1. Введение

В условиях современных климатический условий, характеризующиеся возрастанием аридности и частоты экстремальных метеорологических явлений, проблема деградации земель в семиаридных регионах приобретает важное значение. Повышенная актуальность процессов опустынивания характерна для ландшафтов южных регионов европейской части России, включая Астраханскую область.

Астраханская область сочетает в себе засушливый климат с минимальным годовым количеством осадков, высокой континентальностью, а также разнообразным и неоднородном почвенным покровом. Большая часть данной территории представлена засоленными, солонцеватыми и заболоченными почвами, это делает природно-территориальные комплексы в высокой степени уязвимыми к процессам опустынивания. Сложность ландшафтной структуры, обусловленная сочетанием эоловых, аллювиальных и бугристых песков, а также активное антропогенное воздействие инициируют необратимые изменения почвенно-растительного покрова.

Объектом исследования для верификации методов дистанционного мониторинга является модельный полигон Наримановского района Астраханской области, который расположен в центральной и юго-западной части Прикаспийской низменности, в пределах сухостепной и полупустынной зон.

Существующие картографические материалы и пространственные модели процессов опустынивания на территории Наримановского района не отражают реальной ситуации. Это связано с высокой динамикой ландшафтов, процессы изменения происходят достаточно быстро, карты устаревают уже через несколько лет после составления. Имеющиеся модели построены на обобщённых данных и не учитывают локальные особенности района. В связи с этим актуальность данной исследовательской работы определяется необходимостью провести количественный анализ современного состояния территории с использованием объективных и оперативных методов. Для этого рассчитывается вегетационный индекс NDVI, который позволяет по спутниковым снимкам оценить плотность и состояние растительности — ключевой индикатор опустынивания. В работе анализируется динамика NDVI за три временных периода 2020, 2023 и 2025 годы это даёт возможность выявить направленность изменений, а также оценить скорость процессов опустынивания в Наримановском районе за последние шесть лет.

В работе был реализован комплексный подход к идентификации очагов опустынивания Наримановского района путем наложения разновременных спутниковых снимков со спутников Landsat 8,9 с расчетом вегетационного индекса (NDVI) и их последующей кластеризацией.

Цель работы: проведение геоинформационного анализа и мониторинга процессов опустынивания ландшафтов Наримановского района Астраханской области на основе мультивременного спутникового зондирования и ГИС-технологий.

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать ландшафты Наримановского района Астраханской области.

2. Провести обработку данных космоснимков и рассчитать вегетационные индексы NDVI.

3. Провести сравнительный анализ изменения индекса NDVI для разных лет.

4. Выявить ключевые факторы, влияющие на деградацию земель Наримановского района.

2. Основная часть

В качестве ключевого полигона исследований выбран Наримановский район Астраханской области. На рисунке 1 приведена карта его расположения.

Наримановский район расположен в юго-западной части Прикаспийской низменности с сильным выступом в юго-западную часть области и граничит на востоке с землями Харабалинского, Красноярского, Приволжского районов и г. Астраханью, на севере с Енотаевским районом, на западе с Республикой Калмыкия, на юге с Лиманским и Икрянинским районами. Общая протяженность границы района свыше 400 км [17].

Рельеф района равнинный, слабонаклонный, для территории характерно широкое развитие эоловых форм рельефа-бугристых, грядовых и мелкобугристых песков, а также просадочных западин, степных блюдец и лиманных понижений [7].

Климат района резко континентальный и аридный (засушливый), среднегодовая температура воздуха составляет около +8/+10 °C, при этом средняя температура января колеблется от -6 до -8 °C, а средняя температура июля от +26 до +34 °C. Годовая сумма осадков крайне незначительна и варьирует в пределах 200–250 мм при испаряемости, достигающей 900–1000 мм, что приводит к хроническому дефициту влаги; основное количество осадков выпадает в тёплый период (апрель–октябрь) в виде кратковременных ливней, а снежный покров маломощен и неустойчив. Вегетационный период составляет 200–210 дней [8], [9]. Такие климатические условия обусловливают высокую уязвимость ландшафтов к процессам опустынивания.

