Eroze půdy patří mezi nejrozšířenější škodlivé jevy v životním prostředí. Především z důvodu ohrožení produkční schopnosti půd, na které je do značné míry závislá výroba potravin pro obyvatelstvo, je erozi věnována nezanedbatelná pozornost ze strany výzkumných, hospodářských a správních organizací.

Cílem opatření je udržení produkční schopnosti půdy, v optimálním případě její zvyšování. Ačkoliv studiu půdní eroze jsou věnovány značné výzkumné kapacity, v poznání zůstává mnoho nejasného. Z hlediska praxe je problémem nedostatečná evidence důsledků eroze v reálném prostředí. Problém evidence erozního fenoménu v krajině naráží na otázku značné prostorové proměnlivosti tohoto jevu, na obtíže s kvantifikací a hodnocením, což ve svém důsledku vede ke značnému subjektivizmu v prostorovém podchycení eroze půdy. Teprve na základě územní informace mohou být aplikována opatření ke zmírnění nebo nápravě situace.

V současné době je k dispozici řada vzorců (Wischmeier, Smith, 1958, Stehlík, 1970 aj.), které se snaží odhadnout souvislosti mezi intenzitou eroze půdy, nejčastěji vodní eroze, a charakteristikami parametrů okolního prostředí. Pokud některé vzorce jsou velmi konkrétní a mají jednoznačné číselné vyjádření, předpokládají rovněž velmi detailní údaje z území.

Disponibilní vzorce doporučují zohlednit při hodnocení, resp. odhadu velikosti eroze údaje o klimatu (pokud ovšem sledované území zasahuje do klimaticky (mezoklimaticky) rozmanitých jednotek, dlouhodobých vlhkostních poměrech půdy, geologickém podloží, terénu, ochraně půdy vegetací a zejména o vlastnostech sledované půdy, tj. o jejím půdním typu a druhu. Vzhledem k tomu, že doporučované údaje jsou v podstatě přehledem všech složek přírody, znamená to mj., že sledovanou půdu, resp. její erozní degradaci, je třeba vždy dávat do souvislostí se všemi ostatními, vždy společně působícími složkami přírody.

Vizuálním projevem eroze půdy jsou morfologické změny. Doprovodným projevem těchto morfologických (kvantitativních) změn jsou barevné deviace, které odlišují nepoškozenou půdu od půdy dotčené erozí v míře znamenající poškození. Barevné rozdíly jsou sice dobře patrné i při práci v terénu, rozhodujícím pohledem pro lokalizaci a kategorizaci barevných rozdílů je však pohled shora. Pro maximálně spolehlivé určení míry a teritoriálního rozsahu erozně poškozených ploch je třeba tedy mít k dispozici data získaná "horizontálně" přímo prací v terénu v kontaktu s půdou a současně data získaná "vertikálně" z nadhledu, což vyžaduje bezkontaktní sledování z dostatečné výšky.

2. Úprava a zpracování dat

Integrované využití technologie GIS a současně přístrojově vyhodnocených údajů dálkového průzkumu Země při hodnocení erozního rizika a identifikace reálného erozního hazardu v území probíhá v posloupnosti následujících kroků.

1. krok: Zjištění přírodní krajinné struktury zájmového území a její interpretace a doplnění údaji s ohledem na hodnocení erozního rizika

Výzkum byl prováděn na osvědčené studijní ploše "Hustopečsko" (433 km2) reprezentované stejnojmenným listem topografické základní mapy ČR měřítka 1:50 000. Datovou základnu pak tvořily komponentní údaje o jednotlivých složkách přírody.

Tradiční formule USLE (universal soil loss equation) pro výpočet či spíše kvalifikovaný odhad erozního odnosu půdy z plochy má zavedený tvar (Wischemeier, Smith, 1958):

A = S .L .R .P .C .K (t.ha-1.rok-1),

kde A je ztráta půdy za rok, S...faktor sklonu svahu, L...faktor délky svahu, R...dešťový faktor, P...faktor antropického účinku, C...faktor vegetační ochrany, K...faktor erodibility vlastní půdy. Hodnoty jednotlivých faktorů jsou představovány koeficienty s územně limitovaným dosahem.

