CC BY
57
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА
АГРОНОМИЯ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
ЛОГИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АГРОЛАНДШАФТНЫХ КАТЕН AGROLANDSCAPE CATENAS LOGISTIC ANALISYS A.C. Рулев, доктор сельскохозяйственных наук
ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации
г. Волгоград
О. В. Рулева, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Российский Государственный торгово-экономический университет
г. Волгоград
A.S. Rulev
All-Russian scientific-research institution of agrosilviculture
O.V. Ruleva
Russian State commercial and economical university
Представлены материалы по описанию агроландшафтных катен разного пространственного уровня с помощью уравнения логистической функции. Исследования проведены на склоновых катенах и на микрокатенах межполосных агроэкосистем орошаемых агролесоландшафтов Заволжья.
Materials on agrolandscape catenas of different spatial level with the help of logistic function equation are presented in the article. The researches are carried out on hillside catenas and on microcatenas of interstrip agroecosystems in Zavolzhje area irrigated agricultural afforestation landscapes.
Ключевые слова: агроландшафт, катена, эрозионный процесс, логистический анализ.
Key words: agrolandscape, catena, erosion process, logistic analisys.
Впервые концепция катены была предложена в почвоведении [1]. Под катенарным комплексом понимается последовательность почвенных разновидностей, сформировавшихся, как правило, на одних и тех же материнских породах, но при различных высотных уровнях, уклонов рельефа и неодинаковых характеристиках стока воды. Склоновая дифференциация поверхностного стока представляет одну из важнейших причин закономерного изменения морфологического строения почвенных профилей на топокатене. Постепенно понятие катена стало более объемным: к почвенно-гидрологическому наполнению термина прибавилось почвеннокартографическое, почвенно-геоморфологическое, ландшафтное. Объекты исследования, в которых выступают не отдельные почвы, а сочетания их разновидностей, приурочены к разным формам, типам материнских пород или растительности, т.е. хроноряды педокатен, педолито комбинаций и педофитокомбинаций [2].
Усилиями ландшафтных экологов склоновая динамика почв стала рассматриваться во взаимосвязи с динамикой биоты [3]. Для моделирования динамики процессов наиболее адекватна логистическая функция, т.к. форма склоновой катены аппроксимируется с высокой точностью (не менее 5 %) [4]. Сравнительно недавно в экологии уравнение логистической функции (лог-функция, ЛФ) рассматривалась в качестве основного закона динамики биологических популяций [5]. В настоящий момент ЛФ широко применяется в биоэкологических исследованиях как одна из моделей описания популяционной динамики, средствами которой удобно получать феноменологическое описание кривых роста популяций, существующих в относительно постоянных внешних условиях. В ландшафтной экологии [6, 7] используется логистическая кривая для определения мощности показателей
допустимых, предельно допустимых, критических и катастрофических нарушений (норма, риск, кризис, бедствие) антропогенной нагрузки на экосистемы. В агролесомелиоративных исследованиях ЛФ впервые использовал Е.А. Гаршинев [8] при формализации функции формы склонов.
Логистическая функция была выбрана не случайно для аналитического описания столь различных процессов, происходящих на склоновых агроладшафтных катенах. Во-первых, она удовлетворяет априорным представлениям о процессах, происходящих в катенарном комплексе, на разных пространственных уровнях топо-, мезо-, макро- и гигакатенах во временном аспекте. Во-вторых, с помощью ЛФ сравнительно легко вычисляются первая и последующие производные, которые используются для описания дальнейшего состояния и динамики объектов. Кроме того, ЛФ дает удовлетворительное приближение при относительно малом числе подбираемых параметров или адекватно аппроксимирует процессы и явления.
Методика
На основе катенарного подхода была разработана новая классификация агроландшафтных единиц, которая синтезировала позиционно-динамический подход к выделению ландшафтных территориальных структур [9] и классификации земель по А.С. Козменко [10, 11].
Критерии выделения ландшафтных полос представлены в таблице 1.
В границах ландшафтных полос выделены фациальные комплексы по экспозиции и литологии почвогрунтов.
Таблица 1 - Критерии выделения ландшафтных полос
Агроландшафтные полосы Длина склонов, мх-* Крутизна склонов, градусы Степень эродированности почв
Водораздельная Приводораздельная Присетевая Г идрографическая суходольная Г идрографическая речная 200...300 300...600 600...800 800...900 900...1500 0...0,5 0,5...3 3...7(8... 10) 10... 20(35) 0...1,5 практически отсутствует слабая средняя, сильная, очень сильная слабая, средняя, сильная, очень сильная практически отсутствует
х) - ориентировочно длина от водораздельной линии
Предлагаемые критерии на основе сопряженного анализа картографоаэрокосмической информации позволяют определить местоположение и степень эродированности земель.
