Эрозия почв в Азиатской части России: геоинформационное картографирование и закономерности пространственного развития

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-00025

НазваниеЭрозия почв в Азиатской части России: геоинформационное картографирование и закономерности пространственного развития

Руководитель Ермолаев Олег Петрович, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-702 - Геоморфология

Ключевые слова эрозия почвы, дистанционное зондирование Земли, почвенная эрозионная информационная система, ГИС, геопортал, пространственные закономерности эрозии почв, картографирование, математическое моделирование

Код ГРНТИ39.03.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Фундаментальной научной задачей проекта является количественная оценка современной интенсивности почвенной эрозии и исследование закономерностей ее пространственного развития в пределах макрорегиона нашей страны: Азиатской части России. В качестве поисковой научной задачи проекта является создание специализированной геоинформационной системы и геопортала с отктытым доступом «Почвенная эрозионная ГИС Азиатской части России». Актуальность темы исследования определяется важнейшей ролью процессов водной эрозии в деградации почвенного покрова, приводящей к снижению плодородия обрабатываемых земель во многих регионах мира. Это в полной мере относится и к сельскохозяйственной зоне Азиатской части России. В России ежегодно с пахотных склонов процессами эрозии сносится свыше 500 млн. т плодородной части почв, а недобор зерна по стране по этой причине оценивается в 15,8 млн. т в год. Общий ущерб от склоновой эрозии в России составляет ежегодно более 9,7 млрд. долларов (Иванов и др., 2016). Реализация масштабных планов Правительства РФ по пространственному развитию Сибири и Дальнего Востока требует получение достоверной и актуальной информации о природно-ресурсном потенциале крупных территорий с ее представлением в цифровом виде. Процессы почвенной эрозии на территории бывшего СССР, казалось бы, хорошо изучены. Вместе с тем, количественные оценки интенсивности эрозионных процессов для различных ландшафтных зон и регионов Азиатской части России в период с начала 1990-х годов не проводились и ограничивались локальными исследованиями на небольших объектах. Последняя полномасштабная оценка интенсивности склонового смыва для всей территории России выполнена с невысоким уровнем пространственной детальности еще в середине 1980-х годов также, как и более детальные региональные исследования отдельных эрозионных процессов (Голосов, Ермолаев, 2019). Поставленная руководством страны задача по обеспечению населения собственной продукцией сельского хозяйства предполагает интенсификацию землепользования в благоприятных для этого регионах России. Ожидаемым следствием такой интенсификации будет увеличение темпов водной эрозии почв. В последние годы географам стали доступны современные технологии сбора, обработки и анализа пространственных данных, включающие материалы дистанционного зондирования Земли из космоса, геоинформационные технологии, продвинутые методы математико- статистического анализа. Оценка объемов смываемой почвы на склонах речных бассейнов имеет также фундаментальное значение для определения баланса наносов в эрозионно-русловых системах. Выполненные исследования позволят установить закономерности пространственного развития современной эрозии почв на обширных территориях (более 6 млн. км.кв.) гумидных равнин умеренного пояса Азиатской части России с количественной оценкой интенсивности почвенной эрозии. Разрабатывается методика оценки эрозионных потерь почвы на основе получения новых современных оценок факторов эрозии: эрозионного потенциала рельефа и осадков, почвозащитной роли растительности. Самостоятельным направлением исследований является впервые создаваемая специализированная геоинформационная система и геопортал с открытым доступом для этого макрорегиона нашей страны «Почвенная эрозионная ГИС Азиатской части России». Научная новизна и значимость исследований определяется тем, что в отечественных почвенных информационных системах эта разновидность систем для крупных регионов отсутствует. Отрытый доступ к накопленной информации предоставит возможность ее практического использования для заинтересованных представителей научного сообщества, специалистов в сфере природопользования при принятии управленческих решений на федеральном и региональном уровнях. Новизна исследования состоит также в том, что решение поставленных задач будет опираться на самые современные методы исследований в области Наук о Земле: картографо-геоинформационный, математического моделирования, использования данных дистанционного зондирования Земли из космоса. Кроме того, этот макарорегион России рассматривается как территория потенциального сельскохозяйственного освоения, а юг Сибири и сейчас достаточно освоен. Это приводит и приведет к развитию природно-антропогенной модификации склонового эрозионного процесса и, в первую очередь,-эрозии почв. Заявленное исследование позволит определить закономерности пространственно-временной интенсивности этого процесса на фоне происходящих климатических изменений. Заявка на проект подается в номинации «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами». При этом: «...поисковые научные исследования - исследования, направленные на получение новых знаний в целях их последующего практического применения (ориентированные научные исследования) и (или) на применение новых знаний (прикладные научные исследования) и проводимые путем выполнения научно-исследовательских работ...» (извлечение из документа: Федеральный закон от 23.08.1996 N 127-ФЗ (ред. от 23.05.2016) "О науке и государственной научно-технической политике"). Таким образом, содержание проекта включает в себя как фундаментальные (закономерности пространственного развития почвенной эрозии), так и поисковые научные исследования (новые знания о современных темпах почвенной эрозии, а также создание почвенной эрозионной ГИС и геопортала с открытым доступом для макрорегиона нашей страны-Азиатской части России). Предмет исследования: закономерности пространственного распределения и интенсивности почвенной эрозии с созданием специализированной почвенной эрозионной геоинформационной системы и геопортала. Регион исследования: гумидные равнины умеренного пояса Азиатской части России. Масштаб исследований (уровень пространственной детальности): региональный (1:1000000).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гафуров А.М., Усманов Б.М. Using deep convolutional neural networks for mapping of rill erosion of the pre-Volga region (Republic of Tatarstan, Russia) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Proc. of SPIE, Vol. 12296, 11-18 (год публикации - 2022)
10.1117/12.2643529