Почвенный покров характеризуется высокой неоднородностью, комплексностью и засолением, что обусловлено аридным климатом, плоским рельефом и соленосными материнскими породами [11], [14]. Основная территория занята полупустынной степью, где фоновыми видами являются полыни, злаки (ковыль, житняк) и кустарники тамарикс. Вдоль Волги, в Волго-Ахтубинской пойме и вокруг ильменей, растительность сменяется на пойменную и водно-болотную: здесь распространены тростник, рогоз, ивы и солодка. На песчаных массивах растительность приобретает черты песчаной пустыни с подвижными песками и закрепленными их видами-псаммофитами [15], [24].

3. Материалы и методы

В рамках исследования, для оценки динамики деградации земель были использованы спутниковые снимки со спутников Landsat 8–9 за июль 2020, 2023, 2025 гг. (пространственное разрешение 30 м, облачность не более 2%). Выбор периода данного исследования обусловлен и выделен на основе климатических характеристик вегетационного сезона. Данные временные срезы отображают изменчивость увлажнения: согласно метеорологическим данным [31], 2020 год характеризовался минимальным уровнем осадков с 2020–2025 гг. (2 мм) 2023 год являлся максимально влажным (44 мм). 2025 год выбран в качестве крайнего доступного года с полными данными дистанционного зондирования. Для нивелирования сезонных колебаний и усиления контрастности характеристик растительного покрова был выбран месяц июль, который характеризуется наибольшей засушливостью в Наримановском районе, что позволяет отчетливо проследить динамику.

Для получения данных о нормализованном относительном индексе растительности NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) снимки исследуемой территории были обработаны с помощью программного обеспечения QGIS 3.40.7 с последующими этапами.

На первом этапе для каждого года (2020, 2023, 2025) построены растры NDVI по формуле NDVI= (NIR - RED) / (NIR+RED), где NIR ближний инфракрасный диапазон, а RED красный канал.

На втором этапе были вычислены разностные изображения: NDVI (2023–2020) = NDVI 2023 NDVI 2020 и NDVI (2025–2023) = NDVI 2025 NDVI 2023.

На третьем этапе выполнена классификация растров NDVI по пяти пороговым значениям в диапазоне от 1 до -1, где наибольшие значения интерпретируются как относительно благополучные участки с кустарниково-злаковой растительностью, а наименьшие как сильно деградированные земли с единичной растительностью и сильнозасоленные почвы без растительности [19], [30].

На четвертом этапе был проведен анализ динамики по разностным изображениям: положительная динамика (>0,70) интерпретируется как восстановление растительного покрова, стабильная динамика; от 0,7 до -0,1 как сохранение текущего состояния; отрицательная динамика (<-0,1) как деградация земель.

Дополнительно, были проанализированы многолетние данные о температуре воздуха и осадках на территории исследуемого района [16].

Таким образом, вычисленные значения NDVI позволяют достоверно оценить пространственно-временные закономерности деградации земель в аридных ландшафтах, дифференцируя территорию по степени разреженности растительного покрова на основе пяти пороговых значений. Анализ дает возможность не только определить направленность процессов (деградация, стабилизация или восстановление), но их интенсивность и скорость распространения.

4. Результаты исследования

Анализ данных полученных из индекса NDVI в сочетании с информацией о многолетних климатических изменениях, позволил отследить динамику температурного режима и состояния ландшафтов Наримановсого района. Для оценки состояния и динамики деградации земель был выбран июль, как месяц максимального вегетационного напряжения в аридных условиях, когда различия между деградированными и условно ненарушенными участками проявляются наиболее контрастно.

Наибольший показатель температур наблюдается в 2020 г. (28,3°C), а наименьший в 2023 г. (26,5 °C). Осадки, в свою очередь, существенно отличаются, и варьируются от максимальных значений в 2023 г. (44 мм) до минимальных в 2020 г. (2 мм) (рис. 2).

Климатические показатели отражают значительные вариации минимальных и максимальных значений осадков и небольших температурных изменений.

В июле 2020 г. значения NDVI на территории Наримановского района варьировались в диапазоне от ≤ -0, 611035 до > 0,2888 (рис. 3).

