ТРАЕКТОРИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ И ПОТЕНЦИАЛ ЗАБРОШЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ В РЕГИОНЕ ОСВОЕНИЯ ЦЕЛИННЫХ ЗЕМЕЛЬ КАЗАХСТАНА
TRAJECTORIES OF AGRICULTURAL LAND USE AND POTENTIAL OF ABANDONED LANDS IN THE FORMER VRIGN LANDS AREA OF KAZAKSHTAN
А.В. Прищепов1,2, Р. Крамер2,3, Д. Мюллер2,4,5, Т. Кюммерле4,5, В. Раделофф6, А. Дара7, А. Терехов8, М. Фрюхауф3
A.V. Prishchepov1,2, R. Kraemer2,3, D. M?ller2,4,5, T. Kuemmerle4,5, V. Radeloff6, A. Dara7, A. Terekhov8, M. Fr?hauf3
1Департамент наук о Земле и рационального использования природных ресурсов, Университет Копенгагена
(Остер Фольгаде 10, 1350 Копенгаген K, Дания)
2Лейбниц институт аграрного развития в странах с переходной экономикой (ИАМО) (Теодор-Лизер-Штрассе 2, 06120 Халле (Заале), Германия)
3Институт наук о Земле и географии, Университет Мартина Лютера Халле-Виттенберг (фон-Зекендорфф Платц 4, 06120 Халле (Заале), Германия)
4Географический факультет, Университет им. Гумбольдта в Берлине
(Унтер-ден-Линден 6, 10099 Берлин, Германия)
5Интегративный научно-исследовательский институт взаимодействия человека с окружающей средой (IRI THESys), Университет им. Гумбольдта в Берлине
(Унтер-ден-Линден 6, 10099 Берлин, Германия)
6Silvis Lab, Департамент лесного хозяйства и экологии дикой природы, Университет Висконсин-Мэдисон
(1630 Линден Драйв, Мэдисон, Висконсин, 53706-1598, США)
7Национальный центр космических исследований и технологий
(Шевченко ул., 15, 480021 Алматы, Казахстан)
8Институт информационных и вычислительных технологий,
Министерства образования и науки республики Казахстан
(ул. Пушкина д .125, 050010 Алматы, Казахстан)
1Department of Geosciences and Natural Resources Management, University of Copenhagen (?ster Voldgade 10, 1350 K?benhavn K, Denmark)
2Leibniz Institute of Agricultural Development in Transition Economies (IAMO)
(Theodor-Lieser- Strasse 2, 06120 Halle (Saale), Germany)
3Institute of Geosciences and Geography, Martin Luther University Halle-Wittenberg
(Von- Seckendorff-Platz 4, 06120 Halle (Saale), Germany)
4Geography Department, Humboldt Universit?t zu Berlin
(Unter den Linden 6, 10099 Berlin, Germany)
5Integrative Research Institute on Transformations of Human-Environment Systems (IRI THESys), Humboldt Universit?t zu Berlin
(Unter den Linden 6, 10099 Berlin, Germany)
6SILVIS Lab, Department of Forest and Wildlife Ecology, University of Wisconsin-Madison
(1630 Linden Drive, Madison, WI, 53706-1598, USA)
7National Center of Space Research and Technologies
(Shevchenko str. 15, 480021 Almaty, Kazakhstan)
8Institute of Information and Computing Technologies, Ministry of Education and Sciences (Pushkina str. 125, 050010 Almaty, Kazakhstan)
A.V. Prishchepov (alpr@ign.ku.dk), R. Kraemer (roland.kraemer@idiv.de), D. M?ller (mueller@iamo.de), T. Kuemmerle (radeloff@wisc.edu), V.C. Radeloff (radeloff@wisc.edu), A. Dara (andreydara@gmail.com), A. Terekhov (aterekhov1@yandex.ru), M. Fr?hauf (manfred.fruehauf@geo.uni-halle.de)
В представленной работе отражена детальная оценка изменения сельскохозяйственного землепользования в северной части Казахстана на примере Костанайской области в период с 1990 по 2010 гг., полученная с использованием разновременных 30-метровых спутниковых снимков Landsat TM / ETM +. Также были построены пространственно-выраженные логит-регрессионные модели для оценки статистической ассоциации классов изменения землепользования с агроклиматическими характеристиками, а также для расчета пригодности заброшенных земель для потенциального производства зерновых. Результаты показали, 44% посевных площадей в 1990 г. было заброшено к 2000 г. К 2010 г. около 400 тыс. га заброшенных пахотных земель с 1990 по 2000 гг. было снова распахано, и в то же время примерно такое же количество земель было выведено из оборота. Пространственно-выраженные логит-регрессионные модели показали статистически значимую связь заброшенных земель с низкими агроклиматическими характеристиками; пригодность для зернового производства оставшихся заброшенных земель достаточно низкая. Если экстраполировать полученные результаты на весь Казахстан, в лучшем случае лишь треть из 14 млн. га заброшенных пахотных земель к 2010 г., имеет смысл вовлечь в зерновое производство, а остальные земли оставить для экстенсивного животноводства и экосистемных услуг (биоразнообразие, депонирование углерода) и сконцентрировать внимание на повышении урожайности сельскохозяйственных культур на уже обрабатываемых землях.