2. Чижикова Н.А., Ермолаев О.П., Голосов В.Н., Мухарамова С.С., Савельев А.А. Changes in the Regime of Erosive Precipitation on the European Part of Russia for the Period 1966–2020 Geosciences, 2022, 12, 279 (год публикации - 2022)
10.3390/geosciences12070279

3. Мальцев К.А., Голосов В.Н., Ермолаев В.Н., Иванов М.А, Чижикова Н.А. Assessment of Net Erosion and Suspended Sediments Yield within River Basins of the Agricultural Belt of Russia Water, Water 2022, 14, 2781 (год публикации - 2022)
10.3390/w14182781

4. Мальцев К.А., Иванов М.А. Comparative Study on Sediment Delivery from Two Small Catchments within the Lena River, Siberia Water, Water 2022, 14, 3055 (год публикации - 2022)
10.3390/w14193055

5. Ермолаев О.П., Медведева Р.А., Мухарамова С.С. Пространственно-временная оценка современной овражности в зоне интенсивного земледелия восточной части европейской территории России Тридцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Рязань, 3-7 октября 2022 г.): Доклады и сообщения. М.: МГУ. 2022, С. 89-91 (год публикации - 2022)

6. Гафуров А.М., Ермолаев О.П. Автоматизированное картографирование овражной эрозии с использованием сверточных нейронных сетей Тридцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Рязань, 3-7 октября 2022 г.): Доклады и сообщения. М.: МГУ. 2022, С. 76-78 (год публикации - 2022)

7. Савельев А.А., Мухарамова С.С., Ермолаев О.П. Подходы к оценке эрозионного потенциала дождевых осадков Тридцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Рязань, 3-7 октября 2022 г.): Доклады и сообщения. М.: МГУ. 2022, С. 146-148 (год публикации - 2022)

8. Ермолаев О.П. Новая оценка интенсивности почвенной эрозии на европейской территории России Тридцать седьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (г. Рязань, 3-7 октября 2022 г.): Доклады и сообщения. М.: МГУ. 2022, С. 15-23 (год публикации - 2022)

9. Ермолаев О.П., Мухарамова С.С., Мальцев К.А., Иванов М.А., Гафуров А.М., Ермолаева П.О., Савельев А.А., Шынбергенов Е.А., Янцитов Р.О., Бодрова А.О. Geography and geoecology of Russia in the mosaic of river basins Ресурсы, окружающая среда и региональное устойчивое развитие в Северо- Восточной Азии : Тезисы докладов V Международной научной конференции (Иркутск, 23–26 августа 2022 г.). – Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2022., С.170 (год публикации - 2022)

10. Ермолаев О.П., Мухарамова С.С., Мальцев К.А., Иванов М.А., Гафуров А.М., Савельев А.А., Шынбергенов Е.А., Ермолаева П.О., Бодрова А.О., Янцитов Р.О. География и геоэкология России в мозаике речных бассейнов География и природные ресурсы (Geography and Natural Resources) (год публикации - 2023)