Jde-li v prvé řadě o posouzení přirozené náchylnosti území k erozi půdy v našich podmínkách, tato rovnice vyžaduje jisté úpravy. Z rovnice jsou eliminovány ty faktory, které mají bezprostřední spojitost s působením člověka, tj. proměnné P a C. Tento postup není neobvyklý (viz Solín, Lehotský, 1996, Švandová, 1998) při zjišťování přirozené erozní predispozice území. Rovněž vhodnějším se jeví použití zástupných hodnot jednotlivých proměnných, než přímo v terénu nebo v mapách naměřených hodnot. Údaj o srážkách nelze získat s dostatečnou přesností diferencovaně pro jednotlivé části území při dodržení daného pracovního rozlišení. Stejně tak faktor erozibility vlastní půdy se obtížně kvantifikuje a popisuje jedinou hodnotou. Navíc úloha délky svahu není dostatečně prozkoumána (Zachar, 1970). Od určité délky pak erozní odnos po počátečním růstu klesá.

Použitá modifikovaná rovnice pak obsahuje uvedené i další faktory prostředí ovlivňující erozi:

RE = P + T + G + S + Sv + Sz,

kde RE ...je odhadnuté riziko eroze, P...vliv polohy lokality v terénu, T...sklonitost terénu, G...geologické podloží, S...půdní typ, Sv...půdní vlhkost, Sz...půdní druh.

Pro sledované území byly shromážděny nezbytné údaje o jednotlivých výše uvedených parametrech přírody. Postupným nakládáním dílčích map na sebe a "čistěním" průběžného elaborátu tak, aby další naložená mapa již byla integrována s opraveným předchozím dílčím výsledkem (Kolejka, Pokorný, 1999), byla získána integrovaná mapa přírodních geosystémů daného území. Nakládání a integrace bylo prováděno manuálně pomocí ČB konturových kreseb jednotlivých komponentních údajů na transparentním papíře. Integrace dat probíhala v pořadí: G + Sz + Sv + S, což odpovídá klesající důvěryhodnosti individuálních podkladů a do jisté míry i klesající reálné stabilitě či nezávislosti daného parametru na ostatních (předchozích). Do výsledného popisu jednotek byl pak doplněn údaj o poloze zjištěného areály v terénu. Klimatický údaj do popisu přímo zakomponován nebyl. Je však jistým způsobem zahrnut v popisu půdního typu (jako projev výškové stupňovitosti půd v daném území). Údaj o sklonitosti terénu byl vložen až nakonec jako výsledek analýzy digitálního modelu terénu (DMT). Tímto způsobem byla vymezena vzájemně srovnatelná síť přírodních homogenních krajinných jednotek (geosystémů) jako pozadí pro lokalizaci erozního rizika (tab. 1, obr. 1).

Obr. 1: Přírodní geosystémy "Hustopečska"

Dále používané sklonové kategorie, ovlivňující intenzitu půdní eroze, byly získány analýzou odborné literatury (Jůva, Hrabal, Tlapák, 1977, Demek, Embleton, Kugler, eds., 1982, Kirchner, 1993, Čvancara, 1962). Jde v podstatě o nejčastěji používané sklonové kategorie ovlivňující svahové procesy obecně, včetně eroze, ačkoliv lze mít za to, že nezohledňují vlivy diferencovaného substrátu. Analýzou DMT byly vymezeny areály s následujícími sklonovými intervaly (obr. č. 79): rovina a plošiny (0-2o), ploché svahy (3-7o), mírné svahy (8-15o) a příkré svahy (nad 15o).

Tabulka č. 1: Přírodní geosystémy na území "Hustopečska" (názvy typů geosystémů jsou konvenční, pro vzájemné odlišení zdůrazňují vybrané typické vlastnosti - ukázka)

Vysvětlivky:

Poloha (P): B - dno údolí nebo pánve, P - plošina, E - terénní hrana, S - svah, F - úpatí

Reliéf (T): P - rovina (sklon 0-2o), F - plochý svah (3-7o), G - mírný svah (8-15o), S - příkrý svah (nad 15o)

Geologický substrát (G): C - jíl, L - hlína, S - písek, G - štěrk, E - spraš, SM - flyšové pískovce a slínovce, NC - neogénní jíly a slíny, LI - vápenec, SS - pískovce a křemence.

