Study of wild medicinal plant resources in fallow lands using aerial photography from unmanned aerial vehicles

В Российской Федерации залежные земли занимают около 5 миллионов гектаров

Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо учитывать несколько факторов. Во-первых, вклад залежей в баланс углерода в почве; во-вторых, стоимость лекарственных растений (экологически чистая продукция с нулевым углеродным следом) и стоимость продукции пчеловодства, которую можно получить на залежных землях. В-третьих, предполагается, что землепользователи будут в недалеком будущем получать денежные компенсации за нетронутые распашкой земли с положительным углеродным балансом (лесопокрытые территории, луга). И наконец, при этом не будет загрязняться окружающая среда пестицидами, удобрениями, предотвращается смыв почвы и минимизируется эрозия, создается оздоровительная продукция, возрастает потенциал для агротуризма.

Выполнение мониторинга биологического разнообразия, обилия лекарственных растений в различных природных зонах и местообитаниях, а также разработка дистанционных методов изучения растительных ресурсов, с применением геоинформационных систем (ГИС), позволяет проводить обследования территорий для целей ресурсоведения лекарственных растений и создания устойчивой ресурсной базы в целях разработки новых фитопрепаратов

Применение для этого материалов космической съемки малоэффективно, так как площадь локальных сообществ дикорастущих ЛР сравнительно небольшая, а геометрическое разрешение доступных снимков невысокое – от 0,5 м и более. В силу этих обстоятельств, локальные растительные сообщества плохо дешифрируются. Кроме того, время получения космических снимков может не совпадать со временем цветения растительных сообществ, что значительно затрудняет их распознавание. В этом смысле аэрофотосъемка с беспилотных воздушных судов (БВС), на наш взгляд, является наиболее оптимальной для дешифрирования: появляется возможность съемки с пространственным разрешением от 0,5-3,0 см до 10-25 см, и высоким фотографическим качеством, что определяет лучшие дешифровочные свойства полученных аэрофотоснимков

Кировская область – одна из крупнейших в Нечернозёмной зоне РФ, расположена на северо-востоке Русской равнины. В области насчитывается почти две тысячи рек двух бассейнов — Северодвинского и Волжского, общей протяжённостью более 66 тысяч км. Поймы рек хорошо выделяются на космических и аэрофотоснимках. Еще 30 лет назад эти земли использовались в качестве сельскохозяйственных угодий. В большинстве случаев они представляют собой сложные для обработки сельско-хозяйственной техникой участки с суглинистыми почвами с малым пахотным горизонтом и бедные по количеству гумуса и минеральных веществ

Полевые работы по дистанционному изучению запасов ДЛР (и полевой верификацией данных) в Кировской области выполняли по оригинальной методике, разработанной совместно Московским государственным университетом геодезии и картографии (МИИГАиК) и Всероссийским научно-исследовательским институтом лекарственных и ароматических растений (ФГБНУ ВИЛАР). Исследования проводили в первой декаде июля на трех ключевых участках, где ранее ежегодно фиксировали наличие лекарственных растений. Первый участок находится в Юрьянском районе (58°59'23,70"с.ш., 49°11'18,97" в.д.,). Здесь изучали кипрей узколистный (иван-чай) (Epilobium angustifolium L., syn. Chamaenerion angustifolium (L.) Scop., сем. Onagraceae). Второй участок расположен на территории Слободского района, в окрестностях поселка Княжий Луг (58°41'9,61"С, 49°35'47,07"В). На этом участке изучали сообщества лабазника вязолистного (Filipendula ulmaria (L.) Maxim., сем. Rosaceae) и шиповника майского (Rosa majalis Herrm., сем. Rosaceae). Третий участок находится в Кирово-Чепецком районе, д. Малый Конып (58°27'21,43" с.ш., 50°22'5,19" в.д.,). Здесь также проводили исследование лабазника вязолистного (Filipendula ulmaria (L.) Maxim.).

