4.10. Свойства почв и их отражение на снимках

Почва, состоящая из ряда горизонтов, является трехмерным объектом, так же как горные породы. Однако, в отличие от рельефа и растительности, на снимках распознаются особенности только ее поверхности. Используя связи поверхностного горизонта с профилем почвы, можно проводить своего рода индикацию и судить о строении почвы в целом, ее происхождении и развитии.

Признаки дешифрирования почв закономерно меняются при движении с севера на юг. На заболоченных и залесенных территориях тундры, тайги и лиственных лесов почвы не распознаются. Их индикаторами являются рельеф и растительность, а в более широком плане структура и рисунки природно-территориальных комплексов. В зонах лесостепи, степи и пустынь почвы в разной степени обнажены и дешифрируются по прямым признакам. Здесь они могут играть роль индикаторов, меняя свои свойства в зависимости от малозаметных неровностей поверхности, изменений свойств грунтов, условий увлажнения и засоления.

В процессе совершенствования космических методов технология дистанционного изучения почв менялась. Методы обработки материалов съемки позволяли получать все более обширную информацию о свойствах почв, а полевые и лабораторные исследования сокращались в объемах. Обзорность космической информации повышает ее роль в почвенном картографировании, а более точная диагностика свойств и динамики расширяет круг решаемых задач в целях сельского хозяйства, мелиорации и охраны природы.

Разные по типу космические снимки возможно использовать для решения ряда задач изучения и картографирования почв. По фотографическим изображениям решаются долговременные задачи (сезонные и многолетние изменения), требующие высокой детальности дешифрирования на сравнительно небольших площадях. Сканерные снимки – оперативная информация с охватом территорий до 2 ̶ 3 тыс. км. Она требует трансформирования, вследствие геометрических и радиометрических искажений. Информация важна для гидрометеорологических прогнозов. В результате оптико-электронного сканирования получаются ПЗС-снимки с высоким разрешением и оперативностью, однако имеющие ограниченный охват – до 40 ̶ 70 км. Тепловые инфракрасные снимки при увеличении охвата снижают разрешение с 60 м до 1,0 км. Их точность при измерении температуры 0,1 ̶ 0,2°С. Снимки микроволнового радиодиапазона (3 ̶ 23 см) отражают различия влажности и солености почв и водозапас снежного покрова. Но они имеют очень низкое разрешение (6 ̶ 50 км). Радиолокационные снимки перспективны при изучении шероховатости поверхности, влажности почв, структуры и состава пород, особенностей растительного покрова. Их разрешение равно 20 ̶ 30 м, а охват порядка 100 км. Совершенствование техники космических съемок непрерывно расширяет их возможное использование для изучения природных ресурсов, в том числе земельных.

Коэффициенты спектральной яркости почв закономерно возрастают по мере увеличения длины волны видимого спектра. Изменения на фоне этой закономерности могут быть связаны с содержанием гумуса, светло окрашенных соединений (кремния и алюминия), карбонатов, железа, а также с влажностью и механическим составом. Наиболее изменчивым показателем является влажность, способная менять альбедо почв в 2 ̶ 3 раза. Совместное влияние зоны спектра и гумусности приводит к тому, что кривые спектральной яркости сильно расходятся с увеличением длины волн (табл.4.1). С этим связана наибольшая информативность космических изображений, полученных в красном и инфракрасном диапазонах.

Для горных пород и почв коэффициенты спектральной яркости возрастают с увеличением длины волн. Это зависит от минералов горных пород и содержания соединений железа и гумуса в почвах. Присутствие хлорофилла в растениях определяет изменения их оптических свойств. Поглощение лучей хлорофиллом в красной зоне снижает отражательную способность, а отражение в зеленой зоне эту способность увеличивает. Длинноволновое излучение сильнее поглощается водой. Поэтому в красной зоне спектра водные поверхности на снимках выглядят как почти черные.

Детальность космических изображений определяется не только величинами метрического разрешения, но и предельно малыми размерами объектов. С этим связано понятие географического разрешения. Обосновать это понятие удобно с использованием таких физиономичных объектов как эрозионные формы рельефа, населенные пункты, дороги. Для решения задач почвоведения целесообразно использовать поля сельхозугодий. На снимках низкого разрешения (1,0 км и более) поля не видны. При разрешении 200 ̶ 300 м поля образуют неясную сетчато-зернистую структуру. Для четкого отображения границ полей требуется разрешение 30 ̶ 100 м, а в расчлененных и залесенных районах 10 ̶ 30 м. Увеличение географического разрешения позволяет дифференцировать поля не только по размерам, но и по состоянию (эродированность, увлажнение, задернованность). Это имеет отношение и к состоянию почв.

При распознавании почв по тону важное значение имеет величина контраста между соседними почвенными контурами. Для глаза порог яркостного контраста равен примерно 2%. Исходя из этого целесообразно использовать более длинноволновые зоны спектра, которые имеют повышенную чувствительность и увеличивают яркостные контрасты. Наиболее чувствительные пленки позволяют увеличивать контраст на 20 ̶ 30% и различать десятки уровней серого тона.

