CC BY
373
5. Овчинникова М.Ф. Гумусовое состояние и биопродуктивность дерново-подзолистых почв разной степени окультурен-ности // Почвоведение. - 2002 г. - № 4. - с. 50-58.
6. Панников В.Д. Агротехника и погода. М.: Знание. - 1986. - 63 с
7. Сиротенко О.Д. Оценки влияния ожидаемых изменений климата на сельское хозяйство Российское Федерации //Метеорология и Гидрология. - 2006. - № 8. - С. 92-100.
8. Агроклиматические ресурсы Пермской области /Под общей редакцией Е.В.Григорчук. - Л.: Гидрометеоиздат, - 1979.
- 156 с.
CLIMATE CHANGES EFFECT ON GRAIN CROPS YIELDS IN PERM REGION A.I. Kosolapova, M.T. Vasbieva
Summary. Climatic parameters analysis in Perm region over the last 53 years revealed that average daily air temperature had risen by
0,6 °C, rainfall sum - by 64 mm during the growing season. Climate in Perm region became more variable. Significant drops of daily air temperature ( 10-15 ° C ) and rainfall sum during the growing season are marked. Climate change makes significant impact in grain crops productivity. Positive correlation between grain crops yields, average daily air temperature and precipitation sum was estimated: r1 = 0,68; r2 = 0,65.
Key words: climate, average daily air temperature, precipitation, hydrothermal coefficient, agroclimatic region, grain crops yield.
УДК: 631.4
ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ЗЕМЕЛЬ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АДАПТИВНО-ЛАНДШАФТНЫХ СИСТЕМ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
Л.Г. СМИРНОВА, доктор биологических наук, зав. лабораторией
А.Г. НАРОЖНЯЯ, аспирант Ю.Л. КРИВОКОНЬ, аспирант А.А. ПЕТРЯКОВА, аспирант Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии E-mail: [email protected]
Резюме. Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия должно начинаться с агроэкологической оценки земель, которая предполагает получение достоверных данных об их качестве. Имеющиеся подходы анализа, предусматривающие проведение дополнительных расчетов и построение гипсометрических профилей, не отвечают современным требованиям, зачастую носят субъективный характер. Применение ГИС-технологий формирует информационную основу для ландшафтно-экологического анализа территории хозяйства. Их использование при агроэкологической типизации земель позволяет значительно сократить время на проведение оценки, а также получать пространственную информацию об агроландшафтах и количественно оценивать распределение данных в пределах рабочих участков. С помощью формул, адаптированных для программы ArcInfo, мы построили агроэкологические карты территории землепользования на примере крестьянского хозяйства. Оценка, проведенная на основе созданных картосхем крутизны склонов, экспозиции склонов, типов склонов и модуля смыва почвы, показала, что территория имеет плакорный и склоновый типы местности, которые изрезаны линейными эрозионными формами. Преобладают уклоны от 0 до 3° (88 %), на склоны крутизной 3...5° приходится 10 % исследуемой территории. На картосхеме потенциального смыва почвы, построенной по уравнению Уишммейера-Смита, видно, что в приводораздельной части склона модуль смыва не превышает 2,5 т/га. Ниже к балке он увеличивается до 15 т/га, что соответствует средней эрозионной опасности. Преобладающие типы изученных склонов
- поперечно-выпуклые продольно-выпуклые и поперечновыпуклые продольно-вогнутые, что предполагает контурное размещение линейных элементов.
Ключевые слова: геоинформационные системы, агроэколо-гическая оценка земель, цифровая модель рельефа, контурное размещение, базовые линейные элементы территории.
Сегодня сельскохозяйственное производство зависит от уровня интенсификации, наукоемкости и обеспеченности современными производственными ресурсами. Основное условие стабильного развития отрасли - сохранение, воспроизводство и рациональное использование плодородия почвы. В связи с этим необходимо освоение адаптивно-ландшафтных систем земледелия, базирующихся на системе агроэкологической оценки, основанной на выделении групп земель, представляющих собой «агроэкологическую общность, функционирование которой происходит в единой цепи миграции вещества и энергии» [1].