Půdní typ (S): PS - primitivní půda, RK - ranker, RA - rendzina, PR - pararendzina, CA - kambizem, AR - arenosol, FL - fluvizem typická, VE - vertisol, LU - hnědozem, MO - černozem typická, MG - oglejená černozem, MS - soloncová černozem, GM - černice, GL - glej typický.

Půdní vlhkost (Sv): W - mokrá, M - vlhká, N - normální, D - vysýchavá, R - suchá

Zrnitost půdy (Sz): C - jílovitá, L - hlinitá, S - písčitá, G - štěrkovitá, K - skeletnatá.

Území "Hustopečska" představuje rozmanité teritorium od Pavlovských vrchů na JZ, přes širokou aluviální nivu Dyje (zde min. 160 m n. m.) po rozhraní vrchoviny Ždánického lesa (zde max. 410 m n. m.) a Kyjovské pahorkatiny ve Středomoravských Karpatech na SV.

Listnaté lesy, místy v přírodě blízkém druhovém složení, pokrývají vrcholy nejvyšších kót a sklonitější severní svahy. Drtivá většina ploch je intenzivně zemědělsky využívána, často bez ohledu na sklonitostní poměry. Hustá síť venkovských sídel je vesměs středověkého založení.

Erozní proces má za následek nejen erozní poškození půd s doprovodnými optickými projevy, avšak také vede k vytváření areálů akumulace, příp. transportu uvolněného půdního materiálu. Akumulace erodovaných a transportovaných půdních součástí mohou mít podobné optické projevy, zejména co se týče spektrálních charakteristik (např. při stejné vlhkosti). Hodnocení erozního rizika v přírodních geosystémech sleduje také oddělení erozních a akumulačních ploch.

Každý geosystém (geoekologická jednotka) zájmového území je definován a popsán pomocí parametrů významných pro erozi půdy. Nabízí se tedy možnost diferencovaného hodnocení náchylnosti jednotlivých geosystémů a jejich typů vůči erozi, míněno vodní erozi. Za účelem maximálního omezení subjektivního hodnocení byl sestaven čtyřčlenný tým expertů, kteří za pomoci čtyřstupňové škály (hodnota 0 označuje maximální odolnost dané proměnné vůči erozi, hodnota 3 naopak maximální citlivost proměnné k odstartování a intenzitě eroze) ohodnotily všechy používané proměnné následujícím způsobem (tab. 2).

Tabulka č. 2: Hodnocení parametrů geosystémů na území "Hustopečska" z hlediska náchylnosti k erozi půdy

Dílčí hodnocení byla aglomerována funkcí "součet" a výsledek byl prezentován jako suma dílčích hodnot. Na území "Hustopečska" se hodnoty sumárního rizika pohybovaly v rozmezí 4-17. Pro přehlednost byly sumy hodnocení kategorizovány do 5 tříd (tab. 3):

Tabulka č. 3: Třídy erozní rizikovosti geosystémů na území "Hustopečska"

Lokalizované a kategorizované výsledky hodnocení erozní náchylnosti přírodních geosystémů zájmového území prezentuje mapa (obr. 2). Vzhledem k analogické míře erozního rizika lze jednotlivým typům geosystémů adresovat stejná protierozní opatření organizačního nebo technického rázu. Naopak shodná míra erozního rizika u rozdílných typů geosystémů a jejich individuí signalizuje, jakou míru opatrnosti v jejich využívání je třeba respektovat bez ohledu na to, o jakou činnost v krajině půjde.

Obr. 2: Rizikovost území "Hustopečska" vůči půdní erozi

Předmětem dalšího zpracování se staly z kapacitních důvodů jen plochy dvou nejvyšších stupňů rizikovosti. Není zřejmě zapotřebí experimentovat s identifikací skutečných erozních škod v místech, která po předběžném hodnocení přírodních předpokladů vykazují malou nebo řádnou náchylnost k erozi.