We present our detailed assessment of agricultural land-cover change in the northern Kazakh grain region from 1990 to 2010 using multi-temporal 30-meter Landsat TM/ETM+ images. Using spatially-explicit logistic regression models we also tested if statistically significant relationship exists among the trajectories of agricultural land-cover change and agro-environmental characteristics. We also assessed suitability of abandonment croplands for potential re-cultivation. Results showed, 44% of sown areas in 1990 were abandoned by 2000, however by 2010 approximately 400 thousand ha of earlier abandoned croplands were brought back for cropland production. At the same time, approximately the same acreage of cropland became abandoned from 2000 to 2010, albeit reflecting different spatial patterns. Spatially-explicit logistic regression models proved statistically significant association of cropland abandonment with low agro-environmental characteristics of abandoned lands; suitability of remaining abandoned croplands was also low. If to extrapolate our results from Kostanaj case study to rest of Kazakhstan, only about one third of remaining abandoned croplands by 2010 (14 mln. ha) it would make sense to bring back for cropland production. We encourage to leave the rest of abandoned croplands for extensive livestock production and ecosystem services (i.e., biodiversity, carbon sequestration), while to foster Kazakhstan’s land use policies to increase yields on already cultivated croplands.
Введение
С учетом роста населения в мире, в ближайшем будущем потребуется значительно больше продукции сельского хозяйства [4]. В то же время наблюдается стагнация урожайности в мире на уже вовлеченных землях в сельскохозяйственный оборот, а также широко распространена деградация почв [4]. Имеющиеся свободные плодородные земли ограничены [6]. Последующее расширение сельскохозяйственных земель возможно лишь с дальнейшими негативными последствиями для биоразнообразия.
Однако в мире также широко распространено забрасывание сельскохозяйственных земель. Некоторые из таких земель могут быть вовлечены в сельскохозяйственный оборот. С 1990 по 2010 гг., около 60 млн. га пахотных земель было заброшено на территории бывшего Советского Союза как результат социо-экономических преобразований. Одним из регионов, где было широко распространено выведение из оборота сельскохозяйственных земель (забрасывания) является Казахстан. С 1990 по 2010 гг. около 14 млн. га посевных площадей было заброшено. В этот же период поголовье крупного рогатого скота значительно сократилось, что также позволяет говорить о сокращении используемых земель для сельского хозяйства в Казахстане.
Всемирная продовльственная организация (FAO) предполагает, что страны бывшего Советского Союза, включая Казахстан, обладают высоким потенциалом увеличения сельскохозяйственного производства, например, для увеличения производства зерна, в том числе – за счет вовлечения в сельскохозйственный оборот заброшенных земель [4]. Однако возникают сомнения относительно значительного наличия сельскохозяйственных земель с хорошими агроклиматическими характеристиками. Также, если учитывать недавнее изменение конъюктуры рынка, роста цен на зерно и выполнения ряда правительственных программ по поддержке сельского хозяйства в Казахстане [7], часть заброшенных земель была снова распахана [2, 5, 7]. В тот же момент наблюдается увеличение поголовья скота в Казахстане и, как следствие, рост конкуренции за оставшиеся неиспользуемые земельные ресурсы [2, 5, 7].
Официальная статистика относительно землепользоания часто вызывает сомнения, особенно во время социально-экономических потрясений, войн и в переходные периоды, такие, как распад Советского Союза и во время перехода от плановой к рыночной экономике [8]. Спутниковый мониториг играет важную роль в альтернативной оценке динамики землепользования и земного покрова. Данные дистанционного зондирования могут служить источником для детальных карт изменения землепользования, которые также могут быть использованы для пространственно-выраженного анализа закономерностей изменений землепользования.