Основные факторы сельскохозяйственного землепользования характеризуются высоким природно-хозяйственным разнообразием. Для разработки картографических моделей пространственных закономерностей распределения агроэкологических условий используют возможности геоинформационных технологий. Это позволяет на начальном этапе проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия получать оценочные показатели состояния агроландшафта. Исходную информацию нужно четко формализовать, структурировать и представить в виде стандартного пакета рамочных тематических баз данных и типовых электронных карт.
Однако сегодня землеустроительные организации используют ГИС лишь в целях векторизации и расчета площадей. Тогда как в них скрыты большие возможности геоанализа, позволяющие значительно сократить затраты времени на его проведение. К сожалению, методики применения таких технологий в целях агроэкологической оценки и типизации для широкого круга пользователей практически отсутствуют. Имеющиеся подходы анализа по профилям занимают много времени и практически не реализуются.
Поэтому цель наших исследований - разработка методов геоинформационного анализа для проведе------------------------------------------- 11
ния агроэкологической оценки земель (на примере типичного фермерского хозяйства в лесостепной зоне).
Условия, материалы и методы. Агроэкологиче-ская оценка земель возможна с помощью пакета ArcInfo программы ArcGIS Desktop, который содержит набор интегрированных приложений. Для ее проведения мы выбрали фермерское хозяйство «Меркурий», которое расположено в северо-восточной части Шебекинского района Белгородской области. Административно-хозяйственный центр находится в селе Булановка. Расстояние до районного центра г. Шебекино - 55 км, до ближайшей железнодорожной станции Нежеголь - 60 км, до областного центра г. Белгорода - 90 км [2].
Общая площадь земель, закрепленных за ФХ «Меркурий», 271,1 га, из них 246,8 га (91,04 % от общей площади) - пашня. Доля пастбищ невысока (7,93 %) - в основном это территории, которые расположены вдоль балок и не используются для выращивания сельскохозяйственных культур. В пределах землепользования находится сад, который занимает 1,8 га, или 0,66 % от общей площади. Под улицы и постройки отведен 1 га.
В структуре посевных площадей наибольшая доля приходится на зерновые культуры - 44,5 % от площади пашни, в том числе озимые 23,9 %, яровые - 20,6 %. Технические культуры занимают 38,1 %, в том числе соя - 20,7 %, подсолнечник - 17,4 %. В хозяйстве используют чистые пары (17,4 % от площади пашни). Урожайность зерновых в ФХ «Меркурий» - 29 ц/га, в том числе озимой пшеницы - 35 ц/га, ячменя - 23 ц/га, гречихи - 15 ц/га, сои и подсолнечника - соответственно 10 и 20 ц/га. По большинству культур она выше среднерайонной.
В хозяйстве вносят 22 т д.в. минеральных удобрений и 650 т органических удобрений, в расчете на 1 га пашни приходится 2,6 т органических удобрений, тогда как для воспроизводства почвенного плодородия необходимо не менее 7 т. Землепользование ФХ «Меркурий» состоит из нескольких участков. Удельный показатель кадастровой стоимости земель в его границах составляет от 1,94 до 5,03 руб./м2.
Территория ФХ «Меркурий» расположена в пределах Средне-Русской возвышенности. Рельеф представляет полого-волнистую равнину, которая расчленена густой, глубоко врезанной овражно-балочной сетью с многочисленными отвершками.
Почвенный покров территории хозяйства представлен черноземами с преобладанием черноземов типичных среднегумусных среднемощных глинистых и черноземов типичных малогумусных маломощных слабосмытых и среднесмытых глинистых (168,5 га); на черноземы выщелоченные приходится 44,2 га.
Рис. 1. Территория исследуемого хозяйства ФХ «Меркурий» : В - полевой севооборот; Ш - зернотравяной севооборот; □ - сад.
Компактно расположенные участки фермерского хозяйства находятся в южной части территории ЗАО им. Чапаева и составляют 212,7 га (рис. 1). Эта группа земель представляет собой агроэкологическую общность, пространственно характеризуемую геосистемой, связанной единой цепью миграции вещества и энергии.
На первом этапе агроэкологической оценки территории мы создавали векторные слои (рис. 2) с использованием имеющегося картографического обеспечения (фондовые материалы ОАО «Белгородземпроект» - почвенная карта, проект внутрихозяйственного землеустройства 2010 г.; топографические карты М 1:10000 с сечением горизонталей 2,5 м, космический снимок со спутника Landsat5).