Z potenciálních informačních zdrojů o erozi půdy se DPZ jeví relativně nejspolehlivějším, především z hlediska podchycení prostorové distribuce erozního fenoménu. Za účelem omezení postranních vlivů různých faktorů na optické projevy sledovaného fenoménu a pro jeho maximálně jednoznačné rozlišení v záznamech DPZ byly vyvinuty rozličné korekční a interpretační metody (viz Jürgens, Fander, 1993, Šúri, 1993, 1995).

Území "Hustopečska" je zachyceno na záznamu skaneru TM družice Landsat v 7 pásmech spektra (kanály 1,2,3,4,5,6,7) ze dne 1.8.1994. Na bázi těchto dat byly sestaveny nepravě barevné syntézy typu 2B+3G+4R (2-zelenooranžové pásmo TM s modrým filtrem-B, 3-červené pásmo TM se zeleným filtrem-G, 4-infračervené pásmo TM s červeným filtrem-R) a tyto použity jako výchozí materiál pro geometrické korekce skanerového snímku, resp. pro jeho slícování s použitým topografickým podkladem. Vlastní geometrické korekce snímku byly provedeny systémem pro zpracování obrazu ERDAS.

Vliv šumu vedoucí k nesprávné identifikaci skutečného erozního poškození půdy v zájmovém území při standardním vyhodnocování distančních dat lze podstatně snížit pomocí kvalitní informace o sekundární struktuře krajiny zájmového území neboli o využití ploch. Řada abiotických povrchů, zejména technicky upravené či zpevněné plochy (silnice, manipulační plochy závodů, vodní plochy, nádraží, zástavba, čerstvé mýtiny v lesích, zahrady v intravilánech) může nabývat podobných optických projevů jako erodovaná půda.

Pro zájmové území byly tak pořízeny digitální datové soubory (vrstvy) pro zastavěná území, vodní toky a plochy, silniční a železniční síť a lesy.

Z dalšího zpracování bylo proto zapotřebí vyloučit plochy pokryté vegetací neboli vytvořit masku tyto plochy zakrývající. Zavedenou technologií pro zjišťování bezvegetačních ploch je výpočet normalizovaného diferencovaného vegetačního indexu (NDVI), jako podílu rozdílů spektrálních hodnot pixelů obrazu červeného a infračerveného pásma spektra a jejich součtů. Na bázi výpočtů a porovnáním s empirickými zkušenostmi z území byly identifikovány veškeré abiotické povrchy k datu pořízení snímku (rozsah 0-110 transformovaných hodnot NDVI).

Údaje o abiotických površích a areálech s maskujícím účinkem vegetace v průběhu postupného skládání vytvořily masku, která výrazně omezuje plochu v družicovém snímku vyžadující účelovou interpretaci z hlediska zjištění a hodnocení míry erozního poškození půdy. Na ni se pak může soustředit větší pozornost zpracovatele.

Smyslem integrace dat DPZ a GISu je maximální omezení rušivých šumů, které by mohly ovlivnit identifikaci zájmových ploch a jejich následné účelové hodnocení z hlediska eroze půdy. Integrací takových dat se vytváří vhodná maska, která umožňuje soustředit pozornost zpracovatele pouze na lokality, kde lze sledovaný jev nalézt v hodnotách významných pro účel studia. Zatímco hodnocení erozibility půd přírodních geosystémů respektuje jejich přirozené dispozice k erozi, včetně sklonu terénu, podobné optické projevy na snímku mohou mít akumulace erodovaného materiálu a další umělé povrchy.

Ty lze z dalšího zpracování eliminovat maskou, postupně sestavenou z akumulačních ploch vybraných "nerizikových" typů geosystémů (obvykle na mírných svazích a údolních dnech), abiotických povrchů zástavby a komunikací, případně čerstvých mýtin v lesních celcích. Výsledkem je maska "očištěných" abiotických povrchů.