Участки Княжий Луг и Малый Конып располагаются в поймах рек Вятка и Чепца соответственно, поэтому там преобладают приречные луга с влаголюбивыми видами растений. В Юрьянском районе участок находится на возвышенности в окружении леса, благодаря чему он постепенно зарастает деревьями и кустарниками.

В качестве объектов исследования были выбраны модельные виды растений, которые являются массовыми для приречных лугов и многолетних залежей, а также базовыми для изготовления многих типов фиточаев (в том числе, разработанных в ФГБНУ ВИЛАР), востребованы для нужд фитотерапии, и являются традиционными объектами заготовок населения Кировской и сопредельных областей

У шиповника майского кроме плодов (гипантия), которые являются ценным поливитаминным сырьем для изготовления таблеток, сиропов, драже, сборов, представляет интерес использование листьев и чашелистиков

Лабазник вязолистный – перспективное ЛР с антимикробной, противовирусной, противоопухолевой и антигипоксантной активностью

Для всех трех участков была выполнена аэрофотосъемка с беспилотного воздушного судна коптерного типа Phantom 4 Pro. Аэрофотосъемку выполняли с разных высот (20 м, 40 м и 60 м) с целью подбора оптимальных параметров для распознавания видов растений. При приведенных выше параметрах камеры, размеры пикселя на земле (GSD) составили 5 мм при съемке с 20 м, 11 мм – с 10 м и 17 мм – с 60 м.

Площади ключевых участков составили: Великорецкое - 15,2 га, Княжий Луг – 25,5 га, Малый Конып – 29,8 га.

Обработка материалов съемки происходила по стандартной фотограмметрической технологии в программном обеспечении AgisoftMetashape

Рисунок 1 - Дешифровочные качества исходных снимков, полученных с разных высот фотографирования

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.125.1

При этом учитывали, что дикорастущие ЛР могут произрастать: однородными сообществами – кипрей узколистный; смешанными в составе луговых разнотравных сообществ; отдельными крупными растениями в составе высокотравных сообществ (рис. 2).

Рисунок 2 - Ортофотопланы и границы сообществ лекарственных растений

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.125.2

При тематическом картографировании, с точки зрения оценки продуктивности дикорастущих ЛР на залежных полях, были определены три условных класса сообществ, которые необходимо выделять раздельно.

1. Сообщества с генеративными (цветущими) растениями с высокой плотностью экземпляров на 1 м². Для лабазника вязолистного – более 30 экземпляров на 1 м2, для кипрея узколистного (иван-чая) – более 20 экземпляров на 1 м2.

2. Сообщества с генеративными растениями, разреженные. Для лабазника вязолистного – менее 30 экземпляров на 1 м2, для иван-чая узколистного – это менее 20 экземпляров на 1 м2.

3. Сообщества с вегетативными растениями (молодые, не цветущие). Такая классификация сообществ позволяет более объективно определить суммарную ресурсную продуктивность ДЛР залежи на момент исследования и спрогнозировать тенденцию дальнейшей сукцесии растительности поля, как потенциального источника ЛР.

Одновременно проводили работы по традицинной технологии изучения запасов ЛР при помощи закладки ресурсоведческих профилей. Всего было заложено 3 профиля: для лабазника вязолистного – 15 (участок Малый Конып) и 20 (участок Княжий Луг) учетных площадок, для кипрея узколистного (иван-чая) – 10 учетных площадок.

2.1. Методы определения урожайности (плотности запаса) сырья дикорастущих лекарственных растений на ключевых участках

Ключевые участки – это площади, которые служат эталоном определенного типа природных угодий для определения запаса сырья, изучаемого вида растения. Ключевые участки закладываются только на потенциально продуктивных территориях, которые могут быть использованы для заготовки лекарственных растений в промышленных объемах.

