ОЦЕНКА ПЛОЩАДИ ЗАРАСТАНИЯ ГЕЛОФИТАМИ АЗОВСКИХ ЛИМАНОВ НА ПРИМЕРЕ ВОДОЕМОВ ЧЕРНОЕРКОВСКОГО НЕРЕСТОВО-ВЫРОСТНОГО ХОЗЯЙСТВА

АННОТАЦИЯ

Целью исследований являлось определение площади зарастания гелофитами лиманов Черноерковского нерестово-выростного хозяйства (ЧНВХ), относящихся к Жестерской группе азовских лиманов, методами пространственного анализа космических снимков в сочетании с полевыми наблюдениями. Оценка площади зарастания водоемов проводилась с использованием водного индекса MNDWI и радиометрического индекса растительности NDVI, которые были рассчитаны по мультиспектральным снимкам спутника Европейского космического агентства Sentinel-2. Представлены материалы по расчету площади зарастания водоемов ЧНВХ гелофитами с использованием данных NDVI и по разнице площадей – общей водоемов и открытой их акватории, рассчитанной по данным MNDWI. Выяснено, что при зарастании лиманов гидрофитами с плавающими листьями и наличии в летний период участков с сухим травостоем для расчета площади зарастания гелофитами целесообразно использовать MNDWI. Площадь зарастания гелофитами в водоемах ЧНВХ составляет около 550 га, степень зарастания колеблется от 2 до 37%, в среднем составляя 10%.

ABSTRACT

The aim of the research was to determine the area of overgrowth by helophytes of the limans of the Chernoerkovsky spawning and growing farm belonging to the Gester group of the Azov limans by methods of spatial analysis of satellite images in combination with field observations. The assessment of the area of overgrowth of reservoirs was carried out using the MNDWI water index and NDVI radiometric vegetation index, which were calculated from multispectral images of the European Space Agency Sentinel-2 satellite. The materials on the calculation of the area of overgrowth of reservoirs of the CNVC by helophytes using NDVI and open water area calculated by MNDWI and the difference between them are presented. It was found out that when estuaries are overgrown with hydrophytes, with leaves floating on the surface, and there are areas with dry herbage in summer, it is advisable to use MNDWI to calculate the area of overgrowth with helophytes.

Ключевые слова: азовские лиманы, гелофиты, спутник Sentinel-2, степень зарастания, NDVI, MNDWI.

Keywords: Azov limans, helophytes, Sentinel-2 satellite, degree of overgrowth, NDVI, MNDWI.

Введение

Азовские лиманы занимают весьма значительную территорию – более 120 тыс. га [2] и являются важнейшими нерестилищами промысловых рыб Азовского моря. Эффективность нереста полупроходных рыб тесно связана с зарастанием лиманов водной растительностью. По данным Г.Г. Залуми (1955), степень зарастания нерестовых водоемов гидрофитами не должна превышать 30%, гелофитами – 10%. О.Е. Тевяшова и Л.Е. Тевяшова (1975) в результате изучения влияния различных фитоценозов на развитие кормового зоопланктона пришли к выводу, что в воспроизводственных водоемах судака степень зарастания такими гелофитами, как камыш и рогоз, нужно поддерживать на уровне 20%. По данным А.Г. Шехова (1970), в 70-е годы наиболее распространенными гелофитами были тростник южный (Phragmites australis (CAV.) – 86 тыс. га и камыш прибрежный (Schoenoplectus litoralis) – 3,5 тыс. га. Площадь зарастания гелофитами, преимущественно тростником южным, постоянно увеличивается, что приводит к сокращению открытой поверхности лиманов: за период 1930–1988 гг. она сократилась почти на 25 тыс. га, составив в 1988 г. около 54,0 тыс. га [8].

