Карта антропогенной нарушенности почв России

Полный текст

Важная роль почв в функционировании биосферы и в хозяйственной деятельности человека предопределила появление почвоведения как науки. Функции и сервисы почв многочисленны и достаточно хорошо изучены [1]. Их эффективность и выраженность предопределяется свойствами почв, они, в свою очередь, формируются под влиянием факторов почвообразования, одним из которых является хозяйственная деятельность человека [2, 3].

Человек использует почвы в хозяйственной деятельности (в сельском хозяйстве, в строительстве) с учетом их свойств. Так, например, в распашку вовлекаются лишь почвы, обладающие достаточно высоким уровнем естественного плодородия. Но использование почв человеком в подавляющем большинстве случаев приводит к изменению свойств почв, что меняет их качество и часто приводит к их деградации. По данным GLASOD [4], в мире около 15% почв в той или иной степени деградировано в результате направленного антропогенного воздействия. Деградация почв ведет к утрате почвами их важных функций и сервисов, что, с одной стороны, дестабилизирует биосферу, а с другой делает менее эффективным и более затратным землепользование. Все это предопределяет необходимость оперативной инвентаризации антропогенно измененных почв и мониторинга их состояния.

Самым мягким вариантом направленного изменения почв человеком является их распашка, а самым сильным – полное уничтожение почвы как природного тела. Инвентаризация и мониторинг пахотных почв достаточно хорошо налажены во многих странах мира, в том числе и в России [5, 6]. Но этого нельзя сказать про почвы, полностью уничтоженные в результате хозяйственной деятельности человека. Традиционно они не отражались на крупномасштабных почвенных картах [7, 8]. Лишь в последние годы появились почвенные карты отдельных регионов или полей, на которых показаны антропогенно нарушенные почвы [9–12].

Результатом наших исследований стало создание новой цифровой карты почв России, полностью уничтоженных в результате хозяйственной деятельности человека.

В качестве основной информации для компиляции карты использовались данные интернет-ресурса OpenStreetMap (https://www.openstreetmap.org/#map=3/60.06/102.48). Это некоммерческий веб-картографический проект. В его рамках создаются и постоянно обновляются карты объектов, обычно показываемых на традиционных топографических картах. Для создания карт используются данные с персональных GPS-трекеров, результаты аэро- и космической съемки, панорамы улиц, архивы которых собраны на всю территорию мира некоторыми компаниями (Maxar, Bing, ESRI, Mapbox и др.), а также персональные знания человека, который вносит информацию в эту базу данных. По сути, это база пространственных данных, созданная в рамках краудсорсинговых технологий, которая постоянно пополняется и уточняется.

Было проведено достаточно большое количество исследований качества этой базы данных в разных частях мира, которые показали, что качество базы данных зависит от типа картографируемого объекта и региона, в котором он расположен [13–15]. Согласно этим данным, ошибка позиционирования представленных данных для строений и дорог не превышает 15–20%, а число пропусков или ложных объектов не превышает 10–15%. Общей закономерностью является то, что более населенные регионы характеризуются более высокой точностью. Кроме того, более крупные объекты выделяются с большей точностью (например, точность выделения дорог с асфальтовым покрытием гораздо выше, чем грунтовых дорог).

Для произведения расчетов и визуализации полученных результатов использован программный пакет QGIS3.28.11 “Firenze”. Данные о нарушенных участках извлекались c сервиса OpenStreetMap (https://download.geofabrik.de/). Почвенные выделы получены из пакета файлов почвенной карты РФ масштаба 1 : 2 500 000 (https://egrpr.esoil.ru/content/1DB.html).

Анализ данных OSM производился для слоев: gis_osm_landuse_a_free_1 (участки с различными типами землепользования), gis_osm_buildings_a_free_1 (здания и постройки), gis_osm_roads_free_1 (автомобильные дороги) и gis_osm_railways_free_1 (железнодорожные пути).

В слое gis_osm_landuse_a_free_1 расчет производился для всех атрибутов, которые в поле “fclass” имели значение “quarry” (свалки, мусорные полигоны, выработки, образованные при добыче полезных ископаемых).

В слое gis_osm_buildings_a_free_1 расчет производился для всех атрибутов без исключения.

