Информационные технологии рационального природопользования на орошаемых землях Поволжья

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Информационные технологии рационального природопользования на орошаемых землях Поволжья

06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Корсак Виктор Владиславович

Саратов 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательномучреждении высшего профессионального образования «Саратовскийгосударственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор. Пронько Нина Анатольевна

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Бородычев Виктор Владимирович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Проездов Петр Николаевич

доктор технических наук, профессор Рогачев Алексей Фруминович

Ведущая организация:ФГНУ «Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока» (г. Саратов)

Защита диссертации состоится30 июня 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 220.061.05 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова» по адресу: 410012, г. Саратов, Театральная пл., 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»

Автореферат разослан «_ »2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор с.-х. наук, профессорН.А. Пронько

мелиоративный мониторинг информационный агроландшафт



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Поволжье - зона рискованного земледелия, в которой стабильное производство растениеводческой продукции стало возможным в результате широкой ирригации, развернутой во второй половине ХХ века. Однако орошение, как один из наиболее интенсивно воздействующих на природные экосистемы видов человеческой деятельности по масштабам изменений естественных потоков вещества и энергии, вызвало развитие многих деградационных процессов, среди которых наибольший вред наносят подъем уровня грунтовых вод, вторичное засоление и осолонцевание, водная эрозия, загрязнение, дегумификация и снижение эффективного плодородия зональных почв. К 2004 г. площадь орошаемых земель с хорошим почвенно-мелиоративным состоянием в поволжских областях уменьшилась на 35-40%, а с неудовлетворительным увеличилась на 20%. При этом засолено 112, осолонцовано 84,8 тыс. га орошаемых земель. На 1.01.2008 г. мелиоративно неблагополучные земли занимали 286,6 из оставшихся на балансе 809,8 тыс. га или 35,4% всей орошаемой площади, в том числе в Самарской области 13,1 тыс. га (9,3%), Саратовской 49,6 (19,3%), Волгоградской 58,3 (29,8%) и Астраханской 165,6 (76,9%). Площадь эродированной пашни ежегодно увеличивается на 400-500 тыс. га, ежегодные потери плодородного слоя почв сельскохозяйственных угодий составляют более 1,6 млрд. тонн. Значительные площади сельскохозяйственных угодий в регионе загрязнены, в том числе и таким опасным поллютантом как кадмий. Серьезным явлением стал процесс дегумификации почв региона. За последние 25-30 лет содержание гумуса в почвах Самарской области уменьшилось на 1,2-3,2; Саратовской - 0,24-0,7; Волгоградской - на 0,2-0,9; Астраханской на 0,3%. В результате недостаточного внесения минеральных и органических удобрений в почвах Поволжья сложились дефицитные балансы питательных веществ, возросла площадь поливной пашни с низкой обеспеченностью калием и фосфором. Все это обусловило невысокую продуктивность орошаемых агроландшафтов региона, которая за все годы эксплуатации оставалась ниже потенциально возможной, не превышая 3,7 т/га к.е.

Одной из главных причин отмеченных явлений стало нарушение принципов рационального природопользования и применения недопустимых нагрузок на экосистемы в результате низкого качества управления орошаемым земледелием, вызванного неучетом свойственной орошаемым территориям Поволжья пестроты почвенного плодородия, пространственной изменчивости гидрологических и мелиоративных условий, недостаточностью информации о протекающих в экосистемах процессов и низкой научной обоснованностью принимаемых управленческих решений. Постоянно декларируемый принцип необходимости гибкой трансформации систем земледелия и их соответствияэкологическим условиях конкретного орошаемого поля, позволивший бы обеспечивать мягкое природопользование, не мог быть реализован вследствие отсутствия необходимых инструментов для управления мелиоративным комплексом региона.

Таким инструментом могут и должны стать современные информационные технологии, вырабатывающие рекомендации для лиц принимающих решения по сохранению природного потенциала орошаемых земель на базе результатов комплексного ландшафтного мониторинга, опыта специалистов и всего комплекса научных разработок отрасли.

В настоящее время в Российской Федерации геоинформационные системы мониторинга мелиорируемых земель разрабатываются для применения на федеральном и региональном уровнях. Компьютерные геоинформационные технологии в этих системах направлены на визуализацию с помощью электронных карт различных отчетных данных, а не на задачи управления почвенным плодородием при производстве растениеводческой продукции, которые могут решаться только на локальном уровне, в отдельных орошаемых хозяйствах. Созданные ранее автоматизированные технологии управления мелиоративным комплексом были рассчитаны на применение в организациях уровня оросительной системы, административного района или области. Программно-информационные средства, направленные на организацию рационального природопользования на локальном уровне - в рамках отдельных землепользователей на установленных в хозяйствах персональных компьютерах - практически не разрабатывались. Недостаточно учитывались в созданных ранее компьютерных программах и программных комплексах достижения мелиоративной науки и техники, экологические требования к агротехнологиям, необходимость интеграции систем поддержки принятия решений и программно-информационных средств мониторинга мелиорируемых земель.