Поскольку площади зарастания водоемов существенно меняются в течение вегетационного периода, то их оценка должна выполняться по результатам исследований, проведенных в предельно сжатые сроки, желательно одномоментно. Эффективное решение данной задачи возможно с использованием аэрофотосъемки или фотосъемки космическими аппаратами. Последняя аэрофотосъемка азовских лиманов проводилась в 1988 г. [8]. В настоящее время оценка зарастания проводится по данным дистанционного зондирования земли космическими аппаратами. Однако степень изученности зарастания различных групп азовских лиманов весьма неоднородна. По снимкам спутника Landsat-7 с использованием вегетационного индекса NDVI был проведен спутниковый мониторинг зарастания Куликово-Курчанской группы лиманов за период 1984–2014 гг. [1]. Зарастание гелофитами Челбасской группы азовских лиманов в 2020–2021 гг. оценивалось по данным спутников Европейского космического агентства Sentinel-2 и данным ботанических съемок [5]. По другим группам азовских лиманов оценок зарастания в современный период нет, и проведение таких исследований является весьма актуальной задачей.

Целью исследования была оценка площади зарастания гелофитами лиманов Черноерковского нерестово-выростного хозяйства (ЧНВХ), относящихся к Жестерской группе азовских лиманов, методами пространственного анализа космических снимков в сочетании с полевыми наблюдениями.

Материалы и методы

Водоемы Черноерковского нерестово-выростного хозяйства Жестерской группы расположены в плавневой зоне Восточного Приазовья, в состав хозяйства входят 10 водоемов общей площадью около 61 кв. км, преобладающие глубины – 0,8–1,5 м. Питание пресной водой лиманов происходит за счет речных кубанских вод, которая поступает в канал ЧОК (Черноерковский опреснительный канал), затем через Хуторской отвод – в л. Восточный. Объемы поступления воды регулируются шлюзом, установленным в головной части ЧОК. С Азовским морем связь лиманов данной группы осуществляется через Зозулиевское гирло, на котором также установлены шлюз-регулятор и рыбопропускное сооружение. Водообмен водоемов происходит через межлиманные соединения (рис. 1).

Рисунок 1. Схема водоемов ЧНВХ (Жестерская группа):

1 – Черноерковский опреснительный канал; 2 – лим. Песчаный; 3 – лим. Большой Баштовый; 4 – лим. Гнилой; 5 – лим. Малый Баштовый; 6 – лим. Малый Кущеватый; 7 – лим. Чистый; 8 – лим. Лозовской

Для изучения воздушно-водной растительности за картографическую основу были взяты карты ФГУП «Госгисцентр». Карты «Госгисцентра» использовались для определения береговой линии и площади исследуемых водоемов. Так как гелофиты произрастают на прибрежных участках почти всех лиманов, заходя на их акваторию на глубину до 1,5 метра, у водоемов отсутствует визуальная береговая линия. Поэтому при определении площади зарастания гелофитами мы пользовались постоянными «масками» лиманов.

Площадь зарастания лиманов водной растительностью определяли по снимкам, полученным с помощью спутника Европейского космического агентства Sentinel-2. В работе было использовано 24 спутниковых снимка, сделанных в 2021–2022 гг. Для выделения водной поверхности использовали водный индекс (MNDWI), в качестве индикатора растительности – радиометрический вегетационный индекс NDVI.

Дистанционное изучение зарастания гелофитов в 2021 году проведено в 9 водоемах ЧНВХ площадью 5148,0 га, в 2022 году проведены наземные исследования в трех водоемах: Коноваловском, Большом Кущеватом, Малом Кущеватом – площадью 1605 га. Наземные исследования за зарастанием гелофитов проводили методом детально-маршрутного исследования с использованием GPS-навигатора, с помощью которого оконтуривали площадь, заросшую воздушно-водной растительностью. Оценку наличия возможного сухостоя гелофитов и открытой акватории среди зарослей проводили по съемкам квадрокоптера Dji Phantom 4 pro.

Для дешифровки спутниковых снимков с целью оценки зарастания лиманов водной растительностью использовали шкалу с четырьмя диапазонами значений NDVI:

0-й класс – от –1,0 до –0,1;

1-й класс – от –0,1 до 0,3;

2-й класс – от 0,3 до 0,5;

3-й класс – от 0,5 до 1,0.