Все последующие карты (см. рис. 2), необходимые для агроэкологической оценки, строили с использованием автоматизированных процедур геообработки, позволяющих проводить качественный и количественный анализ территории за короткий промежуток времени. На основе векторных слоев «Рельеф» и «Угодья» с использованием инструмента «TopoToRaster» программы Агс1^о создавали гидрологически корректную цифровую модель рельефа, на основе которой проводили его морфометрический анализ. Для автоматизации процесса применяли инструменты <^ра^а1Апа^>>. В результате получали такие показатели, как крутизна, экспозиция, форма и длина склонов.
Агроэ кологическая оценка
Создание векторных слоев
1
Слой «Угодья»
(площадной)
Слон «Рельеф»
(I очечные, линейные)
Слон
«Почвенный покров»
(ПЛОЩАДКОЙ)
Сочдание гндрологнчески-корректной цифровой модели рельефа
Картосхема Картосхема Картосхема Картосхема
кривишы экспозиции длины кр> тичны
склонов склонов склонов склонов
Создание синтетических агрозкодоїичсских карт
Картосхема типов склонов
Картосхема
влагообеспе-
ченности
------1-------
Картосхема
теплообеспс-
чснностн
------1------
Картосхема модуля смыва почвы
Принятие решения об органи іации аі роландшафта
Рис. 2. Схема проведения агроэкологической оценки земель.
На следующем этапе, используя возможности «Калькулятора растра», по разработанным формулам строили синтетические агроэкологические карты: потенциального смыва почвы,распределения влаго- и те-плообеспеченности. Для определения потенциальной опасности эрозии почв использовали так называемое универсальное уравнение потерь почвы (УУПП), или уравнение Уишммейера-Смита:
W = (0,224) Я^СР, (1)
где W - среднегодовой модуль потерь почвы (кг/ м2); Я - фактор эродирующей способности дождя; К -фактор эродируемости почвы; LS - фактор рельефа, причем L - фактор длины склона, S - фактор уклона;
С - фактор севооборота (агротехники); Р - фактор почвозащитных мероприятий. Для построения карты по выражению (1) в среде Агс^о были дополнительно построены растровые карты указанных параметров.
Необходимо отметить, что в результате автоматизированной агроэкологической оценки получают информацию не по отдельным профилям, а пространственно распределенную, где каждый пиксель принимает свое значение. Это позволяет формировать непрерывные ряды данных о ландшафте и количественно оценивать распределение получаемой информации в пределах рабочих участков.
результаты и обсуждение. Работу по агроэколо-гической оценке начинали с формирования цифровой модели рельефа, полученной в процессе геообработки ранее созданных векторных объектов, содержащих соответствующую информацию. Это дает возможность представить исследуемую территорию в трехмерном пространстве. На ней хорошо видны линейные формы эрозии: балки и промоины. В объёмном пространстве выделяются геоморфологические части рельефа (плакорные и склоновые), видны границы их перехода. Проявления склоновой микрозональности отмечаются изменением тональности цвета (рис. 3).
рельефа. На склоны крутизной 3.. .5° приходилось 21,7 га, или 10,18 %, 5.7° и более - 4,2 га, или около 2 % (рис. 4).
рис. 3. Цифровая модель рельефа исследовательского полигона.
Трехмерное изображение рельефа дает представление о том, что территория землепользования расположена на прибалочном склоне, изрезанном глубокими промоинами. С учетом анализа других показателей можно увидеть особенности рельефа и рассмотреть первоначальные варианты проектирования линейных рубежей.
Важнейшие характеристики рельефа, от которых зависят микроклиматические и геохимические условия элементарного ареала агроландшафта (ЭАА), сток и эрозия почвы, - крутизна, форма, экспозиция, длина склонов и их расчлененность. Морфометрический анализ рельефа, проведенный для каждого рабочего участка, позволил получить экспликацию их распределения по уклонам (табл. 1).
На изучаемой территории преобладали склоны крутизной от 0 до 3° (87,82 %), занимающие верхнюю часть
Рис. 4. Картосхема крутизны склонов: В - 0...10; Ш-2...3;Е-3...5;^-5...7;^-более 7°.