Большинство критериев ухудшения свойств почв надежно опознаются по аэрофотоснимкам (АФС) по рисунку и тону фотоизображения и приуроченности их к формам рельефа.
Логистическая функция использована в математико-картографическом моделировании оценки степени смытости почв по данным дешифрирования АКФ. С помощью ЛФ были проанализированы многолетние данные Т.П. Сурмача [12] по зависимости урожайности сельскохозяйственных культур со степенью смытости почв:
т/ ~ тах 17 тт . т/
- в натуральных величинах - У ф =--------------т-----1- УШщ ,
1 + е х
- в относительных (нормированных) - УА =
У -У
47 ™ах 47 п
+ еа+Ьх У,-У,
-а+Ьх ’
где Уф, УД, Утах, УтЫ - соответственно фактическая и нормированная, максимальная и минимальная урожайность сельскохозяйственных культур; х - степень смытости 0,0001... 1,0 почв; е - основание натуральных логарифмов; анЬ -параметры, определяющие наклон, изгиб и точку перегиба кривой.
Компьютерная обработка показала весьма высокую точность приближения расчетных данных к фактическим с относительной ошибкой в несколько процентов. Кроме того, лог-функция была применена для аппроксимации роста сельскохозяйственных культур в системе лесных полос в орошаемых агроландшафтах Волгоградского и Астраханского Заволжья.
Межполосные агроэкосистемы представляют собой микрокатены, фациальная структура которых определяется двух-, трехчленным комплексом почвенно-растительного покрова [13].
Для получения аналитического описания влияния лесных полос на развитие сельскохозяйственных растений использовалась компьютерная программа корреляционно-регрессионного анализа. Биометрические показатели нормировали, приводили и выражали в относительных единицах, где продолжительность вегетации t = 1 и максимальная высота растения Нтах = 1.
Результаты и обсуждение
Дешифрирование аэрофотоснимков позволяет ранжировать степень смытости почв, которая напрямую коррелирует со снижением биопродуктивности земель на склоновых агроландшафтных катенах. Эти интегральные показатели позволяют оценивать уровень деградации агроландшафтов.
При этом достоверно можно выделить три уровня экологической деградации агроландшафтов, которые отделяют зоны экологического бедствия от менее глубоких и обширных нарушений зон риска и кризиса.
Связь у(х) урожайности со смытостью почв описывается логистической функцией (в нормированных величинах) с параметрами а = 3,47849; Ъ = 5,9481296; х = 0,00001... 1,0 для почв легкого, среднего и тяжелого гранулометрического состава. Формальное разбиение этой зависимости производилось путем анализа производных логистической функции. Логистическая кривая имеет точку перегиба, соответствующую максимуму первой производной, в момент перехода возрастающей скорости процесса в убывающую. Первая производная характеризует скорость процесса убывания урожайности. Вторая производная от функции характеризует ускорение процесса (изменение скорости убывания урожайности). В точке перегиба функции у(х) вторая производная равна нулю. Она достигает максимума и минимума в точках перегиба функции у’(х). Для вычисления значений экстремумов находят третью производную, которая в экстремальных точках обращается в нуль.
Анализ логистической функции связи урожайности со смытостью почв позволил выявить, что минимум первой производной ёу/сЬс соответствует координате у(хс) - центру зоны кризиса, или зоны критических нарушений, максимум второй производной <£у/с!х2 соответствует координате у(хТ) - центру зоны бедствия, а минимум - последней координате у(хц) - зоне риска.
На основании уравнения ЛФ была описана связь урожайности сельскохозяйственных культур с такими почвенными индикаторами, как мощность горизонтов А+В1 и запасы гумуса [14]. Количественные значения границ зон нормы, риска, кризиса и бедствия приведены в таблице 2.
Для описания роста кукурузы за период вегетации формула имела вид:
#та* - я.
1 + е‘
и ____ тах тт _і_ и
Пр , Тя™»>
где Н^,, - высота растения в начале вегетации, см (при Г = О, = 0); Нтах - максимальная высота растения, см; Г - число дней
вегетации; е-основание натуральных логарифмов; анЬ- константы, определяющие наклон, изгиб и точку перегиба кривой.