11. Полякова А.Р., Мухарамова С.С., Ермолаев О.П., Шайхутдинова Г.А. Automated Recognition of Tree Species Composition of Forest Communities Using Sentinel-2 Satellite Data Remote Sensing, Remote Sens. 2023, 15, 329 (год публикации - 2023)
10.3390/rs15020329

12. Ермолаев О.П., Мухарамова С.С. Statistical Analysis and Modeling of Suspended Sediment Yield Dependence on Environmental Conditions Water, Water 2023, 15, 2639 (год публикации - 2023)
10.3390/w15142639

13. Медведева Р.А., Ермолаев О.П. Gully Erosion Zoning in the Middle Volga Region Eurasian Soil Science (Почвоведение), Eurasian Soil Science, 2023, Vol. 56, No. 10, pp. 1532–1543 (год публикации - 2023)
10.1134/S1064229323601488

14. Ермолаев О.П., Мухарамова С.С., Мальцев К.А., Медведева Р.А., Савельев А.А. Оценка скорости почвенной и овражной эрозии в зонах интенсивного земледелия России XXXVII пленум Геоморфологической комиссии Российской академии наук: Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Иркутск, 5–10 сентября 2023 года). – Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2023, С.115-118 (год публикации - 2023)

15. Мальцев К.А., Чалов С.Р., Иванов М.А., Мальцева Т.С. Изменение стока наносов с территории водосбора Якутской агломерации в результате лесных пожаров XXXVII пленум Геоморфологической комиссии Российской академии наук: Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Иркутск, 5–10 сентября 2023 года). – Иркутск: Институт земной коры СО РАН, 2023, С.221-226 (год публикации - 2023)

16. Мальцев К. А. Анализ качества глобальной цифровой модели рельефа GMTED2010 для оценки эрозионного потенциала (на примере юга европейской территории России) Известия Русского Географического Общества, ИЗВЕСТИЯ РУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА 2022, том 154, № 5–6, с.112– 122 (год публикации - 2023)
10.31857/S0869607122050068

17. Медведевa Р. А., Ермолаев О. П. Геоинформационное картографирование овражной сети (на примере ландшафтов Саратовской области) Известия Русского Географического Общества, ИЗВЕСТИЯ РУССКОГО ГЕОГРАФИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА 2022, том 154, № 5–6, С. 3–21 (год публикации - 2023)
10.31857/S086960712205007X

18. Медведева Р.А., Ермолаев О.П. Современная овражная сеть на территории Оренбургской области Тридцать восьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Пермь, 2–6 октября 2023 г.) – Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2023, С. 164-166 (год публикации - 2023)

19. Ермолаев О.П., Шынбергенов Е.А., Мухарамова С.С. Геоинформационная система «Речные бассейны России» ИнтерКарто. ИнтерГИС. Геоинформационная поддержка устойчивого развития регионов в условиях кризиса: Материалы Междунар. конф. М.: Географический факультет МГУ, 2023, Т.29, Ч.1, С.546-556 (год публикации - 2023)
10.35595/2414-9179-2023-1-29-546-559

20. Янцитов Р.О. Применение геоинформационных технологий при оценке антропогенной нагрузки на водосбор реки Оби Сборник материалов участников XIX Большого географического фестиваля, посв. 220-летию со дня начала первой русской кругосветной экспедиции под руководством И.Ф. Крузенштерна и Ю.Ф. Лисянского (1803-1806 гг.) - Санкт-Петербург: Свое издательство, 2023, С.791-795 (год публикации - 2023)

21. Ермолаев О.П., Веденеева Е.А., Кулешова К.В. Оценка антропогенного фактора в водном стоке рек в лесостепной и степной зонах востока ЕТР Тридцать восьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Пермь, 2–6 октября 2023 г.) – Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2023, С.114-116 (год публикации - 2023)

22. Иванов М.А., Рядно В.А., Кузякова Н.С. Оценка динамики землепользования в бассейне р. Тобе-Чокрак по данным Landsat Тридцать восьмое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Пермь, 2–6 октября 2023 г.) – Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2023, С.120-122 (год публикации - 2023)

23. Гафуров А.М., Мухарамова С.С., Савельев А.А., Ермолаев О.П. Advancing Agricultural Crop Recognition: The Application of LSTM Networks and Spatial Generalization in Satellite Data Analysis Agriculture (Switzerland), Agriculture 2023, 13, 1672 (год публикации - 2023)
10.3390/agriculture13091672

24. Медведева Р.А., Ермолаев О.П. Динамика развития оврагов в лесостепных ландшафтах бассейна реки Оби Алтайского края Тридцать девятая Всероссийская с международным участием межвузовская научная конференция по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Чебоксары, 7–11 октября 2024 г.), С. 136-138 (год публикации - 2024)

