CC BY
113
УДК 528.8: 528.88
ИНФОРМАЦИОННАЯ ОЦЕНКА ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ
В. Н. Темников, канд. с.-х. наук
Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячкина, E-mail: [email protected]
Рассмотрены вопросы применения ГИС-технологий в агропромышленном производстве, возможности проведения мониторинга плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур. Разработана информационно-аналитическая система для хранения и оперативного обновления результатов агрохимического обследования почв земель сельскохозяйственных угодий.
Ключевые слова: мониторинг, геоинформационная система, плодородие, программные модули, электронный слой, карта.
Основная задача современного земледелия - сохранение и воспроизводство плодородия почвы, реализация её потенциальной продуктивности. Для успешного решения этой задачи необходима своевременная и достоверная оценка пространственно-временных параметров природно-антропогенных условий и процессов. В оценке почвенного плодородия важную роль играет мониторинг, включающий наблюдения за изменениями агрохимических показателей в пахотном слое почвы и их влиянием на формирование урожая сельскохозяйственных культур [1-3]. С помощью мониторинга можно определить потребность растений в элементах питания, составить прогноз и разработать оперативные меры предотвращения негатив-
ных почвенных процессов, наиболее рационально использовать средства химизации [4, 5].
Для эффективного осуществления мероприятий по повышению почвенного плодородия на основе агрохимического мониторинга весьма актуальна проблема сбора, обработки и анализа информации на основе ГИС-технологий, которые в настоящее время являются самыми перспективными информационными системами для управления и ведения мониторинга [1, 2, 6, 7].
Разработка и внедрение информационно-аналитических систем обеспечивает компактность хранения и оперативность обновления информации, повышает достоверность за счет однократного ввода и контроля данных, сокращает объем бумажных
Геоинс юрмационная система
Администрирование блока «Картография» Сканирование и векторизация картооснов Получение агрохимических картограмм
Банк агрохимических данных
Администрирование банка данных Ввод данных с бумажных и магнитных носителей Получение выходных форм
Рис. 1. Схема информационно-аналитической системы
носителей, а следовательно, и ручной труд специалистов при обработке, поиске и выдаче информации. Информационно-аналитические системы с функцией обмена данными между составляющими блоками позволяют наиболее полно и всесторонне анализировать состояние пахотных почв, получать выходные формы и прогнозировать потенциальные изменения плодородия почв сельскохозяйственных угодий [4, 8, 9].
Проведенные исследования включали изучение почвенного плодородия пахотных почв Европейской части Российской Федерации и разработку методики агрохимического мониторинга, как основу для планирования объемов внесения удобрений с использованием современных технологий. Для решения поставленных задач были обобщены результаты многолетних обследований пахотных почв нескольких областей Европейской части РФ, разработана и внедрена информационно-аналитическая система (ИАС), повышающая достоверность и оперативность обновления информации. Схема информационно-аналитической системы представлена на рис. 1.
Как показывают расчеты, ведение агрохимического мониторинга с использованием современных информационных технологий снизит более чем на 60 % затраты на обработку данных наблюдений, обеспечит повышение качества рекомендаций для землепользователей и сделает возможным адресное применение удобрений, что будет способствовать их экономии и улучшению агрохимического состояния пахотных почв [9-11].
Как основная составляющая ГИС, создание информационных слоев электронной карты и привязка атрибутивной информации к каждому из объектов слоя «Почвы», позволит воспроизводить различные варианты тематических закрасок карты, облегчающих визуальную оценку преобладания элементарных ареалов с теми или иными наборами агроэкологических параметров. Созданный электронный архив картографических моделей и атрибутивной информации о пахотных почвах можно использовать при проведении кадастровых и землеустроительных работ, внедрении современных систем земледелия, планировании и распределении минеральных удобрений, а также размещении сельскохозяйственных культур [11, 12].
ГИС состоит из ряда программных модулей: конвертер графических форматов; классификатор объектов; редактор условных точечных знаков; редактор стилей заполнения; векторизатор; сортировщик объектов; интеграторы данных; копировщик данных; конвертеры цифровых данных, обеспечивающих реализацию всех необходимых функций от ввода растровых изображений до вывода цифровых топографических карт и планов. Цифровая карта организуется как множество слоев, которые являются типом цифровых картографических моделей, построенных на основе объединения данных, имеющих общие свойства или функциональные признаки.