Таким образом, для сохранения потенциала орошаемых земель путем повышения качества управления поливным земледелием необходимо разработать научные основы создания и ведения современных систем локального мониторинга мелиорированных массивов и прилегающих территорий, а также интегрированных с ним информационных технологий управления компонентами агроландшафтов.

Целью диссертационной работы является сохранение потенциала орошаемых агроландшафтов Поволжья на основе разработки научных основ и создания программно-информационного обеспечения комплексного геоинформационного мониторинга мелиорируемых земель региона и информационных технологий по управлению плодородием почв и производством растениеводческой продукции. Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:

1. Разработать структуру, принципы создания и ведения комплексного локального мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья на основе геоинформационных технологий.

2. Создать комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта- почв, грунтовых, оросительных вод, а также техногенных объектов.

3. Разработать способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорируемых земель, адаптированные к почвенно-климатическим условиям Среднего и Нижнего Поволжья.

4. Создать информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов для репрезентативных хозяйств региона.

5. Создать комплекс автоматизированных технологий выработки систем агромелиоративных мероприятий экологически обоснованного природопользования поливными землями Поволжья, базирующийся на результатах комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых агроландшафтов региона.

Методы исследования. В работе использованы теоретические методы: системный анализ, геоинформационное моделирование и геоинформационный анализ, математическая статистика и условная логика; экспериментальные - полевой опыт по изучению влияния элементов систем земледелия на почвенное плодородие и продуктивность поливных культур, полевые обследования пашни репрезентативных хозяйств. При разработке программ применялись эвристические методы, структурное и модульное программирование.

Научная новизна. Впервые созданы научные основы и инструментарий адаптации систем поливного земледелия экологическим к условиям конкретного орошаемого поля в виде комплекса информационных технологий, обеспечивающего сохранение почвенного плодородия, благоприятной мелиоративной обстановки, получение планируемой урожайности при экономном расходовании ресурсов в хозяйствах поволжских областей, в том числе:

? разработаны принципы создания и ведения комплексного локального ГИС-мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья;

? разработаны способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорируемых земель, адаптированные к почвенно-климатическим условиям Среднего и Нижнего Поволжья;

? создан комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта - почв, грунтовых, оросительных вод и техногенных объектов, включающий в себя информационно-советующую систему (ИСС) оценки мелиоративного, агрохимического и экологического состояния орошаемых участков, автоматизированный банк данных гидромелиоративных наблюдений за химическим составом грунтовых вод и засоленностью почвы.

? разработано информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов для репрезентативных хозяйств региона.

? создан комплекс автоматизированных технологий выработки технологического процесса мягкого природопользования поливными землями Поволжья, базирующийся на результатах комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых агроландшафтов региона, состоящий из информационно-советующих систем по управлению плодородием орошаемых почв, их водным режимом и применению сидератов.

Практическая значимость. Использование комплекса автоматизированных технологий выработки технологического процесса мягкого природопользования поливными землями позволяет значительно повысить обоснованность и качество принимаемых технологических решений по режимам орошения поливных культур и системам органических, минеральных и сидеральных удобрений; эффективность и экологическую безопасность агротехнологий путем обеспечения предотвращения дегумификации орошаемых почв и ликвидации пестроты эффективного почвенного плодородия, снижения непродуктивных потерь поливной воды с инфильтрацией и поверхностным стоком, исключения ирригационной эрозии, роста рентабельности возделывания полевых культур за счет применения оптимальных видов, доз, сроков внесения органоминеральных удобрений и режимов орошения, дифференцированных по глубине расчетного корнеобитаемого слоя и предполивной влажности почвы.

Суммарный экономический эффект от использования информационно-советующей системы по управлению плодородием орошаемых почв в ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области на площади 1949 га составил 820 руб./га в год за счет проектирования индивидуальной системы удобрения для каждого отдельного поля с учетом его агрохимических и мелиоративных особенностей. Внедрение автоматизированного банка данных гидромелиоративных наблюдений в Саратовской гидромелиоративной партии при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз» на площади 257,3 тыс. га снизило трудозатраты на обработку данных химических анализов и составление отчетных документов на 75%. Применение комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского и ОПХ ВолжНИИГиМ Энгельсского районов Саратовской области на площади 1665 и 358 га за счет повышения качества управления плодородием почв обеспечило экономический эффект 1200 и 540 руб./га в год соответственно.