25. Гафуров А.М., Ермолаев О.П. Геопортал «Эрозия почв Азиатской части России» Тридцать девятая Всероссийская с международным участием межвузовская научная конференция по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Чебоксары, 7–11 октября 2024 г.), С.85-87 (год публикации - 2024)

26. Иванов М.А. Оценка точности открытых глобальных моделей землепользования и земного покрова на территории России Тридцать девятая Всероссийская с международным участием межвузовская научная конференция по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Чебоксары, 7–11 октября 2024 г.), С. 113-116 (год публикации - 2024)

27. Медведева Р.А. Овражная эрозия на территории Оренбургской области Сборник статей по материалам XIV всероссийской конференции молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (год публикации - 2024)

28. Полякова А.Р. Геоинформационное картографирование и пространственный анализ хозяйственно-агрономического фактора почвенной эрозии в азиатской части России Сборник статей по материалам XIV всероссийской конференции молодых ученых вузов, объединяемых Межвузовским научно-координационным советом по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов (год публикации - 2024)

29. Полякова А.Р., Мухарамова С.С., Ермолаев О.П. Пространственно-временной анализ предвесенних запасов воды в снеге как фактора талого смыва почв в азиатской части России Тридцать девятая Всероссийская с международным участием межвузовская научная конференция по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов: доклады и сообщения (г. Чебоксары, 7–11 октября 2024 г.), С. 144-146 (год публикации - 2024)

30. Ермолаев О. П., Мухарамова С. С., Мальцев К. А., Полякова А. Р., Савельев А. А. Факторы эрозии почв в макрорегионе европейской части России: моделирование, геоинформационное картографирование и пространственный анализ Eurasian Soil Science (Почвоведение) (год публикации - 2025)

31. Жидкин А. П., Рухович Д. И, Мальцев К. А., Королева П. В. Variation of Soil Erosion Estimates Based on Different Maps of Cropland in Belgorod Oblast, Russia Eurasian Soil Science (Почвоведение), Vol. 57, No. 4, April 2024, pp. 666–676 (год публикации - 2024)
10.1134/S1064229323603293

32. Мальцев К. А., Аввакумова А.О., Гайнутдинова Г.Ф., Иванов М.А., Петрова Е.В. Assessment of soil erosion from rainwater runoff within a small non arable catchment E3S Web of Conferences, E3S Web of Conferences, Vol. 539, 01034 (2024) (год публикации - 2024)
10.1051/e3sconf/202453901034

