Распознавание уровня засоленности почв

Распознавание уровня засоленности почв: методы, технологии и практическое применение

Засоленность почв представляет собой процесс накопления в почвенном профиле легкорастворимых солей, таких как хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, кальция, магния. Критический уровень их концентрации негативно влияет на физико-химические свойства грунта, угнетает рост большинства культурных растений и в конечном итоге приводит к деградации земель и потере сельскохозяйственной продуктивности. Распознавание и мониторинг уровня засоленности являются критически важными задачами для устойчивого землепользования, особенно в аридных и полуаридных регионах, а также на орошаемых территориях.

Классификация засоленных почв

Засоленные почвы классифицируются по нескольким ключевым параметрам: типу солей, степени засоления, глубине залегания солевого горизонта и происхождению засоления. Основные типы засоления: хлоридное, сульфатное, содовое (карбонатное) и смешанное. Наиболее токсичным для растений считается хлоридное и содовое засоление.

Степень засоления обычно определяется по величине электропроводности насыщенной почвенной вытяжки (ECe, измеряется в дСм/м) или по содержанию токсичных ионов, таких как натрий (обменный натрий, ESP). Общепринятая классификация по степени засоления представлена в таблице.

Классификация почв по степени засоления (на основе ECe)

Категория	Электропроводность ECe, дСм/м	Влияние на растения
Незасоленные	< 2	Засоление отсутствует, негативного влияния нет.
Слабо засоленные	2 – 4	Снижение урожайности чувствительных культур (фасоль, плодовые).
Умеренно засоленные	4 – 8	Снижение урожайности многих культур, рост только умеренно солеустойчивых (ячмень, пшеница, люцерна).
Сильно засоленные	8 – 16	Выращивание возможно только для высокосолеустойчивых культур (свекла, хлопчатник, некоторые кормовые травы).
Очень сильно засоленные (солончаки)	> 16	Выращивание большинства культур невозможно, произрастают только галофиты.

Традиционные методы распознавания засоленности

Эти методы основаны на прямом отборе проб почвы с последующим лабораторным анализом. Они являются наиболее точными и служат эталоном для калибровки дистанционных методов.

1. Полевые методы экспресс-оценки

• Измерение электропроводности (ЕС) почвенной суспензии: Используются портативные кондуктометры. Проба почвы смешивается с дистиллированной водой в стандартном соотношении (например, 1:5). Полученное значение EC_1:5 пересчитывается в стандартное ECe с помощью эмпирических коэффициентов, зависящих от гранулометрического состава почвы.
• Использование портативных иономеров: Позволяют определить активность отдельных ионов (Na⁺, Cl^—, NO₃^—) непосредственно в поле с помощью ионоселективных электродов.

2. Лабораторные методы точного анализа

• Приготовление насыщенной почвенной вытяжки (НПВ): Это стандартный метод. Почву насыщают водой до состояния пасты, экстрагируют раствор и измеряют ECe, pH, а также количественный ионный состав с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS), ионной хроматографии (IC) или титрования.
• Определение обменного натрия (ESP): ESP = (обменный Na⁺ / ЕКО)
• 100%, где ЕКО – емкость катионного обмена. Почвы с высоким ESP (> 15%) считаются солонцеватыми, обладают плохими физическими свойствами.

Дистанционные и инструментальные методы

Эти методы позволяют охватить большие территории и отслеживать динамику засоления во времени.

1. Наземные геофизические методы

• Электромагнитная индукция (EMI): Приборы (например, EM38, EM31) генерируют первичное электромагнитное поле, которое индуцирует токи в почве. Вторичное поле зависит от электропроводности почвы, которая напрямую коррелирует с засоленностью. Метод позволяет быстро сканировать профиль почвы на глубину до 1.5 метров без бурения.
• Электрическая резистивная томография (ERT): В грунт устанавливается ряд электродов, между которыми пропускается ток и измеряется разность потенциалов. В результате строится 2D или 3D модель удельного электрического сопротивления почвы. Зоны низкого сопротивления часто соответствуют скоплениям солей.

2. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) с воздушных и космических носителей

Основано на анализе спектральной отражательной способности почв. Засоленные почвы имеют отличные спектральные характеристики от незасоленных из-за наличия солевых корок, изменений влажности и структуры.

• Использование спектральных индексов: Наиболее распространены индексы на основе соотношения яркостей в разных каналах.
  • Нормализованный разностный индекс засоления (NDSI): Использует каналы в SWIR и NIR диапазонах. NDSI = (SWIR — NIR) / (SWIR + NIR).
  • Индекс яркости (BI): BI = √((R_red² + R_green² + R_NIR²)/3). Засоленные участки, особенно с солевыми корками, имеют высокую яркость.
• Мульти- и гиперспектральная съемка: Гиперспектральные сенсоры (например, Hyperion) регистрируют сотни узких спектральных каналов, позволяя выявлять специфические спектральные подписи отдельных минералов солей (гипс, мирабилит, галит).
• Тепловая съемка: Засоленные почвы часто имеют иные тепловые инерционные свойства и влажность, что отражается на их тепловом излучении.
• Радиолокационная съемка: Чувствительна к шероховатости поверхности, влажности и электропроводности почвы, что может быть косвенным признаком засоления.

3. Интеграция данных и машинное обучение

Современный подход заключается в комбинации данных ДЗЗ, геофизических измерений, цифровых моделей рельефа и данных агрохимического анализа с использованием алгоритмов машинного обучения (МО).