Положения, выносимые на защиту.

1. Принципы создания и ведения комплексного мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья, ориентированного на локальный уровень применения, основанного на геоинформационных технологияхи сопряженного с автоматизированными системами контроля состояния мелиорируемых сельскохозяйственных угодий и управления поливным земледелием на них.

2. Комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта, включающий в себя: основанную на эвристических методах информационно-советующую систему оценки агромелиоративного состояния орошаемых полей и автоматизированный банк данных гидромелиоративных наблюдений, позволяющий организовать ввод, обработку и хранение в реляционных файлах результатов солевой съемки и контроля уровня и минерализации грунтовых вод.

3. Информационное обеспечение комплексного локального геоинформационного мониторинга мелиорируемых земель для репрезентативных хозяйств сухостепного Поволжья, включающее цифровые карты орошаемых угодий с 20 слоями и атрибутивные базы данных.

4. Комплекс автоматизированных технологий выработки системы агромелиоративных мероприятий, обеспечивающий рациональное природопользование на поливных землях Среднего и Нижнего Поволжья, интегрированный с локальным геоинформационным мониторингом орошаемых агроландшафтов региона, состоящий из основанных на эвристических методахинформационно-советующих систем по управлению плодородием, водным режимом орошаемых почв и применению сидератов.

Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались на научной сессии РАСХН (Саратов, 2000); международных научно-практических конференциях: посвященной 100-летию М.Н. Багрова (Волгоград, 2001); «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2003); «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005); «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); «Агрохимические приемы повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Москва, 2006); 36 Международной научной конференции в ВИУА им. Д.Н. Прянишникова (Москва, 2002); международном совещании посвященном 10-летию Саратовского филиала ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Саратов, 2005); всероссийских научно-практических конференциях посвященных 117, 118, 119-летию со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2004-2007), всероссийских научных конференциях МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2003-2005); научно-практических конференциях посвященных 85-летию НИИСХ Юго-Востока и 100-летию В.Н. Мамонтовой (Саратов, 1995); 100-летию со дня рождения И.А. Кузника (Саратов, 1998); семинаре-совещании МСХ РФ (Саратов, 2000); научных конференциях профессорско-препода-вательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2001-2009); заседаниях ученого совета ВолжНИИГиМ (Энгельс, 1993-2000); 4 Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009).

Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 50 научных работы, из них 1 монография, 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 40 статей в сборниках научных работ, в том числе по материалам сессии РАСХН, международных и всероссийских научно-технических конференций и семинаров.

Личный вклад. Доля личного участия автора в выборе направления и проведении исследований, обработке полученных результатов, создании информационных технологий составляет 75%.

Автор благодарен своему научному консультанту Н.А. Пронько за поддержку идей, консультации и совместное выполнение отдельных полевых обследований и исследований, вклад в создание баз данных и знаний программных продуктов. В разработке баз данных и знаний по режимам орошения участвовали В.Т. Морковин и В.В. Иванов, автоматизированного банка О.Ю. Холуденева, ГИС-мониторинга Т.В. Корнева, которым автор признателен за помощь и содействие в работе.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, списка использованных источников, включающего 418 наименований, в том числе 32 на иностранных языках, 15 приложений. Основная часть работы изложена на 332 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок и 77 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Климат областей Поволжья, в которых проводились исследования, характеризуется континентальностью и засушливостью, усиливающимися при переходе от степи (годовая сумма осадков 350-450, суммарный дефицит влаги 170-200 мм) к сухой степи (осадков 250-400, дефицит - 220-240 мм) и полупустыне (200-350 мм осадков, дефицит - 700 мм и более). Обеспеченность культур теплом также возрастает с севера на юг: сумма эффективных температур в степной зоне - 2500-2900, сухостепной 2800-3000, полупустынной - 2800-3600°С; продолжительность безморозного периода 135-155, 140-170 и 160-185 дней соответственно.

Орошаемые почвы степной зоны представлены обыкновенными и южными черноземами, сухостепной - каштановыми и темно-каштановыми в комплексе с солонцами, полупустынной - светло-каштановыми и бурыми с широко распространенными лугово-солонцеватыми комплексами. Особенностями почв являются высокая пестрота и пространственная изменчивость свойств.