Тон как прямой признак дешифрирования почв эффективен при покрытии растительностью до 15-20% и высоте растений не более 10 ̶ 20 см (всходы культур). Преимущества тона перед цветом заключаются в том, что съемки из космоса искажают естественную цветопередачу, в отличие от коэффициентов спектральной яркости. Подспутниковые наблюдения показывают, что яркость почв, регистрируемая из космоса, выше по сравнению с таковой в наземных условиях. Это связано с атмосферной дымкой, которая особенно влияет при съемке в сине-зеленой области спектра. Подобный недостаток устраним путем так называемой атмосферной коррекции или ввода поправочных коэффициентов. Слабое покрытие почв растительностью (до 20%) мало влияет на яркость почв. В интервале покрытия 20 ̶ 60% интегральная яркость снижается в красной зоне и возрастает в ближней инфракрасной. При большем покрытии яркость определяется растительностью.

Размер и формы почвенных контуров могут быть самыми различными. Зональные типы почв, такие как подзолистые, черноземные или каштановые, занимающие большие площади междуречий, имеют крупные контуры неопределенной формы. Глеевые и торфяно-болотные почвы, привязанные к понижениям с повышенным увлажнением, характерны изометричными небольшими контурами. Луговые почвы пойм и днищ балок имеют вытянутые извилистые формы. Округлые формы отличают почвы соров и солончаков, а правильные изометричные – почвы сельхозугодий.

Текстура или рисунки почвенного покрова, так же как и у других компонентов природной среды, наиболее устойчивые и надежные признаки дешифрирования. Они позволяют оценивать связи почв с рельефом и растительностью, решать вопросы происхождения и эволюции почв. Разнообразные рисунки объединяются в четыре основные класса:

- пятнистые или монолитные автоморфных почв междуречий;

- ложбинно-древовидные или ажурно-изрезанные эродированных и дефлированных почв склонов и пустынно-степных районов;

- меандровые, старичные или сегментные пойм и террас;

- фрагментарные или прерывистые почв горных областей.

Говоря о рисунках почвенного покрова, следует заметить, что они практически везде подчинены рисункам рельефа и не являются собственно почвенными. Особенно это касается таких типов рисунков как дельтовый, грядовый, хребтовый, пойменный. Только на плоских поверхностях, где роль морфологии поверхности снижается, рисунки почв могут зависеть от влажности или эродированности и рассматриваться как относительно самостоятельные.

Косвенные признаки дешифрирования почв или индикаторы (рельеф, растительность, почвообразующие породы, деятельность человека) имеют первостепенное значение на большей части территории страны. Их роль велика еще потому, что они являются факторами почвообразования и позволяют оценивать почвы как компонент природно-территориальных комплексов. Дешифрирование рельефа является основой для изучения типов почв и структуры почвенного покрова. Стереоскопические измерения дают полное представление о морфологии и морфометрии рельефа, особенно горного. На равнинах структура рельефа распознается по рисункам водотоков и характеру долин. Макрорельеф плоских равнин хорошо читается по структуре растительности, по очагам засоления или заболачивания. Во многих случаях по геоморфологической карте можно создать удовлетворительную карту почвенного покрова в пределах определенной ландшафтной зоны.

На территориях обнажения горных пород они представляют интерес как факторы почвообразования. Ведущую роль здесь играют четвертичные отложения, генетически связанные с рельефом. Наиболее определенно распознаются пролювиальные отложения конусов выноса, аллювий долин, ледниковые и эоловые комплексы осадков. Все они создают условия для образования и развития конкретных видов почв. Растительность в своем становлении тесно связана с почвами, но в то же время способствует их формированию. Как фактор почвообразования более важны первичные или коренные фитоценозы, а вторичные, тем более антропогенные, имеют меньшее значение.

Адаптивные типы земледелия формируются с учетом, в том числе, почвенного покрова. Поэтому хозяйственное использование территорий может служить дополнительным признаком дешифрирования почв. Наиболее тесная связь наблюдается не территориях очагового земледелия – в горах, полупустынях, среднетаежной зоне. Здесь освоению подлежат наиболее плодородные почвы, требующие для своего развития оптимальных для данного района условий.

В большинстве случаев индикация почв проводится путем сопряженного анализа факторов. Дешифрирование при этом превращается в ландшафтное и подтверждает известное изречение «Почва – зеркало ландшафта».

Рассмотрим роль дистанционного зондирования в изучении основных свойств почв. От этих свойств зависит значение почв как земельных ресурсов.

Гумусированность почв (содержание в процентах органической части почвы, показателя ее плодородия) максимальна в верхнем горизонте и определяет тон и цвет почв. Они меняются от почти черного у черноземов до почти белого у солончаков. Эксперименты показали, что изменения содержания гумуса в пределах 1 ̶ 6% влияют на отражательные свойства почв и фиксируются на снимках. Наиболее четкая зависимость наблюдается в дальней инфракрасной части спектра (0,68 ̶ 0,70 мкм). При большем содержании гумуса тон меняется мало, и его изменения маскируются другими факторами. Таким образом, распознавание по тону бедных почв лесостепной и сухостепной зон более эффективно, нежели богатых гумусом почв черноземной зоны. В целом, точность определения содержания гумуса в почвах при их хорошей обнаженности – около 1 ̶ 2%, причем точность снижается при переходе от бедных почв к богатым. Отражательные свойства почв зависят также от содержания органических кислот, в большей степени гуминовых и в меньшей ̶ фульвокислот (табл. 4.2).