Таблица 2 - Изменение ЛФ урожайности в зависимости от уровня эрозионной деградации чернозема южного среднего и тяжелого гранулометрического состава
Зоны экономи ческих нарушен ИЙ Калачевская возвышенность Медведицкие яры Урожа й- ность, ц/га
мощность горизонта А+В, см запас гумуса, т/га мощност ь горизонт а А+В, см запас гумуса, т/га
Норма Риск Кризис Бедствие 43,0-34,5 34.5-24,5 24.5-12,5 <12,5 290,0-232,5 232.5-161,5 161.5-79,5 <79,5 39,0-31,5 230,0-184,1 20,0- 18,0
31,5-21,5 184,5-128,0 18,0- 14,5
21,5-16,5 128,5-62,5 14,5-6,5
<16,5 <62,5 <6,5
В относительных единицах период вегетации принимали равным единице, дни выражали в ее долях.
Нл =
Н-Н1
тт —
' тах тт
При Нтіп 0 11 }
1 + се
Н
-Ьт
Н 1 + се~Ьт
тах 1 '
Скорость роста (приращение по высоте кукурузы в зависимости от расстояния до ЛП) определяли как первую производную логистической функции.
Лесные полосы положительно влияют на развитие всех гибридов кукурузы: ВИР -156ТВ, Днепровского 98МВ, Югославского УС-183, американского «Элора». Описав их функционально, выяснили также, что рост всех сортов первой группы спелости (позднеспелых) и второй (среднеспелых) на разном расстоянии от лесных полос подчиняется одной закономерности - логистической.
Таким образом, на основании уравнения логистической функции были аналитически описаны такие интегральные показатели как смытость почв и биопродуктивность в агроландшафтных катенах различного пространственного уровня.
Библиографический список
1. Грегори, К. География и географы [Текст]/К. Грегори. - М.: Прогресс, 1988. - 384 с.
2. Лисецкий, Ф.Н. Пространственно-временная организация агроландшафтов [Текст] / Ф.Н. Лисецкий. - Белгород, 2000. - 302 с.
3. Мордкович, В.Г. Степные катены [Текст] / В.Г. Мордкович, Н.Г. Шатокина, А.А. Титлянова. - Новосибирск: Наука, 1985.- 117 с.
4. Гаршинев, Е.А. Применение логистической функции как универсальной зависимости для описания продольного профиля склонов разной формы [Текст] / Е.А. Гаршинев // Бюлл. ВНИАЛМП. - Волгоград, 1987. - Вып. 3(52). - С. 51-54.
5. Федоров, В.Д. Экология [Текст] /В.Д. Федоров, Т.Г. Гильманов. - М.: Изв. Москов. ун-та, 1980. - С.189-190.
6. Виноградов, Б.В. Логистический подход к нормированию показателей экологического состояния [Текст] / Б. В. Виноградов, В. В. Шакин // Оценка качества окружающей среды и экологическое картографирование. - М.: 1995. -С. 73-74.
7. Рулев, А.С. Теоретические основы и методология агролесомелиорации деградированных ландшафтов [Текст]: автореф. дис. ... докт. с.-х. наук / Рулев Александр Сергеевич. - Волгоград, 2002. - 48 с.
8. Гаршинев, Е.А. Эрозионно-гидрологический провес и лесомелиорация [Текст] / Е.А. Гаршинев. - Волгоград: ВНИАЛМП, 1999.- 196 с.
9. Типы ландшафтных территориальных структур [Текст] / Г.И Швебс [и др.] // Физическая география и геоморфология. -Киев: Изд-во Киевского гос. ун-та, 1986. - Вып. 33. - С. 109-115.
10. Козменко, А.С. Основы противоэрозионной мелиорации[Текст] / А.С. Козменко. - М.: Сельхозгиз, 1954. -421 с.
11. Козменко, А.С. Борьба с эрозией почв на сельскохозяйственных угодьях [Текст] / А.С. Козменко. - М.: Сельхозиздат, 1963. -208 с.
12. Сурмач, Г.П. Работы Новосильской агролесомелиоративной опытной станции им. А.С. Козменко по противоэрозионной мелиорации [Текст] / Г.П. Сурмач, Е.А. Гаршинев, В.А. Сухов // Сб. раб. Новосильской зональной агролесомелиоративной опытной станции. - Орел, 1972. - Вып. 11. - С. 11-12.
13. Николаев, В.А. Ландшафтный экотон в Прикаспийской полупустьше[Тексг] /В.А. Николаев, ИВ. Копыл,Г. В. Линдеман // Вестн. Моск. ун-та, сер. 5. Геогр. -1987. -№2. - С. 34-39.
14. Почвы Волгоградской области. - Волгоград, 1970. - С. 22-25.
E-mail: vnialmi@avtlg.ru