• Этапы работы:
  1. Сбор эталонных данных: на ключевых участках проводятся наземные измерения ECe.
  2. Извлечение признаков из спутниковых снимков (значения яркости, спектральные индексы, текстура) и других слоев данных (высота, уклон, индекс влажности).
  3. Обучение модели (регрессионной для прогноза ECe или классификационной для определения класса засоления) на основе соответствия между эталонными данными и извлеченными признаками.
  4. Прогнозирование засоленности на всю исследуемую территорию и валидация результатов.
• Используемые алгоритмы: Random Forest, Gradient Boosting, метод опорных векторов (SVM), искусственные нейронные сети и глубокое обучение.

Сравнительный анализ методов распознавания засоленности почв

Метод	Масштаб	Точность	Преимущества	Недостатки
Лабораторный анализ НПВ	Точечный	Очень высокая (эталонная)	Высокая точность, полный ионный состав	Трудоемкость, высокая стоимость, низкая пространственная плотность
Электромагнитная индукция (EMI)	Полевой, участковый	Высокая (после калибровки)	Быстрое сканирование глубинных профилей, высокая плотность данных	Требует калибровки по почвенным образцам, чувствителен к металлу
Мультиспектральное ДЗЗ	Региональный, национальный	Умеренная-высокая	Широкий охват, периодичность, исторические данные	Зависимость от погоды, оценка в основном верхнего слоя
МО-модели на основе ДЗЗ и данных EMI	Универсальный	Очень высокая	Интеграция данных, создание детальных карт, прогнозирование	Сложность, потребность в больших эталонных данных, «черный ящик»

Практическое применение и значение

Карты засоленности почв, созданные по результатам распознавания, используются для:

• Принятия агромелиоративных решений: Планирование промывок засоленных земель, строительство дренажных систем, внесение химических мелиорантов (гипс, фосфогипс) для солонцовых почв.
• Сельскохозяйственного планирования: Подбор солеустойчивых культур и сортов для конкретных полей, зонирование севооборотов, дифференцированное внесение удобрений и орошение.
• Мониторинга и прогнозирования: Оценка динамики засоления под влиянием орошения, изменения климата или уровня грунтовых вод. Раннее предупреждение процессов деградации.
• Экологического аудита и кадастра: Оценка качества земельных ресурсов, расчет ущерба, планирование рекультивационных работ.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем отличается засоление от солонцеватости?

Засоление – это накопление в почве растворимых солей. Солонцеватость – это преобладание в почвенном поглощающем комплексе ионов натрия (высокий ESP), что приводит к ухудшению физических свойств: сильному набуханию во влажном состоянии и образованию плотной корки при высыхании. Почва может быть одновременно засоленной и солонцеватой (солонец), либо только солонцеватой, либо только засоленной.

Какой метод самый точный для определения засоленности?

Самый точный метод – лабораторный анализ насыщенной почвенной вытяжки (НПВ) с определением электропроводности (ECe) и полного ионного состава. Все остальные методы (полевые, дистанционные) требуют калибровки по данным лабораторного анализа.

Можно ли точно определить засоленность только по спутниковым снимкам?

Нет, нельзя определить абсолютные значения ECe со спутника с высокой точностью без наземной калибровки. Спутниковые данные эффективны для выявления пространственных паттернов, относительного ранжирования участков по степени засоления и мониторинга динамики. Для получения количественных данных необходима регрессионная модель, обученная на совмещенных данных снимков и наземных измерений.

Как часто нужно проводить мониторинг засоленности на орошаемых землях?

Рекомендуется проводить ежегодный контроль в конце вегетационного сезона для выявления тенденций. Более частый мониторинг (сезонный) необходим на проблемных участках с высоким уровнем грунтовых вод или при использовании низкокачественной поливной воды. Дистанционный мониторинг может осуществляться практически непрерывно по мере поступления новых снимков.

Какие культуры наиболее устойчивы к засолению?

Солеустойчивость культур сильно варьируется. К высокоустойчивым (порог ECe 8-10 дСм/м и выше) относятся: сахарная и кормовая свекла, хлопчатник, ячмень, некоторые сорта пшеницы, люцерна, райграс. К чувствительным (порог ECe менее 2 дСм/м) – фасоль, большинство плодовых деревьев, многие овощные культуры (морковь, лук).

Как искусственный интеллект улучшает распознавание засоленности?

ИИ, в частности машинное обучение, позволяет:

• Интегрировать разнородные данные (спектральные, геофизические, топографические) для построения более точных моделей.
• Автоматически выявлять сложные, нелинейные взаимосвязи между спектральными признаками и значением ECe.
• Обрабатывать большие объемы данных (Big Data) ДЗЗ для создания детальных карт в масштабах целых регионов.
• Прогнозировать развитие процессов засоления на основе временных рядов данных.

Можно ли полностью устранить засоление почвы?

Полное устранение (рассоление) технически возможно, но часто экономически нецелесообразно. Основной метод – промывные поливы в сочетании с глубинным дренажем для отвода соленых вод. Этот процесс требует больших объемов качественной воды, времени и капитальных вложений. На практике чаще применяется управление засолением: сдерживание процесса на допустимом уровне и адаптация сельскохозяйственных практик (подбор культур, режим орошения).