Согласно предыдущим нашим исследованиям [5], акватория, свободная от растительности, соответствовала значениями от –1,0 до –0,1 (0-й класс). Водная растительность соответствовала 1–3-му классам NDVI.

Площадь зарастания лиманов гелофитами рассчитывали в программе SNAP двумя способами: в первом случае для расчета выбирали значения NDVI, соответствующие 3-му классу, использовали июльские спутниковые снимки, во втором расчет проводили по разнице общей площади лиманов и их чистого зеркала, выделенного с помощью MNDWI по спутниковым снимкам, сделанным в период отсутствия ледостава и вегетации гидрофитов.

Результаты исследований

Доминирующим видом гелофитов в азовских лиманах является тростник южный, по визуальным наблюдениям на его долю приходится более 95% их зарослей. В подавляющем большинстве лиманов в летний период гелофиты соответствовали 3-му классу NDVI. Вегетационный индекс достаточно точно идентифицирует зарастания тростника в озерах и водохранилищах [6; 4]. Выбор расчета площади зарастания гелофитов с использованием индекса MNDWI связан с тем, что в отдельных случаях в летний период при резком снижении уровня воды в лиманах погруженные гидрофиты, оказываясь на поверхности воды, соответствуют значениям 3-го класса NDVI, гелофиты в исключительных случаях могут попасть в 1–2-й классы NDVI [5].

Например, в июле 2021 года в лимане Комковатый около 50% площади зарастания тростника южного было идентифицировано как 1-й класс NDVI. Как показали съемки квадрокоптера, часть тростника высохла (рис. 2). Причиной этого могла стать массовая миграция в этот район плавней саранчи, которая съела зеленые листья тростника (рис. 3).

Анализ степени зарастания водоемов, рассчитанной с использованием MNDWI и NDVI, выявил ее значительные различия некоторых лиманов (рис. 4).

Рисунок 2. Вид с квадрокоптера зарослей тростника, июль 2021 г.:

1 – сухой тростник: 2 – вегетирующий тростник

Рисунок 3. Саранча, пожирающая тростник

Рисунок 4. Степень зарастания водоемов Жестерской группы лиманов гелофитами, рассчитанная по MNDWI и NDVI:

1 – Коноваловский; 2 – Большой Баштовый; 3– Малый Баштовый; 4 – Большой Кущеватый; 5 – Малый Кущеватый, 6 – Восточный; 7 – Песчаный, 8 – Лозовской, 9 – Чистый

В лимане Песчаном эта разница составила 2,8 раза, в Восточном – 1,4 раза, как показали наземные исследования 2022 г., это связано с произрастанием в лиманах гидрофита с плавающими на воде листьями – водяного ореха Trapa natans L, соответствующего 3-му классу NDVI (рис. 5). В остальных лиманах разница была не столь значительная, в среднем 1,1 раза. По данным MNDWI, площадь зарастания гелофитами составила 381 га, NDVI – 361 га.

 Снимок спутника (RGB)

 Снимки квадрокоптера

Рисунок 5. Зарастание лимана Песчаный водяным орехом (июль, 2022 г.)

По снимкам квадрокоптера в лиманах Коноваловском, Большом и Малом Кущеватых отсутствовали поврежденные (засохшие) гелофиты и гидрофиты с плавающими листьями. Сравнительный анализ измерения площади зарастания водоемов гелофитами, определенной по индексам NDVI и MNDWI, показал их очень близкие результаты. Степень зарастания гелофитами в лиманах Коноваловском, Большом и Малом Кущеватых при расчете по данным MNDWI в среднем по водоемам составила 16,0% общей акватории, по данным NDVI – 15,8%.

Таким образом, результаты исследований показали допустимость использования MNDWI для расчетов площади зарастания гелофитами в азовских лиманах в период отсутствия вегетации гидрофитов. В случае присутствия в водоемах гидрофитов с плавающими листьями или сухостоя гелофитов, как показали наземные наблюдения, расчеты, сделанные по данным MNDWI, точнее расчетов NDVI.