Наибольшую часть территории занимают значения в интервале от -0,033 до 0,289, что соответствует категории разреженной пустынной растительности и условно стабильных пастбищ. Вторую по площади категорию составили участки со значениями NDVI более 0,289, относящихся к относительно благополучным территориям с кустарниково-злаковой и тростниковой растительностью. Третью категорию сформировали значения от -0,356 до -0, 033, что соответствует сильно деградированным землям, открытым поверхностям и водоемам. Значений ниже -0,611 на территории района не зафиксировано, что указывает на отсутствие обнаженных солончаков. Таким образом, в 2020 году структура земель характеризовалась преобладанием среднепродуктивных пастбищных угодий при заметной доле условно благополучных участков и относительно небольшом распространении сильно деградированных территорий.

В июле 2023 г. диапазон значений NDVI расширился: минимальные значения снизились до -0,0905 и ниже, максимальные увеличились >0,4428 (рис. 4).

Наибольшую часть территории занимает интервал от 0,0873 до 0,2651, соответствующий разреженной пустынной растительности и стабильным пастбищам. Вторую по площади категорию составили участки с NDVI более 0,4428 относительно благополучные территории. Третью категорию сформировали значения от 0,2651 до 0,4428. Четвертую категорию значения от -0,0905 до 0,0873, что соответствует появлению сильно деградированным землям и открытым поверхностям. Важной отличительной особенностью стало появление участков с NDVI ≤0,0905. Данные значения свидетельствуют о формировании очагов крайне деградированных земель, приближающихся по своим спектральным характеристикам к открытым солончакам. Также отмечено смещение максимальной границы благополучных участков с >0,289 до >0,4428, что указывает на локальное улучшение состояния растительности на отдельных территориях, однако появление экстремально низких значений NDVI сигнализирует о прогрессирующей деградации.

В июле 2025 г. значения NDVI варьировались в диапазоне от ≤ -0, 1391 до >0,4313 (рис. 5).

Наибольшую часть территории занял интервал от 0,0510 до 0, 2411, соответствующий разреженной пустынной растительности и умеренно деградированным пастбищам. Вторую по площади категорию составили значения от 0,2411 до 0,4313. Третью категорию сформировали значения от -0,1391 до 0,0510, что соответствует сильно деградированным землям и открытым поверхностям. Четвертую категорию значения >0,4313 (условно благополучные участки), доля которых сократилась по сравнению с предыдущими годами. Минимальный диапазон (≤ -0, 1391) присутствует, однако также сократился по площади.

Исходя из полученных данных была рассчитана разница индексов NDVI между 2023 и 2020 гг. (рис. 6), а также между 2025 и 2023 гг. (рис. 7).

В результате полученных данных индексов NDVI, можно сделать следующие выводы:

1. Карта разницы NDVI (2023 – 2020 гг.).

За данный период на территории Наримановского района произошли существенные перестройки в структуре растительного покрова. Диапазон значений NDVI расширился как в сторону минимальных значений (с -0,611 до -0,0905 и ниже), так и в сторону максимальных (с >0,289 до >0,4428). Это указывает на усиление контрастности ландшафта: наряду с участками улучшения состояния растительности, сформировались новые очаги интенсивной деградации.

Положительная динамика зафиксирована преимущественно в восточной, северо-восточной и юго-восточной частях района, примыкающих к Волго-Ахтубинской пойме. Данные участки характеризуются относительно лучшими условиями увлажнения, благодаря близости к пойменным экосистемам и возможности подтока грунтовых вод. Участки с NDVI >0,4428, появившиеся в 2023 г., приурочены к микропонижениям рельефа, где накапливается влага, также отмечается активное восстановление кустарниковой растительности (тамарикс) и многолетних злаков.

Наибольшие площади стабильного состояния зафиксированы в центральной части района. Данные участки приурочены к выровненным пространствам с бурыми пустынно-степными почвами. Растительность представлена типичными пустынными сообществами [7].

Отрицательная динамика наиболее выражена в удаленных частях района от Волги. Растительный покров здесь деградирует наиболее интенсивно, представляет собой открытые поверхности с единичными видами полыни и солянок. Именно здесь зафиксировано появление значений NDVI ≤ -0,0905, что соответствует спектральным характеристикам слабозакрепленных песков и солончаковых пятен.