Полевые эксперименты по определению закономерностей влияния систем поливов и удобрений, в том числе сидеральных на почвенное плодородие и продуктивность поливных культур, а также обследования поливных земель репрезентативных хозяйств сухостепной зоны проводились согласно принятым методикам. Почвенные образцы отбирались согласно ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 28168-89, ГОСТ 17.4.4.02-84, ОСТ 56 81-84. Агрохимические анализы проводились согласно ГОСТ 26213-84, ГОСТ 26107-84, ГОСТ 26205-84 ЦИНАО, анализы водной вытяжки ГОСТ 26424-85, ГОСТ 26426-85, ГОСТ 26427-85, ГОСТ 26428-85, состава обменных оснований в почвенном поглощающем комплексе по ГОСТ 26487-85, ГОСТ 26950-86, ГОСТ 27821-88. Классификационная характеристика потенциального и эффективного почвенного плодородия определялась согласно методическим указаниям по проведению комплексного мониторинга земель сельскохозяйственного назначения (2003); степени загрязнения земель - по ГОСТ 17.4.02-83, согласно ГН 6229-91, ГН 2.1.7.020-94, ГН 2.1.7.2041-06 и методическим рекомендациям по выявлению деградированных и загрязненных земель (1994); мелиоративное состояние - с помощью «Методического руководства по методам контроля и критериям оценки мелиоративного состояния орошаемых земель Поволжья» (1991). При создании цифровых карт учитывались требования ГОСТ Р 50828-95, ОСТ 68-3.4-98, РТМ 68-3.01-99. Обработка данных проводилась методами корреляционного, дисперсионного и регрессионного анализа (Б.М. Доспехов, 1985), а также геостатистических и детерминистских методов интерполяции пространственных данных (Lark R.M., Webster R., 2005).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ И ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

Принципы создания и ведения мониторинга мелиорированных земель Поволжья. Исходя из необходимости сохранения природного потенциала мелиорированных земель и, прежде всего, плодородия почв мы предлагаем следующие принципы создания и ведения мониторинга орошаемых агроландшафтов.

Принцип комплексности. В процессе ведения мониторинга должна собираться, учитываться при определении комплексной интегрированной оценки эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель и взаимно увязываться не только вся информация об эффективном и потенциальном почвенном плодородии, загрязнении, засолении и осолонцевании почв, грунтовых водах, но и о проведенных технических, агротехнических и мелиоративных мероприятиях, воздействовавших на эти составляющие эколого-мелиоративной обстановки.

Принцип локальности. Основное воздействие орошаемого земледелия на почвы, грунтовые и поверхностные воды осуществляется на конкретных полях сельскохозяйственного предприятия. Решения о параметрах этих воздействий принимаются руководителями и специалистами хозяйства. Обоснованность решений определяется полнотой информации о состоянии поля, которую может предоставить только комплексный мониторинг орошаемых земель. Поэтому он должен быть локальным, то есть ориентированным на низшие территориальные единицы поливных угодий отдельного предприятия.

Принцип геопространственности. Важной особенностью информации мониторинга орошаемых земель является пространственная привязанность ее составляющих. Данные о состоянии компонентов орошаемых агроландшафтов фактически получаются в конкретных точках земной поверхности, однако характеризуют непрерывные постоянно изменяющиеся в пространстве показатели. Для перехода от дискретных данных к реальным непрерывным характеристикам, обеспечения возможности сохранения пространственной привязки информации и учета взаимного расположения мест получения данных при их анализе комплексный локальный мониторинг орошаемых земель должен быть геоинформационным, то есть основываться на цифровой карте контролируемых территорий и атрибутивной реляционной базе, предназначенных для хранения информации, а также включать в себя средства интерполяции данных.

Принцип иерархичности. Данные локального мониторинга поливных земель должны быть исходной информацией для более высоких в иерархическом отношении уровней. Поэтому мониторинг агроэкологического и мелиоративного состояния орошаемых земель необходимо проводить в направлении «снизу-вверх» - от отдельного поливного поля к хозяйству, затем обобщаться для района, региона, федерации. Для этого необходимо обеспечение единства форматов и структур баз данных мониторингов разных уровней.

Принцип темпоральности. Эколого-мелиоративное состояние орошаемых агроландшафтов изменяется во времени. Поэтому мониторинг должен обеспечивать определение направленности и интенсивности происходящих в них почвенных и мелиоративных процессов, а также прогнозирование их возможных изменений.

Принцип сопряженности. Исходя из главной цели мониторинга - повышения качества управления плодородием поливных земель и продуктивностью орошаемых агроландшафтов, результатом его должен быть полный комплекс информации для принятия управленческих решений, вырабатываемых соответствующими информационно-советующими системами. Поэтому информационное обеспечение ГИС-мониторинга, прежде всего атрибутивная база данных, должно сопрягаться с ИСС поддержки принятия решений по управлению агротехническими и мелиоративными мероприятиями поливного земледелия.