Целью данного исследования была поставлена задача исследовать динамику изменения сельскохозяйственного землепользования с 1990 по 2010 гг. в северном Казахстане, используя пример Костанайской области [5]. Также была поставлена цель исследовать пространственные детерминанты изменений сельскохозяйственного землепользования и оценить пригодность заброшенных земель для возможного возвращения в сельскохозяйственный оборот [5]. Для данной работы были использованы спутниковые данные дистанционного зондирования – 30-метровые разновременные спутниковые снимки Landsat TM / ETM + с 1990 по 2010 гг. Для оценки детерминат пространственного распределения изменений сельскохозяйственного землепользования с 1990 по 2010 гг. были использованы агроклиматические пространственные данные и были построены пространственно-выраженные логит-регрессии. На основе результатов логит-регрессий была смоделирована карта пригодности заброшенных пахотных земель для возможного возвращения в сельскохозяйственный оборот, и которая была сопоставлена с детальными картами увеличения поголовья скота в исследуемом регионе [5].
Данные и методы
В Костанайской области была проанализирована территория, охваченная двумя спутниковыми сценами Landsat, примерно 5,8 млн. га, или около 30%, Костанайской области [5] (рис. 1). В данной местности выпадение осадков колеблется от 400 мм на севере до 200 мм на юге [6]. Кроме того, потенциальное ежегодное испарение колеблется от 600 до 700 мм, и повторяемость засух достаточно часта, особенно на юге [1]. Рельеф варьирует от 90 до 300 м. Среднее количество дней с отрицательными температурами в Костанайской области составляет 131 [1], и это число уменьшается по направлению к северу. Наиболее плодородные типы почв в регионе исследования представляют черноземы и каштановые почвы, наименее плодородные представляют солонцы [3].
Рисунок 1. Регион исследования
В настоящее время пахотные земли преобладают на севере исследуемого региона, в то время как травянистый покров доминирует на юге. Основной сельскохозяйственной культурой в Костанайской области является яровая пшеница, на которую приходится более 90% от посевных площадей [5].
В данной работе использовались спутниковые снимки Landsat TM / ETM + с пространственным разрешением 30 метров для двух сцен, каждая из которых покрывает территорию 185?185 км (World Reference System WRS-2 path/row 160/23 и 160/24) (рис. 1). Для учета фенологии растений и детектирования разных фаз землепользования были использованы разновременные спутниковые снимки за каждый из исследуемых периодов, которые были объединены в один композит для последующей классификации с использованием обучаемого непараметрического классификатора – метода опорных векторов (Support Vector Machines-SVM).
Для обучения классификатора были использованы тренинги-эталоны, которые были получены из нескольких источников, в том числе, с использованием спутниковых данных высокого разрешения QuickBird и IKONOS и детальных земельных планов. Мы оценили точность классификации с использованием реперных данных, собранных независимо от тренингов во время полевой кампании в 2013 г., и дополнительных источников, таких как снимки высокого разрешения. Классификационный каталог был ориентирован на детектирование изменений сельскохозяйственного землепользования и земного покрова для 1990, 2000 и 2010 гг. Для каждого периода были детектированы тематические классы «пашня» и «травянистый покров» и возможные траектории изменений между этими двумя классами (например, пашня в 1990 г., травянистый покров в 2000 г., травянистый покров в 2010 г.). Переход пахотных земель в травянистый покров служил в качестве прокси забрасывания пахотных земель, особенно с учетом сокращения поголовья скота, в то время как переход травянистого покрова в пахотные земли был наглядным примером вовлечения заброшенных земель в сельскохозяйственный оборот. После того, как была выполнена классификация спутниковых данных, была оценена точность классификации путем построения таблицы сопряженности (матрицы ошибок) между классификацией и реперными валидационными данными. Для оценки точности классицикации была рассчитана общая точность классикации и отдельно для каждого класса, точность производителя (producer’s accuracy) и точность пользователя (user’s accuracy). Была также расчитана уточненная площадь детектированных классов на основе матрицы ошибок [5].
Мы оценили агроклиматические характеристики для каждого типа изменения землепользования и земного покрова в период 1990-2000-2010 гг., используя пространственно-выраженные данные о рельефе, гидротермическом коэффициенте Селянинова (HTC) [1] и данные о типах почв [3]. Типы почв были оцифрованы с почвенной карты Казахстана масштаба 1: 2500000 [3], сгруппированы в три класса и ранжированы в зависимости от пригодности почв для выращивания сельскохозяйственных культур – «черноземы и каштановые почвы» (высокая пригодность для растениеводства, ранг 1), «солонцовые черноземы и каштановые почвы» (средняя пригодность для растениеводства, ранг 2) и «солонцы и луговые почвы» (низкая пригодность для растениеводства, ранг 3). Используя функции пространственного анализа в пакете GRASS GIS мы рассчитали темпы изменения сельскохозяйственного землепользования и земного покрова для исследуемых периодов и их связь с выбранными агроклиматическими параметрами.