Формирование тематических слоёв карты включает несколько самостоятельных слоёв, каждый из которых содержит большое число типов объектов. Объекты в слои
собраны по признаку некоторого эмпирического родства. Всего в списке объектов присутствуют все типы, которые встречаются в материалах Роскартографии. Электронная версия карты реализуется средствами программного продукта. Основной слой карты содержит множество региональных элементов, каждый из которых соответствует одному элементарному ареалу (ЭАЛ) с одинаковыми агроэкологическими параметрами.
При формировании информационных слоев карты для однозначной идентификации каждому отдельно взятому ЭАЛ на электронной карте присваивается уникальный номер и набор информационных полей, характеризующих каждую конкретную точку. В информационных полях содержится полная информация об агроэкологичес-ких параметрах элементарного ареала [13].
Структура информационной базы: 1 - номер точки, 2 - содержание гумуса, 3 - содержание подвижных форм фосфора, 4 - содержание обменных форм калия, 5 - кислотность (рН), 6 - содержание обменных форм кальция, 7 - содержание обменных форм магния, 8 - содержание серы, 9 - гидролитическая кислотность, 10 - сумма подвижных оснований, 11 - нитратный азот, 12 - гранулометрический состав.
Такой набор характеристик элементарных ареалов на ГИС-карте позволяет с разных позиций анализировать пригодность вы-
бранной посевной территории для той или иной сельскохозяйственной культуры.
Подробное многокомпонентное картирование агроландшафта позволяет идентифицировать по сочетанию различных признаков более тысячи элементарных почвенных ареалов. Последние, в свою очередь, комплектуются в агроэкологические типы земель для научно обоснованного размещения сельскохозяйственных культур и наиболее оптимального уровня технологии.
Испытания и внедрение созданной системы в деятельность агрохимслужбы показали, что система не только предоставляет большие возможности хранения и обработки информации по агрохимическим показателям плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур, но и служит мощным инструментом для обоснованного и целесообразного принятия решений при планировании использования агроэкологи-ческих ресурсов территории.
Одно из достоинств цифровых картографических моделей - это большая наглядность и точность представления информации, достигаемая созданием большого числа тематических карт. Электронные карты созданы для визуального восприятия динамики агрохимических показателей пахотных почв по каждому земельному участку. Каждая электронная карта имеет базу данных, содержащую соответствующую тематике карты информацию по
1981 г. 2002 г.
Рис. 2. Динамика изменения площадей сельскохозяйственных угодий по степени кислотности почвы
каждому почвенному ареалу. Например, база данных электронной карты кислотности почв содержит номер земельного участка, площадь, индекс и полное название почвенной комбинации, уровень кислотности. В легенде карты приведены принятые группировки показателей для данных типов почв, площади. Все электронные карты имеют единую систему координат, привязанную к плану внутрихозяйственного землеустройства (рис. 2).
Проведенный анализ и оценка динамики и современного состояния агрохимических показателей почв обследуемых территорий выявили пространственную пестроту почвенного плодородия и наличие тенденции его снижения.
Так, например, коэффициенты вариации по содержанию гумуса 2...7 %, подвижного фосфора и обменного калия - 11.30 %. Урожайность сельскохозяйственных культур в большинстве случаев повторяет тенденцию изменения показателей плодородия почвы.
Естественно, что в условиях выявленной почвенной пестроты необходима разработка и внедрение технологий дифференцированного внесения удобрений с учетом различия в плодородии почвы внутри поля. Машины для дифференцированного применения агрохимических средств должны быть оборудованы борт-компьютерами и навигационными приборами, работающими синхронно и обеспечивающими точное внесение запрограммированных доз на каждый участок поля в соответствии с его почвенными характеристиками или состоянием посева.
Технологическая схема дифференцированного внесения удобрений состоит в регулировании и изменении их доз по ходу движения машины по полю в соответствии с изменением агрохимических характеристик почвы, что реализуется при «считывании» заложенной в борт-компьютер программы, т. е. сканировании электронной карты поля, на которой вместо агрохимических показателей закодированы дозы того или иного вида удобрения. Это считывание автоматически производится с помощью прибора, определяющего географическое положение (координаты) машины на поле по сигналам локальных или глобальных навигационных спутниковых систем. При работе агрегатов электрические импульсы (сигналы) борт-компьютером передаются на исполнительные механизмы, которые приводят в действие рабочие органы машин для выполнения заданной программы внесения удобрений. Аналогично
осуществляется подкормка или обработка посевов пестицидами, но уже по картограммам их фенотипического или фитоса-нитарного состояния.