Кроме перечисленных, локальный мониторинг орошаемых агроландшафтов должен отвечать общим для всех видов мониторинга принципам непрерывности, единства целей и задач исследований, системности, достоверности и оперативности.

Информационно-советующая система оценки мелиоративного и агрохимического состояния орошаемых севооборотных участков (ИСС «УЧАСТОК») предназначена для оценки показателей состояния мелиорируемых земель поволжских областей на наименее разработанном локальном уровне для отдельных орошаемых полей хозяйства, базирующаяся на принципах геопространственности и комплексности. База данных и знаний ИСС «УЧАСТОК» включает в себя 14 реляционных файлов формата dBase IV (табл. 1), позволяющих ввести данные о состоянии конкретного орошаемого участка и определить условия возделывания полевых культур на нем.

В результате работы ИСС «УЧАСТОК» пользователю выдается описание состояния интересующего поля орошаемого участка, содержащее качественные оценки его агрохимического и мелиоративного состояния.



Таблица 1 Перечень реляционных файлов ИСС «УЧАСТОК»

Название	Содержание
FAKTOR	Справочник показателей агромелиоративной ситуации
STEPEN	Справочник классификационных оценок показателей
METEO_EL	Декадные осадки, температуры и дефициты влажности воздуха за 30 лет.
SC01_PRA	Файл правил сценария ИСС, определяющий сценарий консультации
FORM1	Файл описаний экранных форм
ERROR	Правила обработки ошибок в процедурных правилах базы знаний ИСС
SPR_OBL	Справочник областей
SPR_RAI	Справочник административных районов
SPR_STAN	Справочник 30 метеостанций с обобщенными климатическими данными
KL01_PRA	Набор процедурных правил оценки агрохимического состояния
KL02_PRA	Набор процедурных правил оценки мелиоративного состояния
KL03_PRA	Набор процедурных правилоценкисодержаниягумуса
UTH	Файл описаний участков
HELP	Файл организации контекстно-ассоциативной подсказки

Автоматизированный банк данных гидромелиоративных наблюдений предназначен для организации ввода, предварительной обработки и хранения данных солевой съемки и наблюдений за грунтовыми водами в реляционных файлах, а также получения отчетных документов установленной формы. Схема его функционирования приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальная схема работы автоматизированного банка данных гидромелиоративных наблюдений

Работа в автоматизированном банке данных гидромелиоративных наблюдений организована с помощью системы меню и экранных форм. Введенная информация после прохождения контроля и подтверждения ее правильности записывается в файлы банка данных (табл. 2).

Таблица 2 Перечень реляционных файлов автоматизированного банка данных гидромелиоративных наблюдений

№ пп	Название	Содержание
1	Himizm.dct	Файл структуры реляционного банка данных
2	Spr_rai.dbf	Справочник районов Саратовской области
3	Spr_hoz.dbf	Справочник хозяйств по районам Саратовской области
4	Skvag_vod.dbf	База данных о минерализации грунтовых вод
5	Rab_vod.dbf	Файл для обработки данных о минерализации грунтовых вод
6	Skvag_poch.dbf	База данных о засолении почв
7	Rab_poch.dbf	Файл для обработки данных о засолении почв
8	Required.dbf	Файл установок внешних связей

Отбор информации для определения типа и степени засоления почв, химизма грунтовой воды и получения отчетов производится с использованием справочников районов и хозяйств области путем установления фильтров. Тип засоления оценивается по преобладающим ионам в характеризуемом слое. Степень засоления определяется по сумме токсичных солей и содержанию токсичных ионов. Метод расчета токсичных солей основан на связывании ионов в гипотетические соли. При обработке данных по химизму грунтовых вод определяется содержание катионов и анионов, их сумма и сухой остаток.

Автоматизированный банк данных внедрен в комплексном отделе гидромелиоративных исследований и мониторинга Саратовской ГМП при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз». С его помощью результаты солевой съемки почв и наблюдений за уровнем и химическим составом грунтовых вод за период 1976 - 2008 гг. перенесены на компьютерные носители в виде реляционных файлов. На базе этой информации разрабатываются прогнозы состояния мелиорируемых земель области, обосновываются проекты реконструкции орошаемых участков, адаптируются математические модели водно-солевого режима зональных почв.

Форматы и структура реляционных файлов ИСС «Участок» и АБД гидромелиоративных наблюдений обеспечивают возможность их сопряжения с атрибутивными базами данных ГИС-мониторинга мелиоративного состояния мелиорируемых сельскохозяйственных угодий региона.