Naložením vrstvy "očištěných" abiotických povrchů (holé půdy) na areály dvou nejvyšších kategorií rizikovosti ploch a následným průnikem těchto dvou datových množin byly zjištěny plochy holé půdy v rizikových lokalitách v období pořízení snímků (obr. 3). Teprve tato data se stala předmětem posuzování optických projevů půd a zejména erozí poškozených půd v konkrétních typech geoekologických jednotek.

Obr. 3: Areály "holých půd" na území "Hustopečska" k 1.8.1994

Pixely obrazu označující "holé půdy" byly vesměs lokalizovány do "rizikových" typů geosystémů. Nejčetněji jsou zastoupeny geosystémy na plochých a mírných svazích, které jsou dostupné pro běžnou zemědělskou techniku.

Na území "Hustopeče" bylo zjištěno na 30 000 pixelů označujících "holé půdy" k datu pořízení snímku celkem ve 27 typech geosystémů. Pouze ve 4 z nich však počet pixelů přesahuje 1000. Těmito geosystémy jsou: ploché černozemní pedimenty (kód 15032), ploché sprašové svahy (15062), mírné sprašové svahy (15063) a mírné flyšové svahy (15103). Pro poslední tři z nich byly sestaveny histogramy zastoupení pixelů jednotlivých denzit po jednotlivých spektrálních pásmech. Při identifikaci silně erozí poškozených ploch v tomto případě bylo možné se opřít jak o autopsii (viz Kolejka, Shallal, 1997), tak o klasifikované výsledky laboratorních analýz vzorků půd z daného území a jejich průmět do zájmového území. Klasifikací všech odebraných vzorků pomocí shlukové analýzy byly identifikovány tři třídy poškození půd.

Ukázalo se však také, že jen pouze ve dvou ze čtyř nejčetnějších typech geosystémů byly odebrány vzorky půd a mezi nimi i takové, které definují erozí silně poškozenou půdu (typy 15062 a 15103).

Vlastní identifikace konkrétních erozí poškozených ploch v těchto jednotlivých typech prostředí byla provedena na základě znalosti přesné polohy odběrových míst půdních vzorků v terénu a jejich okolí. Zájem se soustředil jen na "silně" erozí poškozené půdy. Vizuálně identifikované silně erozí narušené holé půdy (s vystupujícím zbytkem B horizontu) byly v průběhu terénního průzkumu přesně lokalizovány v mapě a později při laboratorním zpracování dat také na snímku s přesností do 1 pixelu. V okolí odběrových míst na snímku (nepravě barevná syntéza) byly ohraničeny relativně homogenní plochy odpovídající barevně přibližně místu vlastního odběru. Tak byly vytvořeny množiny pixelů (tzv. tréninkové množiny) reprezentující půdu s danou třídou erozního poškození. Ty byly předmětem analýzy spektrálních vlastností takto poškozené půdy na pozadí daného typu geosystému. Na křivkách histogramů "holých půd" v příslušných typech geosystémů byly zjištěny polohy těchto pixelů reprezentujících erozí "silně" poškozenou půdu (obr. 4).

Obr. 4: Denzitní řez pro odlišení "silně" erozí poškozených půd půd v geosystému typu mírných svahů na flyši s černozeměmi

Pro jednoduchost za takové byly brány všechny pixely s prokazatelně vyšší reflexí půdy, tj. s vyššími denzitními hodnotami a jejich areály byly vyneseny do mapy (obr. 5).

Obr. 5: Rozmístění "silně" erozí poškozených půd ve vybraných typech geosystémů (15062 a 15103) na území "Hustopečska" k 1.8.1994

Data o spektrálních projevech jednotlivých tříd erozního poškození půdy v jednotlivých typech geosystémů již umožňují nasazení dokonalých statistických klasifikačních metod pro identifikaci podobných ploch v celém zájmovém území, m.j. klasifikaci obrazu metodou nejvyšší pravděpodobnosti (MLC - maximum likelihood classification). Zatím tato pokročilejší forma zpracování obrazu zatím provedena nebyla a bylo nutno se spokojit s výsledky uvedené velmi jednoduché metody identifikace dotčených pixelů řezem na denzitní křivce v pásmu B3.

Provedeným výzkumem bylo zjištěno, že erozí stejně poškozené půdy mají odlišné spektrální projevy v rozličných typech přírodního prostředí (geosystémech). V dané etapě výzkumu lze tyto odlišnosti - standardy definovat odlišným tvarem a vzájemným posunem četnostních křivek pixelů v jednotlivých použitých pásmech spektra, jak to vyplývá z analýzy situace u vybraných typů geosystémů, a rovněž statistickými charakteristikami optických a fyzikálně chemických proměnných sledovaných půd (pokud v nich vzorky byly odebrány), resp. jejich shluků (tříd).

3. Využití získaných poznatků v plánovací praxi

Co se týče výběru a lokalizace optimalizačních opatření, zatím lze konstatovat pouze, že stále zůstává rozorána část ploch se sklonitostí nad 15 o, ovšem celkově jde o nevýznamné lokality. Tam je zapotřebí stabilizace trvalými kulturami, nejlépe lesními. V rámci útlumu zemědělství by pak vhodné postupně stabilizovat i plochy ve sklonitostní kategorii 8-15 o, kde se již nachází významná část silně erozí poškozených ploch. U ploch se sklonem do 8 o, obzvláště úrodných sprašových ploch s černozeměmi, jsou zapotřebí agrotechnická opatření k nápravě velmi neutěšeného stavu.

Literatura

ČVANCARA, F. (1962): Zemědělská výroba v číslech. Díl I., SZN, Praha, 1170 s.

DEMEK, J., EMBLETON, C., KUGLER, H. (Eds,) (1982): Geomorphologische Kartierung in mittleren Ma staben. VEB Hermann Hack, Gotha, 254 s.

JŮVA, K., HRABAL, A., TLAPÁK, V. (1977): Ochrana půdy, vegetace, vod a ovzduší. SZN, Praha, 180 s.

JÜRGENS, C., FANDER, M. (1993): Soil erosion assessment and simulation by means of SGEOS and ancillary digital data. International Journal of Remote Sensing, roč. 14, č. 15, s. 2847-2855.

KIRCHNER, K. (1993): Příspěvek k hodnocení reliéfu okresů České republiky. Sbornik ČGS, roč. 98, č. 1, s. 13-24.

KOLEJKA, J., POKORNÝ, J. (1999): Využití integrovaných digitálních dat v územním plánování na bázi krajinného potenciálu. In: Integrace prostorových dat - Olomouc 99. Sborník příspěvků, Univerzita Palackého, Olomouc, s. 51-61.

KOLEJKA, J., SHALLAL, J. K. (1997): Identifikace a dvojstupňová klasifikace erozního poškození na bázi analýzy půdních vzorků a družicových snímků. Geografie - Sborník ČGS, roč. 102, č. 1, s. 17-30.

SOLÍN, Ľ., LEHOTSKÝ, M. (1996): Susceptibility of the Jablonka catchment to soil erosion. Geografický časopis, roč. 48, č. 2, s. 153-170.

STEHLÍK, O. (1970): Geografická rajonizace eroze půdy v ČSR. Metodika zpracování. Studia geographica, č. 13, s. 1-40.

ŠÚRI, M. (1993): Využitie digitálnych metód spracovania družicových dát pre analýzu vybraných vlastností objektov krajiny. Geografický časopis, roč. 45, č. 2-3, s. 279-291.

ŠÚRI, M. (1995): Analýza a hodnotenie možnosti využitia diaľkového prieskumu Zeme vo výskume erózie pôdy. Geografický časopis, roč. 48, č. 1, s. 73-92.

ŠVANDOVÁ, E. (1998): Rule-based soil erosion modeling in GIS. In: Proceedings GIS Brno 98 Conference "Geographic Information Systems: Information Infrastructures and Interoperability for the 21st Century Information Society. Díl II. Část PS, ICA-EUROGI-MU, Brno, s. 59-74.

WISCHMEIER, W. H., SMITH, D. D. (1958): Rainfall energy and its relationship to soil loss. Transactions of The American Geophysical Union, roč. 39, č. 2, s. 285-291.

ZACHAR, D. (1970): Erózia pôdy. Vydavateľstvo SAV, Bratislava, 528 s.