Расчет площади зарастания гелофитами по MNDWI не требует привлечения узкопрофильных специалистов и сложного специализированного программного обеспечения. Этот расчет можно использовать для оперативного определения степени зарастания гелофитами как отдельных лиманов, так и больших территорий с целью принятия решений по необходимости проведения мелиоративных работ в воспроизводственных водоемах.

Согласно расчетам, сделанным с использованием MNDWI, общая площадь зарастания в водоемах ЧНВХ составляет около 550 га, а степень зарастания колеблется от 2% (Коноваловский) до 37% (Большой Баштовый), в среднем по всем водоемам составляя 10%. Степень зарастания гелофитами: Большой Баштовый (37%), Малый Баштовый (33%), Большой Кущеватый (24%), Малый Кущеватый (26,2%), что превышает степень зарастания, рекомендуемую Г.Г. Залуми (1955) для воспроизводственных водоемов судака и тарани – 10%.

Выводы

1. Общая площадь зарастания гелофитами водоемов ЧВНХ Жестерской группы лиманов составляет около 550 га, степень зарастания гелофитами в лиманах Большой и Малый Баштовые, Большой и Малый Кущеватые на 14–27% выше допустимой для воспроизводственных водоемов судака и тарани. В целом по трем лиманам излишняя площадь зарастания составляет около 200 га.
2. Для расчета площади зарастания гелофитов возможно использование двух индексов NDVI и MNDWI (в случае отсутствия в водоеме участков сухого травостоя и гидрофитов с плавающими листьями). Использование двух индексов позволит выявлять ежегодную зону прироста гелофитов.
3. При зарастании лиманов гидрофитами с плавающими листьями и наличии в летний период участков с сухим травостоем для расчета площади зарастания гелофитами целесообразно использовать данные MNDWI.

Список литературы:

1. Антоненко М.В., Погорелов А.В., Елецкий Ю.Б. Мониторинг Куликово-Курчанской группы лиманов (дельта реки Кубани) в районе лицензионного участка ООО «НК «ПРИАЗОВНЕФТЬ» // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2015. – № 11. – С. 55–63.
2. Денисенко О.С. Биологическая мелиорация азовских лиманов Краснодарского края и возможности использования средств, полученных в качестве компенсации ущерба, нанесенного водным биологическим ресурсам // Вестник АГТУ. Сер.: Рыбное хозяйство. – 2017. – № 3.
3. Залуми Г.Г. Эффективность размножения судака и тарани в Ахтарском нерестово-выростном хозяйстве // Труды ВНИРО. – 1955. – Т. 31. – С. 230–248.
4. Кутявина Т.И., Рутман В.В., Ашихмина Т.Я. Дистанционный мониторинг зарастания высшей водной растительностью акватории эвтрофированного водохранилища // Теорeтическая и прикладная экология. – 2020. – № 3. – С. 36–40.
5. Оценка зарастания водной растительностью Челбасской группы азовских лиманов / Л.Г. Бондаренко, С.Н. Кульба, В.И. Петрашов, С.С. Смирнов [и др.] // Водные биоресурсы и среда обитания. – 2021. – Т. 4, № 4. – С. 14–26.
6. Оценка современного состояния и динамики зарастания озер Национального парка «Нарочанский» с использованием данных дистанционного зондирования Земли / Б.П. Власов, Н.Д. Грищенкова, А.Ю. Сивенков, Н.Ю. Суховило [и др.] // Acta Geographica Silesiana. – INoZ UŚ, Sosnowiec, 2019. – № 13/4 (36). – S. 39–55.
7. Тевяшова О.Е., Тевяшова Л.Е. Особенности формирования кормовой базы молоди судака в разных фитоценозах // Труды ВНИРО. – 1975. – T. 59. – С. 102–109.
8. Цуникова Е.П. Водоемы Восточного Приазовья. Рыбохозяйственное значение и оп­тимизация их использования. – Ростов-на-Дону : Медиаполис, 2006. – С. 225.
9. Шехов А.Г. Производительность растительности Кубанских лиманов // Гидробиологический журнал. – 1970. – Т. 6, № 3. – С. 12–20.