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МОНИТОРИНГА МЕЛИОРИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПОВОЛЖЬЯ

Для предотвращения негативных последствий нерационального ведения орошаемого земледелия необходимо ведение постоянного мониторинга орошаемых агроландшафтов с интегрированной оценкой их агроэкологического и мелиоративного состояния. Инструментарием, с помощью которого можно накапливать и обрабатывать информацию мониторинга, является геоинформационная система с цифровой картой орошаемого агроландшафта, что вытекает из сформулированного ранее принципа геопространственности.

Определенный нами для поливных земель Поволжья оптимальный состав цифровой карты включает в себя следующие группы слоев: инфраструктура (населенные пункты, дороги); гидромелиоративная система (каналы, насосные станции, трубопроводы, орошаемые поля, гидранты, лесополосы); гидрография и рельеф (реки, озера, овраги, горизонтали); геология; почвенная карта; места отбора проб (точки отбора почвенных проб, скважины наблюдений за грунтовыми водами). Наилучший способ создания большинства слоев - векторизация по экранной подложке топографических и специальных карт, космических снимков, схем строительства и реконструкции орошаемых участков. Слой точек отбора проб создается с помощью прибора спутникового позиционирования системы Garmin, дающего точность до 2 метров.

Проведя сравнительный анализ существующих программных средств создания ГИС отечественных и зарубежных производителей (ЦГИ ИГ РАН, СП «ГЕОЛИНК», ЗАО «ПАНОРАМА», MAPINFO, INTERGRAF, AUTODESK, GE SMALLWORLD, GEOGRAFIX, ESRI), мы выбрали наилучшее - комплекс ArcGIS DeskTop фирмы ESRI (США), который не только позволяет создать качественную цифровую карту, но и включает в себя средства трехмерного моделирования рельефа земной поверхности, а также различные инструменты, позволяющие выполнить интерполирование значений путем изучения взаимосвязей между всеми опорными точками. Другие программные средства имеют различные недостатки, определяющие их недостаточную пригодность в мелиоративной отрасли. Например наиболее эргономичный отечественный комплекс ГеоГраф/Geodraw (ЦГИ ИГ РАН) не имеет средств интерполяции и аппроксимации, трехмерного моделирования. Недостаточно развиты такие средства и в программах MAPINFO и «Панорама», а комплекс «ГЕОЛИНК», напротив, включая очень мощные средства моделирования, в том числе движения грунтовых вод, не позволяет создать высококачественную цифровую карту орошаемого агроландшафта.

Для определения оптимальных способов и методов применения средств программного комплекса ArcGIS для построения мелиоративных, агрохимических и экологических картограмм нами была проведена адаптация этих средств к условиям сухостепного Поволжья. Было выполнено сравнительное изучение двух групп методов интерполяции ArcGIS DeskTop: детерминистских, строящих поверхность по опорным точкам, основываясь либо на степени схожести точек выборки (метод взвешенных расстояний и др.), либо на степени сглаживания (радиальные базисные функции и др.); геостатистических (например, кригинг или кокрикинг), позволяющих строить не только поверхности интерполируемых значений, но также поверхности ошибок и неопределенности интерполяции, что помогает оценить ее качество.

Оценка качества интерполяции, которая дает представление о том, насколько хорошо модель интерполирует неизвестные значения, проводилась методом перекрестной проверки (Cross Validation). Алгоритм перекрестной проверки: 1) точки последовательно исключаются из выборки; 2) вычисляется значение в этой точке с использованием оставшихся данных; 3) измеренное и вычисленное значения сравниваются. По суммарной статистике перекрестной проверки (стандартному отклонению) определялась приемлемость способа интерполяции для составления карты.

При этом были выявлены некоторые особенности построения картограмм разных видов.

При построении карт засоления земель для интерполяции необходимо иметь не составное качественное (тип и степень), а единое весовое значение. В качестве этого значения в ГИС-мониторинге нами использовалась сумма эквивалентов хлор-иона токсичных солей (согласно Н.И. Базилевич и Е.И. Панковой, 1970), определяющаяся с помощью специального алгоритма, разработанного для почвенных условий Поволжья и реализованного средствами MS Excel XP. Сравнительный анализ различных методов интерполяции и аппроксимации показал, что в условиях сухостепного Поволжья наибольшую точность обеспечивает метод обратно взвешенных расстояний (табл.3).