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработана и реализована методика оценки интенсивности эрозии почвы для территории исследования с использованием полученных современных оценок эрозионного потенциала осадков, факторов растительности, смываемости почв, эрозионного потенциала рельефа, запасов воды в снеге. Научным результатом являются впервые полученные с использованием разработанной методики современные (на период 2015-2021 гг.) оценки пространственного распределения на территории исследования интенсивности ливневого, талого и годового (суммарного) смыва почвы (т/га в год) с высокой пространственной детальностью (100 м), отражающие в масштабе исследования основные пространственные закономерности этих процессов. Результаты представлены на растровых слоях в составе ГИС проекта. Созданы соответствующие картографические отображения. Выполнена оценка пространственно-временных изменений в климатической системе макрорегиона (АЧР южнее 60-й параллели) на базе анализа изменений характеристик атмосферных осадков за последние десятилетия. Впервые это сделано для осадков, носящих ливневой характер (эрозионного потенциала осадков – R-фактора). - Анализ изменчивости характеристик дождевых осадков во времени и пространстве выявил наличие слабого, но статистически значимого тренда на увеличение годового количества дождевых осадков в анализируемый временной период 1966-2021 гг. во всех климатических зонах исследуемой территории, кроме континентальной восточносибирской. Для годового R-фактора статистически значимое увеличение показано в четырех климатических зонах: резко континентальная восточносибирская, муссонная дальневосточная, приокеаническая и тихоокеанская. Для годовой суммы дождевых осадков изменения за счет тренда составляют единицы процентов, для R-фактора - около одного процента. Построены карты, отражающие пространственное распределение величин и направленности произошедших изменений, их статистическую значимость. - По результатам полученных модельных оценок эрозионного потенциала дождевых осадков показано, что климатические изменения за последние 56 лет на территории исследования выражаются не только в тренде на увеличении количества выпадающих дождевых осадков, но и в изменении их структуры в контексте энергетических свойств дождей. - Для каждого года с 1979 по 2024 год в пикселях растров, покрывающих территорию исследования, получены оценки максимальных запасов воды в снеге к началу весеннего снеготаяния, отражающие пространственно-временную динамику этого показателя (на основе данных из двух открытых источников - GlobSnow и CGLS SWE, получаемых по спутниковым данным). - По результатам исследования выявлена статистически значимая тенденция к увеличению предвесенних запасов воды в снежном покрове за последние десятилетия на значительных участках территории азиатской части России. Полученная пространственно-временная (межгодовая) оценка динамики позволяет определить области, подверженные увеличению предвесенних запасов воды в снеге. Построены карты, отражающие пространственное распределение величин и направленности произошедших изменений, их статистическую значимость. Изменения менее выражены в западносибирских континентальных климатических зонах (северной и центральной, южной) и тихоокеанской зоне. Создана специализированная геоинформационная система «Эрозия почв Азиатской части России» с наполнением тематической природно-антропогенной геоинформацией, полученной по результатам работ по проекту. В текущем году в ее состав дополнительно интегрированы следующие картографические слои: - растры статистик критерия Манна-Кендалла для характеристик дождевых осадков, - оценки характеристик дождевых осадков, среднемноголетние за два периода (1966-1995 гг. и 1996-2021 гг.) и их относительное изменение, - запасы воды в снеге по данным GlobSnow - ежедневные (с января по май) за 1979-2018 гг., - запасы воды в снеге по данным CGLS SWE - ежедневные (с января по май) за 2006-2024 гг., - максимальные предвесенние запасы воды в снеге – ежегодные для 1979-2024 гг., - растры статистик регрессионного анализа временных рядов максимальных предвесенних запасов воды в снеге, - фактор растительности (С-фактор) в период снеготаяния, - максимальные предвесенние запасы воды в снеге, среднемноголетние (2015-2021 гг.), - слой поверхностного склонового стока в период снеготаяния, - интенсивность ливневого смыва почв, среднемноголетняя (2015-2021 гг.), - интенсивность талого смыва почв, среднемноголетняя (2015-2021 гг.), - интенсивность годовой эрозии почв, среднемноголетняя (2015-2021 гг.). Создан комплект тематических электронных карт по эрозии почв в речных бассейнах умеренного пояса азиатской части России: 1. Карта эрозионного потенциала дождевых осадков (R-фактор) в бассейнах 2. Карта эрозионного потенциала рельефа (LS-фактор) в бассейнах 3. Карта эрозионного потенциала рельефа (LS-фактор) на пахотных землях в бассейнах 4. Карта фактора растительности (С-фактор) в бассейнах 5. Карта фактора растительности (С-фактор) на пахотных землях в бассейнах 6. Карта эродируемости (смываемости) почв (K-фактор) в бассейнах 7. Карта эродируемости (смываемости) почв (K-фактор) на пахотных землях в бассейнах 8. Карта максимальных предвесенних запасов воды в снеге 9. Карта интенсивности ливневого смыва почв в бассейнах 10. Карта интенсивности ливневого смыва почв с пахотных земель в бассейнах 11. Карта интенсивности талого смыва почв в бассейнах 12. Карта интенсивности талого смыва почв с пахотных земель в бассейнах 13. Карта интенсивности годовой эрозии почв в бассейнах 14. Карта интенсивности годовой эрозии почв с пахотных земель в бассейнах В сети Интернет на разработанном геопортале «Эрозия почв Азиатской части России» (https://bassapr.kpfu.ru/) опубликована новая геоинформация, полученная по результатам проведенных исследований. Базовый слой «Бассейны», включающий более 100 тысяч объектов (границ бассейнов малых рек) с информацией о характеристиках климата и рельефа бассейнов, дополнен показателями о факторах эрозии почв в бассейнах и оценками интенсивности смыва почвы на склонах бассейнов. На геопортале размещены новые тематические карты (кэшированные растровые слои). К геопорталу предоставлен открытый доступ. Результаты исследований в текущем году отражены в 9-ти публикациях. Из них 1 статья опубликована в издании, индексируемом в Scopus, 2 статьи - в издании (российском), индексируемом в WoS Core Collection и Scopus и входящем в Q2. То есть, с учетом «квартильности» журналов согласно правилам РНФ можно считать, что опубликовано 5 статей в изданиях, индексируемых в WoS Core Collection и/или Scopus.

Публикации