Мы дополнили наш анализ построением пространственно-выраженных логит-регрессий для проверки статистически значимых связей (р <0,05) между выбранными агро-климатическими переменными и траекториями изменений сельскохозяйственного землепользования. Для каждой траектории изменений сельскохозяйственного землепользования была построена отдельная регрессионная модель, а именно – для исследования детерминант забрасывания пахотных земель с 1990 по 2000 гг., с 2000 по 2010 гг., а также возвращения в оборот заброшенных земель с 2000 по 2010 гг. Класс изменения землепользования был кодирован как «1» и стабильный класс землепользования с 1990 по 2010 гг. был кодирован как «0». Например, класс «пашня в 1990, травянистый покров в 2000 и в 2010 гг.» (забрасывание пахотных земель с 1990 по 2000 гг., и земли, все еще остававшиеся заброшенными в 2010 г.) был кодирован как «1», в то время как класс «стабильно обрабатываемая пашня в 1990, 2000 и 2010 гг.» был кодирован как «0». Наконец, мы построили еще одну модель для оценки пригодности заброшенных пахотных земель для потенциального возвращения в оборот, когда класс «пашня в 1990 г., травянистый покров в 2000 г., пашня в 2010 г.» был кодирован как «1», а заброшенные земли и класс «стабильный травянистый покров в 1990, 2000 и 2010 гг.» были кодирован как «0». Выборка для пространственных моделей была выполнена с учетом пространственной автокорреляции.
Результаты и дискуссия
Результаты детектирования изменений сельскохозяйтсвенного землепользования с помощью спутниковых данных показали значительное сокращение обрабатываемых посевных площадей. Так, 3,12 млн га пахотных земель обрабатывались в 1990 г. и к 2000 г. около 1,4 млн га было заброшено. К 2010 г. около 400 тыс. га заброшенных пахотных земель с 1990 по 2000 гг. было снова распахано. В то же время примерно такое же количество земель было выведено из оборота выращивания зерновых культур.
Пространственный анализ и регрессионные модели подтвердили, что забрасывание посевных площадей имело место преимущественно на менее плодородных почвах, в низменностях и с худшими гидротермическими характеристиками. Так, например, снижение ранга почвы на одну единицу увеличивало вероятность забрасывания земель с 1990 по 2000 гг. в три раза. С 2000 по 2010 гг. снижение ранга почвы на единицу увеличивало вероятность забрасывания земель в 2,4 раза. Возвращение в оборот заброшенных пахотных земель имело место на малопродуктивных землях, но с более лучшими характеристиками, по сравнению с оставшимися заброшенными пахотными землями.
Мы использовали результаты логит-регрессионных моделей и смоделировали пригодность для дальнейшего возвращения в оборот заброшенных земель. Результаты показали, из 1,2 млн. га выведенных из производства зерновых лишь 400 тыс. га обладают относительно хорошими агро-климатическими характеристиками. Когда мы сопоставили полученную карту пригодности заброшенных пахотных земель для возвращения в оборот с детальными картами увеличения нагрузки поголовья скота с 2000-2010 гг., свободные площади с заброшенными землями, которые подходят для производства зерновых, существенно ограничены из-за роста конкуренции за высокопродуктивные территории, например, для заготовки сена и выпаса скота на заброшенных пахотных землях.
В заключение следует отметить, несмотря на масштабное забрасывание пахотных земель на севере Казахстана, потенциал вовлечения таких земель в оборот для производства зерновых достаточно ограничен из-за низких агроклиматических характеристик таких земель и роста конкуренции за продуктивные земельные ресурсы между животноводческим и растениеводческим секторами сельского хозяйства. Если одной из целей аграрной политики в Казахстане является увеличение производства зерновых, то учитывая низкую текущую урожайность, следует сконцетрировать внимание на повышении урожайности сельскохозяйственных культур на уже обрабатываемых землях. Также, если экстраполировать полученные результаты на весь Казахстан, в лучшем случае лишь треть из 14 млн. га заброшенных пахотных земель к 2010 г. имеет смысл вовлечь в зерновое производство, а остальные земли оставить для экстенсивного животноводства и экосистемных услуг (биоразнообразие, депонирование углерода).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: