Cтатьи и комментарии

Опыт агроэкологической оценки земель для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия в АгроГИС

В.И. Кирюшин*, академик РАСХН, Н.Н. Дубачинская, д.с.х.н.*, профессор*, А.В. Трубников*, к.б.н., старший преподаватель, О.В. Галактионова*, ассистент

*Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, РФ;** Оренбургский ГАУ

Развитие земледелия в России в течение последних 20 лет происходит под знаком новой, биосферной парадигмы природопользования, принятой конференцией ООН в Рио-де-Жанейро в 1992 году. Суть ее заключается в экологизации хозяйственной деятельности, т.е. приведении ее в соответствие с законами и правилами природопользования на основе экологического императива, сохранения жизнеобеспечивающих экологических функций биосферы. Конкретным выражением этой позиции явилась поставленная Россельхозакадемией в том же году задача "создания и конструирования экологически и экономически сбалансированных высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов, в максимальной мере адаптированных к местным природным условиям". За прошедшие годы научными учреждениями РАСХН и сельскохозяйственными вузами разработаны теоретические основы и методология формирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия, пришедших на смену зональным системам земледелия, разрабатывавшимся в 80-х годах.

Геоинформационные технологии в сельском хозяйстве

Проектирование новых систем земледелия и наукоемких агротехнологий осуществляется на основе материалов почвенно-ландшафтного картографирования и ГИС агроэкологической оценки земель. Появление таких проектов стало возможным благодаря использованию современных средств информатизации и дистанционных методов зондирования. Дальнейшее развитие проектных работ, их удешевление связано с совершенствованием этих методов. В данном сообщении рассматриваются опыт работ по агроэкологической оценке земель, приобретенный в процессе изысканий и проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия в различных регионах страны, и предложения по совершенствованию землеоценочных работ с использованием космических и информационных технологий.

Почвенно-ландшафтная съемка для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия выполняется, как правило, в масштабе 1:10000. Для этого используются цифровая топографическая основа того же масштаба, почвенные карты предыдущих обследований (если сохранились) и космические снимки с пространственным разрешением 1,0-6,5 м.

Использование космических снимков в трех диапазонах сканирования – зеленом (0,50-0,59 мкм), красном (0,61-0,68 мкм) и ближнем инфракрасном (0,79-0,89 мкм) обеспечивает распознавание контуров почв, особенно в контрастных комбинациях – комплексах, сочетаниях, мозаиках. Более затруднительна диагностика пятнистостей, вариаций. Малопригодны космические средства для диагностики ташетов, особенно на двучленных породах. Такие почвы довольно широко распространены, и для их идентификации закладывается большое количество разрезов и прикопок, что существенно удорожает изыскательские работы. В связи с этим необходимо развитие методов геосканирования. В частности, нами был опробован метод георадиолокации. Георадиолокационные измерения выполнялись георадаром "ОКО-2" с антеннами 250, 400 и 1200 МГц. Обработка проводилась в программе для записи, обработки и интерпретации данных георадара "ОКО" - "GeoScan32". Принцип действия георадара основан на излучении сверхширокополосных наносекундных импульсов, приеме сигналов, отраженных от границ раздела пород или иных отражающих объектов. В процессе полевых изысканий удавалось диагностировать глубину подстилания глинистых слоев песчаными при использовании антенны георадара с частотой 250 МГц.

В процессе съемки местоположение почвенных разрезов фиксируется приборами глобального позиционирования (ГЛОНАСС/GPS). Разрезы добуриваются до грунтовых вод или до глубины 6 м для диагностики гидрогеологического режима и литологических условий. Съемка проводится с использованием ноутбука или планшета с операционной системой Windows и установленной программой ГИС "Карта 2011" (ЗАО КБ "Панорама"). Проведению изыскательских работ предшествует обмер полей и производственных участков с помощью ГЛОНАСС/DGPS-систем и составление электронной карты существующей полевой инфраструктуры.

Результаты почвенно-ландшафтного картографирования и агроэкологической оценки земель выражаются в виде агрогеоинформационной системы (АгроГИС), включающей набор электронных карт, создаваемых в формате ГИС "Карта 2011".

Исходной позицией АгроГИС является цифровая модель рельефа на основе которой создается набор карт.

Карта форм и элементов рельефа отражает структуру ландшафтов и почвенно-ландшафтные связи.

Картограмма крутизны склонов используется для оценки потенциального стока и эрозионной опасности. Определяет подбор культур, выбор севооборотов, систем обработки почвы, противоэрозионных мероприятий.

Картограмма LS-фактора является интегральным показателем длины и крутизны склонов, который получают с помощью анализа цифровой модели рельефа. Он отражает емкость транзита жидкого, ионного и твердого стока, т.е. непосредственную эрозионную обстановку территории.

Картограмма экспозиций склонов предназначена для оценки теплообеспеченности и влагообеспеченности. Удельный приход суммарной радиации и продуктивные запасы влаги сильно варьируются на склонах различной экспозиции и крутизны. На склонах южной экспозиции крутизной 1-3° среднемноголетние запасы продуктивной влаги (ЦЧО) на 15-20% ниже, чем на равнине. На склонах 3-5° и 5-7° разница возрастает. В то же время эти склоны получают соответственно на 3, 5 и 8% больше радиации, чем земли водоразделов. Склоны северной экспозиции характеризуются пониженным поступлением суммарной радиации: соответственно на 3, 8 и 12% по сравнению с водоразделом. В соответствии с различной влагообеспеченностью склоновых земель корректируются агротехнологии (сроки сева, нормы высева, нормы удобрений, сроки уборки урожая и др.). На южных склонах сильнее проявляется весенний сток воды в связи с более интенсивным снеготаянием.

Карта форм склонов используется для оценки эрозионной опасности. Эрозионная опасность усиливается в ряду – вогнутые, прямые, выпуклые, гофрированные склоны. При планировании противоэрозионных мероприятий особое внимание уделяют теплым склонам гофрированной или выпуклой формы с крутизной 3-5° и особенно 5-7°, так как они наиболее подвержены водной эрозии.

Картограмма индекса влажности Idw – логарифм отношения водосборной площади к крутизне склона. Определяет скорость транзита стока. На значениях этого индекса строится индикация почв с дополнительным или недостаточным увлажнением.

Карта микроструктур почвенного покрова отображает элементарные почвенные ареалы и микрокомбинации, связанные с микрорельефом (комплексы и пятнистости) и неоднородностью почвообразующих пород (мозаики и ташеты).

Карта почвообразующих и подстилающих пород составляется для условий значительного разнообразия почвообразующих пород и близкого к поверхности расположения подстилающих пород. Имеет особое значение при участии в почвообразовании неблагоприятных древних пород (морских глин, каолиновых кор и т.п.). Такие земли, называемые литогенными, часто исключаются из активного оборота из-за низкой продуктивности. Почвы на дериватах этих пород или при близком подстилании ими четвертичных отложений пригодны для использования с ограничениями, связанными с повышенным уплотнением, пониженной водопроницаемостью и влагообеспеченностью, повышенным стоком, эрозией. Для их диагностики активно применяются космические методы и в последнее время делаются попытки использования средств геосканирования.

Карта гранулометрического состава почв имеет важное значение при подборе культур, а также при выборе системы обработки почвы. В случае изменения грансостава по профилю почвы нужна информация о глубине подстилания легких отложений тяжелыми и наоборот. В первом случае диагностируется возможное переувлажнение почвы или усиление стока при близком залегании глинистых или тяжелосуглинистых отложений, во втором – повышенная дренированность и ухудшение влагообеспеченности растений. Дистанционная диагностика грансостава имеет весьма ограниченные возможности. Необходимо развитие космических методов и геосканирования.

Карта солонцеватости почв отображает комплексы почв с различным участием солонцов, а также сочетания и вариации несолонцеватых почв и почв различной степени солонцеватости. Используется для подбора культур в соответствии с группировками растений по солонцеустойчивости. В зависимости от сложности почвенного покрова и свойств солонцов решаются задачи выборочной или сплошной химической мелиорации, приемов мелиоративной обработки, выбора севооборотов и обработки почвы. Диагностика солонцовых комплексов по космическим снимкам выполняется, как правило, без особых трудностей. Для диагностики солонцеватых почв требуется совершенствование космических методов диагностики.

Карта засоленности почв используется для подбора культур в соответствии с региональными шкалами солеустойчивости растений и для дифференциации агротехнологий.

Карта гидрогеологического режима почв. В зависимости от глубины залегания и качества грунтовых вод решаются задачи подбора культур, выбора севооборотов, агротехнологий и при необходимости осушительных мелиораций. Из-за неудовлетворительной диагностики гидрогеологического режима значительная часть лугово-черноземных и частично черноземно-луговых почв показана на почвенных картах как черноземы, что приводит к большим ошибкам при их использовании. Они требуют подбора влаголюбивых культур, исключения чистого пара, повышенных доз удобрений и др. Диагностика этих почв должна контролироваться бурением скважин, определением уровня грунтовых вод и их качества. Из-за дороговизны эти работы сокращали с ущербом для диагностики почв. Имеется возможность в перспективе использовать методы геосканирования для определения глубины грунтовых вод.

Карта потенциальной уплотняемости почв показывает почвы, склонные по различным причинам к повышенному уплотнению. На таких почвах ограничиваются возможности минимизации почвообработки и исключается прямой посев.

Карта фактического подпахотного уплотнения почв показывает почвы, имеющие плужную подошву. Переход к минимизации почвообработки и прямому посеву на таких почвах требует предварительного устранения плужной подошвы оптимально глубокой обработкой.

Карты содержания гумуса, кислотности, содержания подвижных фосфора и калия используются для расчета доз мелиорантов и удобрений.
Путем взаимного наложения перечисленных электронных карт-слоев получают электронную карту агроэкологических групп и видов земель. Каждый контур этой карты содержит в семантике информацию по агроэкологическим параметрам земель, начиная с теплообеспеченности и влагообеспеченности. Данная карта является основой для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий применительно к различным агроэкологическим группам земель (плакорным, полугидроморфным, эрозионным, солонцовым, переувлажненным, литогенным и др.). Этот процесс начинается с создания карт пригодности земель под культуры, востребованные на рынке. Для этого экологические требования культур сопоставляются с агроэкологическими параметрами земель по каждому виду (контуру карты агроэкологических групп и видов земель). Пригодность земель устанавливается по 6-ти категориям.

Далее, путем взаимного наложения полученных карт, формируют поля севооборотов, которые выделяются в пределах агроэкологических типов земель, и производственные участки в этих полях, которые отличаются от фоновых земель по определенным агроэкологическим параметрам и требуют специальных мероприятий.

В качестве программного обеспечения этого процесса используются программы ГИС "Панорама АГРО" и ГИС "Карта 2011".
Дальнейшее проектирование включает разработку систем севооборотов, пастбищеоборотов; систем обработки почвы, удобрения и защиты растений, системы машин. Затем разрабатываются пакеты агротехнологий для различных уровней интенсификации (экстенсивные, нормальные, интенсивные, точные).

Опыт проектирования точных (высокоинтенсивных) агротехнологий пока что ограничен. Отличительной особенностью проектирования точных агротехнологий от пропагандируемых зарубежных является ориентация на оценку структуры почвенного покрова и агроландшафта в АгроГИС, что не требует комбайнового учета урожайности и полнее отражает набор агроэкологических факторов. При этом дифференцированное внесение удобрений и мелиорантов осуществляется по производственным участкам, выделяемым в пределах поля в соответствии с электронными картами обеспеченности подвижными элементами питания, которые составляются с учетом структуры почвенного покрова.

Проекты адаптивно-ландшафтного земледелия завершаются эколого-экономическим обоснованием и сравнительным финансово-экономическим анализом вариантов структуры посевных площадей и агротехнологий. В основе финансово-экономического анализа лежит маржинальный подход, позволяющий объективно сравнивать эффективность различных агротехнологий.

Создание проекта адаптивно-ландшафтного земледелия сопровождается разработкой электронной книги истории полей в программе ГИС "Панорама АГРО". ГИС "Панорама АГРО" функционирует на основе клиент-серверной технологии. Она включает в себя все электронные карты АгроГИС, базы данных (БД) хозяйства и состоит из двух подсистем: агрономической и подсистемы мониторинга техники.

  • Агрономическая подсистема обеспечивает ввод, хранение, отображение и анализ сведений о посевных площадях и включает три блока: природно-ресурсный, фенологический и технологический.
  • Подсистема мониторинга техники обеспечивает ввод, хранение, отображение и анализ сведений о подвижных и стационарных объектах мониторинга.

В агрономической подсистеме ГИС "Панорама АГРО" целый ряд функций разработан ЗАО КБ "Панорама" по предоставленным нами алгоритмам, включая планирование оптимального размещения культур по производственным участкам с выбором вариантов технологий их возделывания. Оно осуществляется на основе электронных карт пригодности земель для возделывания конкретных культур. Отчет по структуре посевных площадей с пакетами агротехнологий, выгружается в Excel для выполнения финансово-экономического анализа, по результатам которого структура посевных площадей и технологические карты либо утверждаются, либо отправляются на доработку.

Для учета фактического выполнения агротехнологий в программе ГИС "Панорама АГРО" используется подсистема GPS/ГЛОНАСС мониторинга работы техники. Она позволяет своевременно отслеживать и учитывать фактическое выполнение работ и сравнивать их с плановыми задачами, осуществлять контроль объема и качества проведения полевых работ. Для управленческого учета денежных затрат данные о фактическом выполнении работ выгружаются в программу "1С: Предприятие 8. Бухгалтерский учет сельскохозяйственного предприятия", в которой подготавливается регламентная отчетность, либо в "1С: Предприятие 8. Комплексный учет сельскохозяйственного предприятия", позволяющую кроме того рассчитывать производственную себестоимость продукции на каждом производственном участке в любой момент времени, вести финансовое планирование, контроль и анализ. Все эти программы настраиваются заблаговременно опытными специалистами и затем передаются операторам в хозяйство для практической работы.

Сложившийся опыт агроэкологической оценки земель и проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия для крупных сельскохозяйственных предприятий в различных природно-сельскохозяйственных зонах и провинциях свидетельствует о необходимости разработки региональных агрогеоинформационных систем.

В советский период в качестве такого обеспечения служили различные научные рекомендации и их обобщения в виде "Зональных систем земледелия" и "Систем ведения сельского хозяйства", издававшихся для всех административных областей, краев, республик. Они служили методическим руководством для разработки проектов внутрихозяйственного и межхозяйственного землеустройства. В настоящее время создание подобных руководств также необходимо, но требования к их содержанию и форме значительно возросли, учитывая экологические ограничения и регламенты интенсификации.

Нами проводится разработка региональной ГИС агроэкологической оценки земель и проектирования агроландшафтов на примере Оренбургской области. Основу региональной АгроГИС составляют электронные карты в масштабе 1:100 000 включающих, в частности, карты:

  • природно-сельскохозяйственного районирования области;
  • геоморфологических условий;
  • агроклиматических ресурсов;
  • гидрогеологических и гидрологических условий;
  • структур почвенного покрова;
  • агроэкологических групп земель;
  • потенциальной урожайности сельскохозяйственных культур при экстенсивных агротехнологиях (потенциал естественного плодородия);
  • потенциальной урожайности сельскохозяйственных культур при интенсивных агротехнологиях (потенциал продуктивности при использовании современных достижений научно-технического прогресса);
  • качественных показателей продукции;
  • экономических показателей производства продукции растениеводства;
  • систем обработки почвы.

На основе региональных АгроГИС формируются модели адаптивно-ландшафтного земледелия применительно к различным агроэкологическим группам земель (плакорным, эрозионным, солонцовым и т.д.). В рамках адаптивно-ландшафтных систем земледелия разрабатываются пакеты агротехнологий для различных уровней интенсификации. Вся совокупность агротехнологий ранжируется в виде регионального регистра агротехнологий. Соответственно разрабатывается региональный регистр сельскохозяйственных машин.

Создание региональной электронной агрогеоинформационной системы, помимо ее предназначения для проектирования АЛСЗ, имеет важное значение для формирования региональной агротехнологической политики руководством области, планирования производства сельскохозяйственными предприятиями, решения задач оптимального размещения сельскохозяйственных культур и технологий их возделывания, оценки потенциальной урожайности и качества продукции, расчета потребности в производственных ресурсах и эффективности инвестиций на разных землях.
Литература

  • Кирюшин, В.И. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий / В.И. Кирюшин, А. Л. Иванов, В.П.Якушев и др/ Методическое руководство МСХРФ, РАСХН.–М., ФГНУ "Росинформагротех", 2005. – 784с.
  • Кирюшин, В. И. Агрономическое почвоведение / В. И. Кирюшин / М. КолосС, 2010.– С. 449–450.
  • Дубачинская, Н.Н. Адаптивно-ландшафтные системы земледелия на солонцовых землях Южного Урала /Н.Н. Дубачинская // Оренбург, ­2000.–332с.
  • Дубачинская, Н.Н.Оптимизация севооборотов и агротехнологий на малосолонцовых землях Южного Урала/ Н.Н.Дубачинская,А.С. Верещагина, В.А. Африн, С.Н. Дубачинский // Современные технологии в сельском хозяйстве. Материалы межд. науч.-практ. конф.– Оренбург, 2007. ­С.314–328