Для планирования районов работ были использованы данные о наличии лекарственных растений на основании гербарных материалов, литературных данных, информации из российских и международных баз данных по биоразнообразию (Plantarium, iNaturalist, GBIF) и рекомендаций коллег. Возраст залежей составлял 20-30 лет.

На ключевых участках урожайность (плотность запаса сырья) можно определить несколькими способами, выбор которых зависит от сырьевого органа и от жизненной формы изучаемого вида растений. Для некрупных травянистых и кустарничковых растений, у которых в качестве сырья используют надземные органы (листья и цветки лабазника вязолистного, листья и цветки кипрея узколистного (иван-чая)), урожайность определяли на учетных площадках. Размер площадок определяли в зависимости от величины взрослых экземпляров изучаемого вида. Адекватная площадь площадки должна быть такова, при которой на ней помещается не менее 5 взрослых экземпляров ресурсного вида. Для определения урожайности и закладки площадок мы использовали учетные рамки квадратной формы площадью 1 м².

На учетных площадках определяли среднюю высоту растений, количество вегетативных и генеративных экземпляров, площадь проективного покрытия ресурсного вида, а также фитомассу соцветий, листьев и стеблей.

Однако, при ресурсных исследованиях крупных растений, в первую очередь, с деревьев и кустарников, для которых нужно закладывать учетные площадки очень большой площади, этот способ трудоемок. Поэтому в таких случаях использовали метод модельных экземпляров, например, для шиповника майского.

Учетные площадки для изучения лабазника вязолистного закладывали, располагая их равномерно на определенном расстоянии друг от друга так, чтобы по возможности охватить весь промысловый массив (заросль).

Учетные площадки для изучения лабазника вязолистного закладывали равномерно на определенном расстоянии друг от друга так, чтобы по возможности охватить весь промысловый массив (заросль): через каждые 10 метров в виде прямого маршрутного хода, проходящего через центр заросли, независимо от наличия или отсутствия экземпляров изучаемого вида в данном месте.

В случае с кипреем узколистным (иван-чаем), где его сообщества представляют собой отдельные куртины, занимающие определенный процент площади, вычисление величины которой возможно по аэрофотоснимкам, площадки располагались только в пределах этих куртин (пятен) и не закладывались на участках, лишенных изучаемого вида. Определение урожайности иван-чая проводили в куртинах (пятнах) путем подсчета процента площади, которую занимают пятна с изучаемым видом, так как они покрывают менее половины площади изучаемой территории.

Число учетных площадок выбирали из расчета, чтобы при статистической обработке материала ошибка средней арифметической (м) составляла не более 15-20% от самого среднего арифметического (М). Необходимое число площадок для достижения заданной точности зависит главным образом от равномерности распределения изучаемого вида в пределах сообщества, в меньшей степени – от его обилия. Чем равномернее распределен вид и больше его обилие, тем меньше нужно было учетных площадок

Совместив треки наземных профилей и оцифрованные ортофопланы в геоинформационной системе (рис. 2), был проведен сравнительный анализ показателей. Для этого в точках треков создавали векторные полигоны площадью 1м2, и выполняли подсчет генеративных и вегетативных экземпляров исследуемых видов растений (рис. 3).

Рисунок 3 - Ключевой участок Княжий луг с сообществами Filipendula ulmaria (L.) Maxim. (в фазу цветения) с учетной площадкой 1 м2

DOI:10.60797/IRJ.2024.149.125.3

Для оценки ценности конкретного местообитания с точки зрения запасов ЛР важно оценить площадь, занимаемую ЛР по отношению к площади изучаемого участка. На основании этих данных можно проводить оценку экономической эффективности использования конкретного участка – либо в качестве сельскохозяйственных угодий (для сенокошения, пастбища), либо для заготовки лекарственных растений. В таблице 1 представлен вклад сообществ дикорастущих ЛР в общую площадь изучаемых участков.

На этих территориях сообщества ЛР составляют 20-60% от территории залежи, таким образом, можно заключить, что их участие велико. Это косвенно указывает на возраст и устойчивость сообществ залежи.