Используя методы автоматизированного морфометрического анализа цифровой модели рельефа, была построена картосхема экспозиций склонов (рис. 5). Ее анализ с применением геоинформационных методов позволил получить экспликацию рабочих участков по экспозиции (табл. 2), согласно которой большая часть хозяйства расположена на теплых склонах южной, юговосточной и юго-западной экспозиций - 154,4 га (73 %). На склоны западной и северо-западной экспозиций приходится 53,5 га (25 %). К северным, северо-восточным и восточным склонам относятся 4,82 га (2 %).
Рис.5. Картосхема экспозиции склонов: Ш- северо-восточная; В - восточная; 53- юго-восточная; В - южная; Ш - югозападная ; В - западная; И - северо-западная; Ш - северная.
Использование функций программы Агс^о позволило по данным цифровой модели рельефа построить карты плановой и профильной кривизны, интегральный анализ которых дает возможность выделять формы склонов, согласно классификации [3]. На исследуемой
Сево- Рабочий Уклоны, град. Итого
оборот участок 00 1 1 10 2 20 3 1 30 5 1 50 7 >7
I 2 0,32 8,2 3,7 0,86 0 0 13,08
1 11,24 6,42 5,53 1,78 0 0 24,97
II 1 20,22 17,63 11,03 1,84 0,18 0,02 50,92
III 1 12,36 11,97 12,78 1,6 0,06 0,06 38,83
IV 1 17,52 20,68 2,66 0,16 0 0 41,02
1зт 1 0 0,1 2,49 1,91 0,14 0 4,64
Изт 1 0 1,55 4,95 1,46 0,06 0 8,02
Шзт 1 0 1,29 5,63 2,22 0,64 0,07 9,85
^зт 1 0 0,28 2,97 4,92 1,18 0,46 9,81
сад 0 0,08 2,45 2,37 0,48 0,21 5,59
спорный участок Итого 0 61,66 0,58 68,78 2,19 56,38 2,55 21,67 0,43 3,17 0,24 1,06 5,99 212,72
перечно-выпуклые (II тип) и поперечно-вогнутые (III тип) типы склонов, продольновыпуклые (С) и продольновогнутые (В) подтипы (рис. 6). Для них характерно криволинейное, то есть контурное размещение элементов территории. По эрозионной опасности II тип (рассеивающий сток) менее опасен, чем III тип (собирающий сток).
Картосхема типов склонов
на исследуемой территории показывает, что необходимо проектирование контурных линейных элементов, конфигурации которых определяется характером поперечного профиля склона.
0 200 м
1 I
Таблица 2. Экспликация распределения рабочих
участков по экспозиции, га
Номер сево- оборота Номер рабочего участка Экспозиция
С, СВ В Ю, юв, юз 3 сз, с Ито- го
I 1 2,00 0 17,21 3,55 4,22 26,97
2 0 0 9,48 3,56 0 13,04
II 1 0 0 42,27 2,83 4,81 49,91
III 1 2,64 0,05 32,10 3,38 0,72 38,89
Шзт 1 0 0 8,85 0 0 8,85
IV 1 0 0 23,85 СО О) с\Г 4,25 41 0 СО
^зт 1 0,07 0 0,57 4,02 5,15 9,81
1зт 1 0 0,06 4,58 0 0 4,64
Пзт 1 0 0 3,98 4,06 0,01 8,05
сад сад 0 0 5,56 0 0 5,56
спорный участок Итого 0 4,71 0 0,11 5,97 0 154,42 34,33 0 5,97 19,16 212,72
2,5.10 т/га.
На картосхеме хорошо заметны неоднородности смыва почвы в полевом севообороте. В нижней части его территории на картограмме отмечается усиление интенсивности окраски, которая соответствует смыву до 5,0.10,0 т/га. Очевидно, что поля этого севооборота нецелесообразно размещать вдоль склона, поскольку в таком случае возможно усиление процессов водной эрозии.