Так, расширение диапазона NDVI в 2023 г. по сравнению с 2020 г. отражает процесс поляризации состояния земель. Улучшение общего состояния по климатическим данным связано с благоприятными условиями вегетационного сезона 2023 г. Однако эти улучшения не компенсируют процессы деградации на отдельных участках пастбищных массивов и образование очагов открытых песков.

2. Карта разницы NDVI (2025 – 2023 гг.).

За период 2023-2025 гг. произошло дальнейшее ухудшение состояние растительного покрова на фоне жаркого и сухого июля 2025 г. Диапазон минимальных значений NDVI изменился с ≤ -0,0905 до ≤ - 0,1391, что свидетельствует об углублении деградационных процессов. Граница благополучных участков снизилась с >0,4428 до >0,4313.

Положительная динамика зафиксирована на крайне ограниченных площадях и приурочена к двум типам местоположений. Первый тип в южной части, где сохраняется дополнительное увлажнение за счет близости грунтовых вод и периодическое подтопление в половодье. Здесь растительность представлена влаголюбивыми сообществами: тростник обыкновенный, рогоз узколистный, ива кустарниковая. Второй тип локальные микропонижения, где аккумулируется поверхностный сток. Здесь отмечено увеличение NDVI за счет развития эфемеров, которые успевают завершить вегетацию в первой половине июля [11]. Однако площадь таких площадь таких участков незначительна, и их положительный вклад состояния земель минимален.

Стабильное состояние района, сохранилось в центральной части района. Эти участки представлены полынно-злаковой растительностью. На этих территориях деградация пока не прогрессирует, однако отсутствие положительной динамики свидетельствует о том, что естественное восстановление не происходит.

Отрицательная динамика наиболее выражена в восточной, юго-восточной и южной частях района. Здесь произошло смещение категорий: участки, относившиеся в 2023 г. к категории -0,905 – 0,0673, в 2025 г. перешли в категорию -0,1391 – 0,0510. Данная тенденция также относится и к остальным категориям. Как следствие, появились участки с наиболее выраженными экстремально низкими значениями. Так, это свидетельствует о формировании полностью лишенных растительности поверхностей с высокой отражательной способностью (слабозакрепленные пески и солевые корки). Также площадь экстремально низкой категории стала меньше, по сравнению с 2023 г. Это может объясняться незначительным закреплением части открытых поверхностей ветроустойчивыми видами. Однако значения стали более экстремальными, то есть деградация на сохранившихся очагах углубилась.

5. Заключение

Сравнительный анализ трех временных срезов позволил выделить два периодических ухудшения. Период 2020–2023 гг. характеризовался началом активной фазы опустынивания: появление очагов экстремально низких значений NDVI при сохранении относительно благополучного состояния на части территории. Период 2023–2025 гг. охарактеризовался дальнейшим ухудшением на фоне жаркого и сухого июля 2025 г.: произошло снижение верхней границы благополучных участков, расширение зон отрицательной динамики территории и углубление деградации на наиболее пораженных участках. Сокращение площади категории экстремально низких значений в 2025 г. по сравнению с 2023 г. при одновременном понижении их нижней границы свидетельствуют, что отдельные очаги деградации сливаются, а внутри них происходит полное уничтожение растительного покрова.

Сопоставление динамики NDVI с климатическими данными за июль каждого исследуемого года показало, что высокие температуры (29,2°C в 2025 г. против 26,1°C в 2020 г.) и дефицит осадков (3,1 мм в июле 2025 г. против 18,2 мм в 2020 г.) выступили катализатором деградационных процессов. Однако снижение NDVI фиксировалось уже в 2023 г. (при относительно благоприятных климатических условиях), что указывает на наличие долговременного антропогенного фактора прежде всего, нерегулируемого выпаса скота по косвенным признакам (близость расположения к населенному пункту, где данный метод животноводства является одним из основной деятельности населения, а также на территории исследования есть необходимые водные объекты, что делает данный район востребованным для водопоя животным). Таким образом, деградация земель в Наримановском районе имеет комплекс факторов антропогенная нагрузка создала предпосылки для снижения устойчивых экосистем, а климатические факторы ускорили и усилили негативные изменения.

The additional file for this article can be found as follows: