3. Застосування спектрометрування в агроекології

Екологічна обстановка, що склалася під дією як природних (фоновий зміст, природні струми), так і антропогенних (забруднення промисловими підприємствами, транспортом, застосування органічних і мінеральних добрив, компостів, систем обробки) чинників обумовлює необхідність вивчення елементарного складу природних об'єктів.

В результаті господарської діяльність людини важкі метали, що вважаються найвірогіднішими і небезпечними забруднювачами навколишнього середовища, і інші токсичні речовини поступають в систему грунт-рослина з різних джерел.

Підвищений вміст в рослинах ряду важких металів здатний змінювати оптичні характеристики їх листя. Таким чином, досліджуючи спектри віддзеркалення листя рослин, можна визначити наявність в їх складі відповідних елементів, споживаних рослинами з ґрунту і, отже, виявити ділянки території, зараженої важкими металами.

Лабораторні досліди під керівництвом Кочубея С.М. по вивченню спектрів віддзеркалення і СКЯ листя озимої пшениці, кукурудзи, ячменю і лугових трав показали, що на кривих СКЯ змінюється положення максимуму, а, також, і форма спектральних кривих. Порівняння спектральних характеристик листя рослин, вирощених у присутності важких металів, показує, що ці дані містять необхідну інформацію для дистанційного визначення і діагностики зараженості сільськогосподарських угідь важкими металами на площах зростання цих культур.

Одним з важливих показників стану сільськогосподарських посівів є вміст в них нітратів. Негативні наслідки порушень циклу азоту, викликані господарською діяльністю людини, включають забруднення нітратами рослин, ґрунтів, підземних і поверхневих вод і продуктів харчування. Зарубіжні автори зафіксували зміни СКЯ для трьох фенофаз ячменю при різному ступені удобреності азотом в перебігу трьох польових сезонів. Виявилося, що починаючи з фазою кущення на ділянках з різним азотним добривом СКЯ ячменю достовірно розрізняються між собою. У фазах дозрівання ці відмінності зменшуються.

В Японії вимірювалися СКЯ посівів рису і на підставі досліджень зроблений висновок, що вимірювання СКЯ на посівах рису може бути ефективним методом визначення змісту азоту в рослинах.

Відбивна здатність ґрунтів була використана для діагностики і оцінки рівня нафтового забруднення. Як об'єкт дослідження були вибрані сіро-бурі ґрунти (супіщані, легко- і середньосуглинисті), відібрані в районах нафтопромислів р. Баку. З'ясовано, що залежно від рівня забруднення ґрунтів нафтою і нафтопродуктами змінюється характер кривої спектрального віддзеркалення в порівнянні з фоновими ґрунтами, причому у міру збільшення ступеня забруднення знижується відбивна здатність. При сильному забрудненні криві спектрального віддзеркалення стають майже горизонтальними у всьому діапазоні довжин хвиль.

Негативний вплив ерозійних процесів на родючість ґрунтів загальновідомо, тому своєчасне їх визначення і усунення є насущною проблемою.

Андронников В.Л. запропонував фотометричний метод дешифрування змитих ґрунтів шляхом визначення їх спектральної відбивної здатності. Було встановлено, що досліджені ґрунти (світло-сірі лісові сильноопідзолені змиті і сірі лісові з ознаками намивання) володіють різною відбивною здатністю.

Аналіз різночасно - багатоспектральних знімків сканерів і космічних високого дозволу території Калачськой піднесеності показав, що для мети обліку грунтово - ерозійного розчленовування земель самими інформативними були ранньовесняні знімки інфрачервоної (800-1100 нм) зони спектру. Їх інформативність в порівнянні із знімками видимої зони (600-700 нм) літнього сезону зйомки була в 8 разів вище, а інфрачервоної - в 4 рази.

Як показує досвід, надійний контроль за процесами водної і вітрової ерозії може бути здійснений по різночасних знімках, знятих для однієї і тієї ж території з розривом в декілька років.

Американські дослідники виконали лабораторні вимірювання СКЯ зразків ґрунтів з різних районів штату Індіана (США) з метою проаналізувати можливість розпізнавання ступеня зниження продуктивності земель під впливом ерозії. Зразки типових ґрунтів були узяті з ділянок полів, різною мірою схильних водній ерозії. Упевненіше за все еродованість ґрунтів розпізнавалася за даними СКЯ поблизу 800 нм і виявлялася в згладжуванні (вирівнюванні) кривої СКЯ. "Сплощення кривої" СКЯ особливо добре помітно у разі сильної ерозії.

Аналіз даних отриманих при дослідженні основних зональних ґрунтів (дерново-підзолистих, сірих-лісових, темно-сірих опідзолених і чорноземів звичайних) в Лісостеповій зоні і зоні Полісся показав, що найбільший вплив на оптичні властивості ґрунтів, надає ступінь їх еродованості, яка у свою чергу залежить від рельєфу місцевості. Встановлено, що якнайменші показники суми координат кольоровості мають намиті ґрунти, які сформувалися в результаті ерозійних процесів в замкнутих низинах, або ж в місцях акумуляції мілкозема.

На сильно еродованих ґрунтах, які як правило розташовані в нижніх частинах схилів, де вже гола материнська порода, що має незначні ознаки гумусованості, були отримані найбільші значення суми координат кольоровості. Зі сказаного вище можна зробити висновок про те, що спектральний коефіцієнт яскравості значною мірою залежить від ступеня еродованості обстежуваних ґрунтів і їх розташування на місцевості (верх, середина або низ схилу) .