Машина с электронно-механическим устройством управления дозами разработана нами на базе шеренговой зернотуковой сеялки СЗ-3,6Ш и предназначена для дифференцированного координатного внесения основной дозы твердых минеральных удобрений для Геоинформационной системы (ГИС) в зависимости от неоднородности поля по питательным веществам.
Процесс дифференцированного внесения твердых минеральных удобрений полностью автоматизирован. Тракторист запускает программу, записанную на чип. После начала движения тракторист не выполняет никаких дополнительных действий по управлению и контролю над дозированием. Он только опускает агрегат в начале прохода и поднимает по его завершении. При движении трактора по полю компьютер считывает данные электронной карты, по датчику пути определяет местоположение трактора и в соответствии с ним осуществляет дифференцированное внесение удобрений. При этом трактор должен двигаться в соответствии с заданной координатной сеткой.
Опыт дифференцированного применения удобрений в нашей стране пока не вышел за рамки эксперимента, однако уже первые результаты по моделированию дифференцированного внесения удобрений, проведенные в 2006-2009 г. ВНИИ механизации агрохимического обслуживания сельского хозяйства, показали, что эта технология способна снизить затраты удобрений до 30 % без ущерба для урожайности.
Литература
1. Методика проведения мониторинга плодородия земель с использованием ГИС-технологий и данных дистанционного зондирования / М. М. Овчаренко, В. Н. Темников, Н. Н. Мельник, Д. А. Лепенков и др. -М.: МСХ РФ, 2008. - 125 с.
2. Темников, В. Н. Система дистанционного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения / В. Н. Темников, А. В. Столпаков, Д. И. Рухович
3. Степанов, М. Использование ГИС-тех-нологий для обработки материалов агрохимического обследования почв / М. Степанов, С. Ю. Есбатырова // Плодородие. -2008. - № 5(44). - С. 1-2.
4. Веселовский, А. В. ГИС-технологии и проблемы геоинформатики. Географические информационные системы научного
центра «минерал» / А. В. Веселовский // Вестник ОГГГГН РАН. - 1999. - № 1(7) -С. 54-61.
5. Дышленко, С. Г. Построение корпоративных ГИС на основе банка пространственных данных / С. Г. Дышленко // Геопрофи. - 2010. - № 1. - С. 13-17.
6. Волков, А. М. Определение спектральных характеристик природных объектов на полигонах и вопросы эффективности космических систем / А. М. Волков. - М.: Гид-рометиздат, 1985. - 120 с.
7. Борзов, А. Ю. Сравнительная оценка различных методов трансформирования растрового изображения / А. Ю. Борзов // Геопрофи. - 2010. - № 5. - С. 23-29.
8. Соколова, И. А. Методика структурирования данных для информационного моделирования геологической среды / И. А. Соколова // Геопрофи. - 2007. - № 6. -С. 14-19.
9. Парахин, С. В. Разработка информационной системы управления аграрным производством на основе ГИС «Карта 2005» /
С. В. Парахин // Геопрофи. - 2007. - № 3. -С. 49-53.
10. Мельников, В. А., Опыт создания тематических карт и диаграмм средствами ГИС «Карта 2005» / В. А. Мельников, А. Г. Ми-лованов, А. Н. Проскурнин // Геопрофи. -
2006. - № 4. - С. 27-31.
11. Демиденко, А. Г. Построение агрономической ГИС / А. Г. Демиденко, А. В. Трубников, И. В. Слива // ГЕОМАТИКА. - 2009. -№ 2. - С. 59-61.
12. Демиденко, Р. А. Построение систем учёта земель сельскохозяйственного назначения / Р. А. Демиденко, В. А. Железняков // Инженерные изыскания. - 2009. -№ 11. - С. 23-27.
13. Мокин, В. Б. Новый подход к созданию унифицированной информационно-справочной подсистемы ГИС мониторинга окружающей среды / В. Б. Мокин, Е. Н. Кры-жановский, Ю. М. Коновалюк, Д. Ю. Куле-мин // Научные труды Винницкого национального технического университета. -
2007. - № 1. - С. 65-71.