В слое gis_osm_roads_free_1 расчет производился для атрибутов, которые в поле “fclass” имели значение “motorway” или “motorway_link”, или “trunk”, или “trunk_link”, или “primary”, или “primary_link”, или “secondary”, или “secondary_link”, или “tertiary”, или “tertiary_link”, или “unclassified”, или “residential”, или “busway”, или “service”.

В слое gis_osm_railways_free_1 расчет производился для атрибутов, которые в поле “fclass” имели значение “rail”.

Для каждого полигонального атрибута была рассчитана его площадь в границах почвенного выдела, для линейного – сперва рассчитана длина отрезка в границах почвенного выдела, далее умножена на ширину в зависимости от класса дороги (ранжирование по полю “fclass”). Далее указана принятая ширина для дорог различного типа в слое gis_osm_roads_free_1: “motorway”, “motorway_link” – 30 м, “trunk”, “trunk_link” – 20 м, “primary”, “primary_link” – 20 м, “secondary”, “secondary_link” – 10 м, “tertiary”, “tertiary_link” – 10 м, “unclassified” – 5 м, “residential” – 5 м, “busway” – 5 м, “service” – 5 м; в слое gis_osm_railways_free_1 – rail – 20 м. Считалось, что почвенный покров полностью нарушен в результате строительства этих объектов в пределах указанных для них буферных зон.

Полученные площади отдельных объектов суммировались в границах каждого почвенного выдела, результатом деления суммы площадей атрибутов на площадь почвенного выдела, являлось получение доли нарушенных почв в границах каждого почвенного выдела. Доля была рассчитана в процентах и в гектарах.

Для крупных площадных объектов (карьерные выработки, отвалы, обширные заасфальтированные участки в промышленных зонах), не отраженных в данных OSM, производилось ручное дешифрирование по актуальным космическим снимкам, которые были получены с использованием сервиса GoogleEarth^TM.

Площади уничтоженных почв под дорогами, карьерами и строениями вычислялась с учетом указанных буферных зон (см. выше) в QGIS и после этого агрегировалась на почвенно-картографические выделы Единого государственного реестра почвенных ресурсов России (исходный масштаб 1 : 2 500 000) (ЕГРПР) [16].

Карта создана с использованием QGIS и затем конвертирована в формат шейп-файла. Она может быть легко импортирована в другие географические информационные системы. В качестве атрибутов карта содержит информацию о площади почв в России, уничтоженных направленным антропогенным воздействием.

На рис. 1 показаны территории с уничтоженными почвами в России. В табл. 1 приведен перечень почв, которые в наибольшей степени подверглись уничтожению в результате прямого антропогенного воздействия.

 

Рис. 1. Распространенность почв России, нарушенных в результате направленного антропогенного воздействия (процент от площади контура ЕГРПР).

 

Таблица 1. Площади почв России, уничтоженных в результате направленного антропогенного воздействия (почвы ранжированы по площади и доле)