Засоление почв отражается на снимках только в случае появления солевых налетов на поверхности. Это характерно для солончаков, но не для солонцов, которые имеют накопления солей на некоторой глубине. В сухом состоянии засоленные почвы светлее, а при увлажнении ̶ темнее незасоленных. Структура засоленных почв мелкопятнистая, ажурная, а контуры ̶ неопределенные с прерывистыми границами. К косвенным признакам засоления относятся разреженность и угнетение растительности в условиях недостатка влаги и, наоборот, густой покров солончаковых лугов на участках обильного увлажнения. Погодные условия сильно влияют на тон ареалов засоления, который может меняться в течение суток и даже часов. Ареалы солончаков и обнаженных песков, имеющих близкие светлые тона, различаются по рисункам и по контрастам отражения в разных зонах спектра.

Влажность почвы очень непостоянна во времени, зависит от сезонного состояния, погодных условий и даже суточных колебаний температур. Оценка этого показателя в практическом отношении важна прежде всего для сельского хозяйства, но в целом влияет на развитие растений, склоновые процессы и климат приземной части атмосферы. Молекулярная и пленочная прочносвязанная влага не влияют на отражательные способности почвы. В этом отношении важна гигроскопическая влага, которая влияет на цвет и физические свойства почв – ее мягкость и пластичность. В видимом, ближнем, и особенно в среднем инфракрасном, диапазонах с увеличением влажности наблюдается снижение спектральной яркости почв (рис. ). Однако это имеет место до определенного предела. Зависимости оптических свойств и влажности наиболее четкие при градациях 1 ̶ 5% для песчаных почв, 2 ̶ 12% для супесчаных и 4 ̶ 22% для суглинистых. Избыток гравитационной влаги в мокрых почвах может даже увеличивать процент излучения и осветлять почву. В то же время влияние механического состава почвы и строения подстилающих пород делает эти зависимости индивидуальными для каждого типа почв (табл. 4.3).

Перспективным является использование тепловой инфракрасной съемки. Регистрируемый сигнал зависит от температуры поверхности, которая в свою очередь определяется процессами испарения и транспирацией растениями. На этом основано разделение почв по влажности под посевами сельскохозяйственных культур. Точность корреляции больше у легких бедных почв и меньше у суглинистых с высоким содержанием органики. Оба вида съемки в радиодиапазоне (пассивный и активный) возможно использовать для оценки влажности. Радиоизлучение, зависящее от ряда условий (содержание солей, механический состав, шероховатость поверхности), в наибольшей степени определяется влажностью. При радиолокационной съемке величина отраженного радиосигнала характеризует влажность верхнего слоя почвы мощностью до 10 см. При сухих почвах использование длинноволнового радиолокатора позволяет определять влажность и даже горизонты подземных вод на значительных глубинах.

Таким образом, совместное использование разных видов дистанционной информации дает возможность решать многие задачи оценки состояния почв даже при наличии растительного покрова.

Эродированность подразумевает удаление верхнего, плодородного слоя почвы в результате плоскостного смыва и оврагообразования (водная эрозия) или выдувания (ветровая эрозия, дефляция). Распространение процессов эрозии и их активность зависит главным образом от поверхностного стока и ветрового режима, но также от свойств почв, рельефа, растительного покрова и использования земель. Удаление гумуса приводит к осветлению почвы, увеличению ее альбедо. Особенно заметным осветление бывает у почв песчаных с горизонтами засоления. Появляется возможность разделения почв по тону или цвету в процессе дешифрирования, которое затрудняется при наличии растительности. Контрасты смытости почв наибольшие при маломощных гумусовых горизонтах и могут практически исчезать у мощных черноземов. Можно различать равномерную смытость почв с одинаковым осветлением и неравномерную, когда структура изображения становится пятнистой, слабо полосчатой или струйчатой. Активный многолетний смыв почв на склонах приводит к образованию борозд и впоследствии оврагов, которые хорошо читаются на снимках по тону и формам в плане. Все результаты водной эрозии детально распознаются на весенних и осенних снимках, когда отсутствует маскирующая роль растительного покрова.

Песчаные почвы сухостепной и полупустынной зон подвержены ветровой эрозии. Пылевые бури могут моментально удалять из почв тысячи тонн гумуса и даже приводить к образованию микроформ эолового рельефа. Последствия дефляции особенно хорошо видны при изучении границ полей, которые теряют четкость и становятся ареалами со струйчатой или пятнистой структурой.

Помимо отмеченных выше задач, космические методы позволяют рассматривать вопросы оценки загрязнения почв нефтепродуктами, изменения почв городов и промышленных зон, процессы заболачивания и подтопления. Не остаются в стороне и такие проблемы как охрана земельных ресурсов и восстановление почвенного покрова.