В таблице 2 приведены данные о выявленных запасах сырья лекарственных растений на ключевых участках (вес сырой фитомассы). Суммарный запас сырья Filipendula ulmaria составляет: цветков – более 5 т, листьев – более 36 т. Суммарный запас сырья Epilobium angustifolium составляет: цветков – 3 т, листьев – более 15 т. Эти данные позволяют рекомендовать организовать промышленную заготовку сырья этих видов для нужд пищевой и фармацевтической промышленности. 

Полученные результаты показывают возможность объективной оценки запасов дикорастущих ЛР в природных условиях с использованием аэрофотосъемки с БВС. Существует несколько факторов, которые необходимо учитывать при интерпретации результатов.

Во-первых, для геоботанических исследований важным фактором является климатические условия конкретного года, в который проводились работы. В условиях Кировской области с умеренно-континентальным климатом особое значение имеют сумма температур и сумма осадков в течение вегетационного периода. В сезон 2023 года в летние месяцы наблюдался дефицит осадков, что повлекло за собой ограничение роста фитомассы дикорастущих ЛР на участках, не имеющих избыточного водного питания. Это привело к тому, что на ключевом участке Княжий Луг средняя высота и фитомасса лабазника вязолистного были в два раза меньше, чем на участке Малый Конып. Малый Конып характеризуется избыточным водным режимом, так как это заболоченная территория. Таким образом, годичные изменения сырьевой фитомассы могут достигать 100% в случае благоприятных погодных условий в вегетационный период. Поэтому, для объективной оценки запасов дикорастущих ЛР необходимо проведение исследований на одном ключевом участке в течение двух-трех лет.

Во-вторых, важным фактором является достоверность подсчета количества экземпляров по аэрофотоснимкам. Для улучшения достоверности можно снижать высоту полета носителя до 20 м (см. рис. 2). Но тогда кратно увеличивается количество полетов БВС, объем данных и время их обработки; требуется больше вычислительной мощности. Кроме того, ухудшаются геометрические параметры изображения (завалы растительности из-за перспективных искажений), увеличивается количество изображений со смазом. Второй вариант – использовать фотоаппараты с полнокадровой матрицей и объективы с длинным фокусным расстоянием и лучшим качеством оптики. Кроме того, трудность с однозначным подсчетом количества экземпляров растений по аэрофотоснимкам, которая возникает из-за смаза изображения возможно решить при использовании стереофотограмметричекого способа дешифрирования снимков

Оптимальным решением может быть следующая технологическая схема: проводится площадная съемка всего ключевого участка с оптимальной высоты, при которой возможно уверенно определить видовую принадлежность сообществ ДЛР для дешифрирования и определения площадей их зарослей и детальная съемка отдельных выделов для подсчета числа экземпляров на единицу площади (с полевой верификацией данных).

Анализ возможных способов использования залежных земель в почвенно-климатических условиях Кировской области показал, что реальной альтернативой вовлечения в сельскохозяйственный оборот является эксплуатация существующих зарослей лекарственных растений на этих землях.

Использование БВС для изучения запасов дикорастущих ЛР позволяет объективно оценивать площади растительных сообществ, путем создания карт ключевых участков, где в качестве картографической основы используются точные, актуальные, цифровые фотопланы. Это ускоряет проведение работ, особенно в труднодоступных местах (заболоченные территории, водные объекты, пересеченная местность и т. п.).

Продуктивность (вес сухого сырья) на 1 га залежных сообществ составила: для Filipendula ulmaria – 108-213 кг цветков, кг 488-707 листьев; для Epilobium angustifolium – 28 кг цветков и 120 кг листьев.

Полученные данные являются основой ГИС залежных земель с базами данных дикорастущих ЛР, которые содержат количественные и качественные характеристики растений и позволяют проводить мониторинг, оценивать их запасы и давать рекомендации по управлению земельными участками.