшают свою биомассу. Растения обладают способностью охлаждать поверхность через транспирацию. Меньше растительности – меньше охлаждения, и, как следствие, температура поверхности растет.

В-третьих, данный факт может объясняться изменением теплоемкости и теплопроводности почвы. Влажная почва имеет более высокую теплоемкость и теплопроводность по сравнению с сухой почвой. Сухая почва нагревается быстрее и до более высоких температур, так как ее теплоемкость и способность поглощать и удерживать тепло ниже.

В-четвертых, причиной такого распределения температуры поверхности почвы являются альбедо и радиационный баланс. Влажная почва и зеленые растения обычно имеют более высокое альбедо, что позволяет отражать больше солнечной энергии. По мере высыхания и деградации растительного покрова альбедо снижается, поверхность поглощает больше солнечной энергии и, соответственно, нагревается.

Все эти факторы в совокупности способствуют тому, что с ростом аридности климата температура поверхности сельскохозяйственных полей увеличивается, что создает дополнительные сложности для ведения сельского хозяйства в таких зонах.

Авторами установлено, что температура поверхности земли LST распределяется по территории рассматриваемых территорий неравномерно (рис. 1). Это может объясняться рядом причин. Одной из них является полив и удобрение почв, влияющие на микроклимат. Другим фактором является рельеф, небольшие изменения которого влияют на распределение температуры. Возвышенности могут получать больше солнечного излучения, тогда как низины могут быть затененными и, возможно, собирать холодный воздух, что ведет к более низким температурам. Также разные виды культур могут по-разному влиять на температуру поверхности. Высокие и густые растения могут создавать тень, снижающую температуру почвы под ними, тогда как поля с редкими или молодыми посадками быстрее нагреваются.

Например, полив может повысить влажность и изменить тепловой баланс, а обработка почвы может изменить ее структуру и, соответственно, теплообмен. На распределение температуры по поверхности территории влияет солнечная инсоляция и движение воздушных масс. Различные участки поля могут получать неодинаковое количество солнечного света в течение дня из-за ориентации к солнцу и угла солнечных лучей. Это особенно заметно в полях с наклоном к северу или югу. При этом поля, открытые к преобладающим ветрам, могут быть более охлажденными за счет постоянного воздухообмена. Эти факторы не действуют изолированно, а чаще всего взаимодействуют между собой, создавая сложную мозаичную картину температурного распределения на поле.

Авторами обнаружена корреляционная зависимость между величиной температуры поверхности агроценоза LST и индексом NDMI. При этом взаимосвязь между LST и NDMI соответствовала критерию нормального распределения: почти все точки корреляционной зависимости точек находятся в области между аппроксимирующей прямой и асимптотами, отвечающими границам области гауссового распределения (рис. 2).

Рис. 2. Распределение температуры LST по значениям индекса NDMI по гауссовой модели

Рис. 3. Матрица парной корреляции и значение параметров в корреляционной модели Спирмена между величинами LST и NDMI

Это свидетельствует о том, что значения LST, распределенные относительно индекса засушливости NDMI, удаленные от своего среднего значения, встречаются реже, чем близкие к нему. Дополнительно оценка корреляционных взаимосвязей между данными характеристиками оценивалась с помощью критерия Спирмена. При этом производилась оценка коэффициента корреляции Спирмена R, а также коэффициент Стьюдента и величины p, представляющей собой вероятность нулевой гипотезы, то есть предположения о получении текущего результата при равенстве нулю коэффициента корреляции. Для всей рассмотренной зависимости наблюдалось выполнение соотношений

p < pкр и t(N-2) > tкр(N-2),

где N – число точек в корреляционной зависимости.

Таким образом, значения характеристик корреляционной взаимосвязи являются статистически значимыми (выделены красным цветом), и нулевая гипотеза о равенстве нулю коэффициента корреляции отвергается (рис. 3).

Проведенный корреляционный анализ позволил установить, что значения температуры поверхности LST связаны между собой сильной (коэффициент корреляции r= -0,8740) отрицательной корреляционной линейной взаимосвязью:

. (2)

Таким образом, чем ниже значение индекса NDMI (и выше засушливость территории), тем выше температура LST поверхности земли сельскохозяйственного угодья.

Заключение

Установлено, что аридность районов Саратовской области увеличивается при переходе с севера на юг области в следующем порядке: Вольский, Базарно-Карабулакский, Аткарский, Турковский, Краснопартизанский, Саратовский, Энгельсский, Марксовский, Федоровский, Новоузенский районы. В этом же направлении возрастает величина средней температуры поверхности земли. Неоднородный характер распределения температуры поверхности по территории сельскохозяйственных угодий может объясняться поливом и удобрением почв, структурой рельефа, типом и плотностью произрастающих культур. Поверхностная температура LST сельскохозяйственных угодий линейно снижается с увеличением стандартизованного индекса различий увлажненности NDMI.