выводы. Проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия должно строиться на всесторонних достоверных данных о качестве земель. Использование ГИС-технологий дает возможность формировать информационную основу агроэкологической оценки, результаты которой применяются при агроэкологической типизации земель. Проведенная агроэкологическая оценка земель ФХ «Меркурий» показывает, что территория хозяйства имеет плакорный и склоновый типы местности, которые изрезаны линейными эрозионными формами. Преобладают уклоны от 0 до 3° (88 %), на склоны крутизной 3.5° приходится 10 % исследуемой территории. Доминирующие типы склонов - поперечно-выпуклые продольно-выпуклые и поперечно-выпуклые продольно-вогнутые - предполагают контурное размещение линейных элементов. Прямолинейное расположение полей полевого севооборота вдоль склона нецелесообразно, так как это может привести к усилению процессов водной эрозии.
Литература.
1. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: Методическое руководство/Под ред. В.И. Кирюшина, А.Л. Иванова. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2005. - 784 с.
2. Проект внутрихозяйственного землеустройства ФХ «Меркурий» Шебекинского района Белгородской области. - Белгород 2010. -90с.
3. Проектирование и внедрение эколого-ландшафтных систем земледелия в сельскохозяйственных предприятиях Воронежской области: Методическое руководство / Под ред. М.И. Лопырева- Воронеж, 1999. - 183 с.
4. Ларионов Г.А. Эрозия и дефляция почв: основные закономерности и количественные оценки - М.: Изд-во МГУ, 1993. - 20 с.
5. Смирнова Л.Г., Воронин А.Н., Нарожняя А.Г. Агроэкологическая оценка земель с использованием ГИС-технологий/-Белгород, изд-во «Отчий край», 2010. - 60 с.
APPLICATION OF GEOINFORMATION SYSTEMS FOR AGROECOLOGICAL ASSESSMENT OF LAND WITH ADAPTIVE LANDSCAPE FARMING SYSTEM DESIGNING L.G. Smirnova, A.G. Narognaja, Yu.L. Krivokon, A.A. Petryakova
Summary. Designing adaptive landscape systems of agriculture should begin with the agro-ecological evaluation of the land. It involves obtaining reliable data about the quality of the land. Existing approaches of the analysis include an additional calculations and construction hypsometric profiles, do not meet modern standards and often are subjective. Application of GIS technology forms the information basis for the analysis of landscape ecological area. The information obtained is used in the agro-typing of land. Using GIS technology to dramatically reduce the time available for agri-ecological assessment. Using the methods of GlS-analysis allows to obtain information on agricultural landscapes and quantified the distribution of the data within the work areas. The article presents information about a method for the GIS-analysis of agricultural landscapes, and the results on farm. Agri-environmental maps of the land built using adapted formulas for ArcInfo. Maps of slope steepness, slope exposure, the types of slopes and soil erosion module created. Evaluation results show that the types of terrain is watersheds and slopes, they are cut by linear erosion forms. Slopes of 0 to 3 ° is dominated (88%), 10% of the study area falls on a slope of 3-5 °. Schematic map of potential soil erosion (it is built according to the equation Uishmmeyera-Smith) shows that module washout is set to less than 2.5 t / ha for the slope watersheds. It increases up to 15 t / ha below on the watersheds to the ravine. This corresponds to the average risk of erosion. The predominant types of slopes are transversely convex longitudinally and transversely convex-convex-concave longitudinally. This suggests planning a contour line elements. Key words: geographic information systems, agroecological assessment of lands, DEM, contour placement, basic linear elements of the territory.
Рис. 6. Картосхема типов склонов: IA (0)- поперечнопрямые продольно-прямые, IIA (□)- поперечно-выпуклые продольно-прямые, ИВ (Ш) - поперечно-выпуклые продольновогнутые, IIC (Ш)- поперечно-выпуклые продольно-выпуклые, ША(ЕЭ)- Поперечно-вогнутые продольно-прямые, IIIB (Ш)- поперечно-вогнутые продольно-вогнутые, NIC (И)- поперечновогнутые продольно-выпуклые.
Построенная по формуле (1) катограмма модуля смыва почвы (рис. 7) показала, что на большей части
0 200 U
1_____________I
Рис. 7. Картосхема модуля смыва почвы: □ - менее 2,5 т/га; ■ -2,5...5,0;И-5,0...10,0;И- 10,0...15,0; ■— 15,0...39,5 т/га. склона он незначителен (до 2,5 т/га), наибольшие величины этого показателя наблюдаются вдоль бровок балки (более 15 т/га). На территории зернотравяных севооборотов модуль смыва колеблется в пределах