Таблица 3 Результаты перекрестной проверки различных методов интерполяции при построении картограмм засоления земель

Метод	Стандартные отклонения для слоя почвы
	0-30 см	30-50 см	50-75 см	75-100 см
Обратно взвешенных расстояний	0,1032	0,1251	0,1116	0,1645
Глобальных полиномов	0,1385	0,1762	0,1762	0,2476
Локальных полиномов	0,1051	0,1224	0,1338	0,1835
Радиальных базисных функций	0,1026	0,1250	0,1270	0,1714
Кригинга	0,1027	0,1351	0,1305	0,1778



Для создания карты уровней грунтовых вод (УГВ) разработан алгоритм:

1) Интерполяцией горизонталей, полученных с топографических карт масштаба 1:25 000 и сечением рельефа 2,5 м, создается цифровая модель рельефа в виде триангуляционной нерегулярной сети (TIN)

2) Слой пространственной привязки скважин наблюдения за грунтовыми водами векторизуется по топографической карте масштаба 1:150 000.

3) Цифровая модель верхней границы грунтовых вод создается по ее (границы) абсолютным отметкам в местах расположения скважин, которые рассчитываются с помощью цифровой модели рельефа и данных наблюдений за УГВ.

4) Полученные модели преобразуются в растровые представления (матрицу высот рельефа и матрицу абсолютных отметок УГВ).

5) Вычитанием матрицы абсолютных отметок УГВ изматрицы высот рельефа с помощью алгебры растров (Map Algebra) получается матрица глубин залегания грунтовых вод, которая преобразуется в карту УГВ орошаемых земель интерполяцией методом локальных полиномов 2-го порядка, дающим наименьшее стандартное отклонение - 0,24 м.

Агрохимические и экологические (по осредненному для отдельного поля содержанию гумуса, элементов питания растений, тенденций их изменений, содержанию тяжелых металлов и мышьяка) картограммыстроятся на основе слоя «Орошаемые поля» цифровой карты и присоединенной к ней внешней таблицы с данными анализов и фондовыми материалами, обработанными с помощью специальной программы. Слои населенных пунктов, дорог, каналов, насосных станций используются для повышения наглядности.

Для построения цифровых моделей пространственного распространения значений агрохимических показателей (ЦМПРАП) результаты анализов по каждой отдельной пробе заносятся в специально разработанную внешнюю таблицу атрибутивной базы ГИС-мониторинга, которая присоединяется к слою «Точки отбора проб». Сравнение с помощью перекрестной проверки различных методов интерполяции и аппроксимации точечных данных, использованных для построения ЦМПРАП, показало, что наибольшую точностьобеспечивают интерполяция методами обратно взвешенных расстояний и радиальных базисных функций; аппроксимация - методом локальных полиномов 2-го порядка (табл. 4).

Таблица 4 Результаты перекрестной проверки различных методов построения ЦМПРАП

Показатель	Метод	Стандартное отклонение
Содержание гумуса, %	Обратно взвешенных расстояний	0,62
	Локальных полиномов	0,46
Содержание фосфора, мг на 100 г почвы	Радиальных базисных функций	1,12
	Локальных полиномов	1,22
Содержание калия, мг на 100 г почвы	Обратно взвешенных расстояний	8,07
	Локальных полиномов	1,05
Содержание азота легкогидролизуемого, мг на 100 г почвы	Обратно взвешенных расстояний	0,88
	Локальных полиномов	0,35

При построении цифровых моделей распространения загрязнителей (ЦМРЗ) наибольшую точностьобеспечивает аппроксимация методом локальных полиномов 2-го порядка (табл. 5).

Таблица 5 Результаты перекрестной проверки методов построения ЦМРЗ, мг/кг

Загрязнитель	Стандартное отклонение	Загрязнитель	Стандартное отклонение
Свинец	1,42	Медь	1,3
Цинк	2,21	Никель	2,08
Кадмий	0,05	Мышьяк	0,35

Большой разброс значений стандартных отклонений (>40 раз) объясняется разницей в содержании различных загрязнителей в почве.

РАЗРАБОТКА ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ЛОКАЛЬНОГО МОНИТОРИНГА ОРОШАЕМЫХ ЗЕМЕЛЬ ПОВОЛЖЬЯ

В качестве репрезентативных хозяйств для создания и внедрения систем локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель были выбраны ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского и опытно-произ-водственное хозяйство Волжского НИИ гидротехники и мелиорации Энгельсского районов Саратовской области (рис. 2).

Рис. 2. Расположение мест разработки и внедрения комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель

Для них разработано информационное обеспечение локального ГИС-мониторинга: цифровые карты с группами слоев: инфраструктура; гидромелиоративная система; гидрография и рельеф; геология и почвы; места отбора проб (табл. 6, рис. 3, 4); атрибутивная база данных (табл. 7). В атрибутивную базу данных геоинформационного мониторинга орошаемых земель входят внутренние, связанные со слоями, и внешние реляционные файлы, предназначенные для хранения переменной (результаты наблюдений) и постоянной (справочной) информации.