Наименование почв в терминах ЕГРПР	Доля уничтоженных почв от всей площади почв в стране (%)	Наименование почвы в терминах ЕГРПР	Площадь уничтоженных почв (км2)
Пойменные слитые	8.15	Дерново-подзолистые преимущественно мелко- и неглубокоподзолистые	2131.28
Лугово-черноземные карбонатные	6.98	Черноземы выщелоченные	1718.86
Лугово-коричневые	5.46	Серые лесные	1353.97
Пойменные карбонатные	3.09	Пойменные кислые	1273.89
Темно-каштановые солонцеватые и солончаковатые и солонцы (автоморфные)	2.77	Пойменные слабокислые и нейтральные	1239.37
Подзолисто-желтоземные	2.58	Дерново-подзолистые преимущественно неглубокоподзолистые	1235.97
Черноземы выщелоченные мицелярно-карбонатные (черноземы глубокие выщелоченные)	1.65	Дерново-подзолистые иллювиально-железистые	1174.61
Буровато-темно-серые лесные (переходные к бурым лесным)	1.54	Подзолы иллювиально-железистые и иллювиально-гумусовые без разде- ления (подзолы иллювиально-мало- и многогумусовые)	969.93
Иловато-болотные	1.52	Черноземы обыкновенные	901.68
Серопески	1.33	Темно-серые лесные	781.58
Черноземы типичные мицелярно-карбонат- ные (черноземы глубокие слабовыще- лоченные)	1.23	Черноземы южные и обыкновенные мицелярно-карбонатные (черноземы глубокие карбонатные)	756.88
Луговые дифференцированные (в том числе осолоделые)	1.20	Черноземы оподзоленные	674.39
Дерново-палево-подзолистые и подзолисто-буроземные	1.07	Дерново-карбонатные (включая выщелоченные и оподзоленные)	518.58
Серые лесные остаточно-карбонатные	1.06	Торфяные болотные верховые	497.11
Черноземы слитые	1.06	Черноземы типичные	491.25
Коричневые типичные	1.05	Черноземы южные	483.74
Лугово-черноземные выщелоченные	1.02	Торфяно- и торфянисто-подзолисто-глеевые	477.73
Черноземы языковатые и карманистые выщелоченные	0.94	Буро-таежные (буроземы грубогумусовые)	443.75
Пойменные слабокислые и нейтральные	0.93	Подзолы глеевые торфянистые и торфяные, преимущественно иллювиально- гумусовые	440.89
Дерново-подзолистые со вторым осветленным горизонтом	0.88	Подзолы иллювиально-железистые (подзолы иллювиально-малогумусовые)	440.83
Черноземы южные и обыкновенные мицелярно-карбонатные (черноземы глубокие карбонатные)	0.87	Черноземы языковатые и карманистые выщелоченные	424.86

 

Карта по уровню специальной нагрузки соответствует традиционным почвенным картам масштаба 1:2 500 000 и содержит информацию по состоянию на 2010–2020 годы.

В большинстве случаев почвы в России уничтожены в результате строительства автодорог и поселений. Гораздо меньшие площади почв уничтожены при добыче полезных ископаемых и функционировании промышленных предприятий. Общая площадь, на которой почвы были уничтожены человеком, составляет около 31 864 км², что составляет около 0.2% от всей территории страны. Больше всего почв было уничтожено в г. Санкт-Петербурге (17.08% от площади субъекта), г. Москве (16.69%), Московской (2.61%), Калининградской (1.21%) и Кемеровской (1.11%) областях страны. Наименее изменен человеком почвенный покров республики Якутия (0.03%), Ямало-Ненецкого АО (0.03%), Камчатского края (0.02%), Тюменской области (0.01%) и Ненецкого АО (0.01%).

В табл. 1 приведены данные о том, каких почв страны было уничтожено больше всего. Из данных таблицы следует, что в наибольшей степени в России были уничтожены дерново-подзолистые преимущественно мелко- и неглубокоподзолистые почвы. В несколько меньшей степени – черноземы выщелоченные, серые лесные и пойменные кислые почвы.

По нашим самым грубым оценкам уничтожение таких площадей почв в России потенциально эквивалентны потерям около 500–600 тонн зерна в год. Кроме того, уничтожение почв ведет к ухудшению экологической обстановки. Суммарный запас углерода в почвах страны уменьшился приблизительно на 40–50 тыс. тонн. Изменяется также и энергетический баланс земной поверхности. Подобная смена гумусированных поверхностных горизонтов почв на строения, асфальт и безгумусный грунт потенциально должно приводить к повышению отражения солнечной энергии на территории страны приблизительно на 0.1%. Эти процессы также могли оказать влияние на повышение парниковых газов в атмосфере и на наблюдаемые изменения климата.

Полученные данные уточняют существующую информацию о состоянии почвенных ресурсов страны и могут использоваться для уточнения моделей функционирования биосферы и атмосферы Земли.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ

Исследования выполнены при поддержке гранта Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2022-321).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

И. Ю. Савин

Федеральный исследовательский центр “Почвенный институт им. В. В. Докучаева”; Институт экологии, Российский Университет Дружбы Народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: savin_iyu@esoil.ru

академик РАН

Россия, Москва; Москва

К. С. Орлова

Федеральный исследовательский центр “Почвенный институт им. В. В. Докучаева”

Email: savin_iyu@esoil.ru
Россия, Москва

С. А. Аветян

Федеральный исследовательский центр “Почвенный институт им. В. В. Докучаева”; Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова

Email: savin_iyu@esoil.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

Дополнительные файлы