Проаналізована методика дешифрування ерозії ґрунтів за матеріалами багатозональної зйомки в спектральних діапазонах 500, 530, 550, 620, 700 і 800 нм, розроблена Стегліком. Після вимірювання оптичних характеристик виявилося, що вони значно відрізняються у еродованих і повнопрофільних ґрунтів.

Особливістю прояву ерозійних процесів є вихід на поверхню більш глибоких горизонтів ґрунту, дифузії орного і підорного шарів, а також зменшення біомаси рослинності на ерозійних ділянках. В цьому випадку характер кривої спектрального віддзеркалення міняється. Для більшості типів ґрунтів з нормально розвинутим генетичним профілем ці зміни впливають перш за все на інтенсивність спектрального віддзеркалення, коли крива практично не змінюється формою, але всі величини СКЯ пропорційно зростають на всіх довжинах хвиль. В ґрунтах з різко диференційованим генетичним профілем, або якщо ерозією захоплені дуже великі товщі ґрунту, змінам величин інтегрального віддзеркалення супроводять зміни тональності забарвлення і непропорційне зростання величин СКЯ.

Крім ерозії ґрунтів одним з найінтенсивніших і широко поширених негативних процесів на посушливих територіях є опустинювання земель.

До самого останнім часом проблемі опустинювання посушливих земель у нас надавалося недостатньо уваги. Дослідження по цій проблемі носили поверхневий і епізодичний характер.

Тим часом на міжнародному рівні опустинювання земель давно рахують одну з найважливіших задач, що стоять перед людством.

Використовування дистанційних методів дозволяє швидко і ефективно оцінювати стан опустинювання обширних територій. Аеро- і космічні знімки надійні матеріали для проведення оцінки, картографування і моніторингу опустинювання земель.

Зміна природних умов в процесі опустинювання приводить до деградації екосистем, виникненню екологічних аномалій, які індукуються відповідними спектральними аномаліями і можуть бути зареєстрований за допомогою дистанційних приймачів.

Матеріали повторних дистанційних зйомок містять інформацію про динаміку і стадії розвитку процесу опустинювання, тенденції і темпи змін, що відбуваються, в стані земельних угідь.

З вищевикладеного видно, що дистанційні методи зондування природних ресурсів мають ряд істотних переваг перед традиційними, а саме: більш високий ступінь інформативності, можливість проведення кількісної і якісної оцінки стану агроландшафтів з необхідною періодичністю, отримання оперативної інформації, обробці, що легко піддається, і дозволяючої своєчасно видавати рекомендації по застосуванню регулюючих заходів, а сумісний аналіз різночасних даних дозволяє виявити динаміку стану земельних угідь, визначити напрям і швидкість негативних процесів.

На сьогоднішній день для створення систем оперативної інформації про стан земельних ресурсів в Україні є всі умови, які базуються на існуючих системах наземних і аерокосмічних спостережень і методах дистанційного зондування.

Найбільш інформативним для сільського господарства методом дистанційного зондування є спектрометрування, оскільки спектральна відбивна здатність є однією з основних ознак, по якому ґрунти і рослинність можна вивчати дистанційно.

Спектрометричним методом дистанційного зондування можна успішно визначати кількість гумусу в ґрунті, розпізнавати і оцінювати рослинний покрив, оцінювати ступінь засміченості сільськогосподарських культур і їх ураженість різними патогенами, визначати зараженість рослин важкими металами і нітратами, а так само ступінь забруднення ґрунтів нафтою і нафтопродуктами, розпізнавати і контролювати ерозійні процеси, контролювати опустинювання земель.

Проте, хоча, в даний час спектральна відбивна здатність ґрунтів вивчена достатньо добре, існування великої кількості приладів і методик проведення досліджень, найімовірніше пояснює чому СКЯ і СЬКО ґрунтів, отримані різними дослідниками коливаються в широких межах, а іноді, просто суперечливі. Необхідне приведення різних методик і приладів до єдиної системи, що дозволяє уніфікувати дані отримані в лабораторних або натурних (наземних, з борту літака або з космосу) умовах. Крім того, недостатньо точно вивчений вплив чинників, що змінюють спектральні характеристики сільськогосподарських угідь і не проведена порівняльна оцінка їх впливу. Тому це питання через свою виняткову важливість вимагає подальших досліджень.

Підвищене антропогенне навантаження на ґрунт приводить до прискорення зміни її головних складаючих частин, як в кількісному, так і в якісному відношенні, що сприяє деградації і дегуміфікації ґрунтів, зменшенню їх родючості. Таке положення, а також перехід до нових форм власності на землю викликає необхідність оцінки її в стислі терміни.

В основі якісної оцінки ґрунтів повинен бути використаний кількісний підхід, що дозволяє розрізняти ґрунти не по назві, а по формалізованих показниках, що дає можливість повністю виключити вплив суб'єктивних чинників. Це дозволить порівнювати ґрунти по їх потенційній родючості і розробити методи управління ефективною родючістю.

Вимірювання оптичних характеристик ґрунтів дає можливість кількісної, а не суб'єктивної, оцінки такого показника як кольоровість на яку впливають такі параметри як зміст органічної речовини, оксидів Fe і Мn, вогкість, гранулометричний склад, структура, складання.

Не дослідженим донині питанням є вплив на родючість характеру використовування земельних ресурсів залежно від культури землеробства і форм господарювання. Його вивчення дозволить порівняти різні (колективні, фермерські або приватні) господарства і дати необхідні рекомендації у випадку якщо виявиться погіршення физико-хімічних показників ґрунту.