Таблица 6 Состав цифровой карты локальногоГИС-мониторинга орошаемых земель

№	Имя файла	Тип	Содержание
1	cen_rai	Shape	Центры административных районов
2	raion	Shape	Границы административных районов
3	Gr_Zem	Shape	Границы земель сельскохозяйственных предприятий
4	dorogi	Shape	Дороги
5	np	Shape	Населенные пункты
6	polja_1	Shape	Орошаемые поля
7	truboprovod	Coverage	Трубопроводы
8	gidrant	Shape	Гидранты
9	kanal	Coverage	Каналы
10	Nasos_st	Shape	Насосные станции
11	Lesopol	Shape	Полезащитные лесные полосы
12	reka_1	Shape	Реки
13	lake	Coverage	Пруды и озера
14	geologiy	Coverage	Геологическая карта
15	szw	Shape	Почвенная карта
16	owrag	Coverage	овраги
17	relef_1	Shape	Горизонтали
18	relef_tin	TIN	Цифровая модель рельефа
19	razrez	Shape	Точки отбора проб
20	ckwagini	Shape	Скважины наблюдений за грунтовыми водами

Рис. 3. Группы слоев «Инфраструктура», «Гидромелиоративная система», «Гидрография», «Рельеф» цифровой карты ЗАО «Агрофирма «Волга»

Рис. 4. Группы слоев «Инфраструктура» и «Гидромелиоративная система» цифровой карты ОПХ ВолжНИИГиМ

Таблица 7 Внешние файлы атрибутивной базы ГИС-мониторинга орошаемых земель

	Имя файла	Привязка к слоям	Поля связи	Назначение
1	dorogi	dorogi	kod	Справочник идентификатор дорог
2	Soil_irrig	polja_1; szw4	tip_soil; k_dop	Степень осолонцевания
3	truboprovod	truboprovod	ID	Состояние оросительной сети
4	gidrant	polja_1; truboprovod	NOMER_P; Nimen	Состояние дождевальной техники
5	Nasos_st	polja_1; kanal; truboprovod	kod	Справочник идентификатор насосных станций
6	geolog_1	geologiy	KOD_GEO	Справочник к геологической карте
7	pochv_karta	szw4; polja_1	k_dop;tip_soil	Справочник к почвенной карте
8	Agrochim	Razrez	nomer_p;kod_t	Результаты агрохимических анализов
9	ION	Razrez	kod_ t	Результаты анализов полной водной вытяжки
10	PPK	Razrez	kod_t	Обменные основания в ППК
11	Zagr	Polja_1	Neim_a	Содержание токсичных веществ по полям
12	Spr_Zagr	-	Kod_z	Справочник ПДК токсичных веществ
13	Ckwagini	Ckwagini	TOHKI	Уровень грунтовых вод
14	DAN_Kul	Polja_1	Neim_a	Данные о культурах и их урожайности
15	SPR_KUL	-	Code_k	Справочник возделываемых культур
16	DAN_Udob	Polja_1	Neim_a	Данные о внесении удобрений
17	SPR_Udob	-	Code_u	Справочник применяемых удобрений
18	DAN_Poliv	Polja_1	Neim_a	Оросительные нормы по годам и полям

Данные мониторинга орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга» показали, что потенциальное и эффективное плодородие почв характеризуется большой пестротой в пространстве (рис. 5).

Рис. 5. Картограммы потенциального и эффективного плодородия орошаемых почв ЗАО «Агрофирма «Волга», полученные средствами локального ГИС-мониторинга

42,3% обследованных земель характеризуется низким и очень низким содержанием гумуса, 45,2 % средним, 12,5% высоким. 41,8% -имеют низкое, 42,5% среднее и 16,2% - высокое содержание доступного фосфора. На 86,2% отмечено низкое и очень низкое, 5,1% - среднее, 8,7%высокое содержание обменного калия. При этом обеспеченность почвы гумусом, доступным фосфором и обменным калием по отдельным орошаемым полям значительно варьирует. Коэффициенты вариации равны соответственно 0,19, 0,42 и 0,54. Сравнительный анализ данных обследований прошлых лет и выполненных нами в 2004-2007 гг. выявил снижение потенциального и эффективного плодородия (табл. 8, рис. 6).

Таблица 8 Изменение плодородия орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга»

Год	Содержание гумуса, %	Содержание элементов питания, мг на 100 г почвы
		доступного фосфора	обменного калия
	min	max	Среднее	min	max	Среднее	min	max	Среднее
1990	2,65	3,40	3,05	230	9,20	4,95	10,60	65,60	28,57
1997	2,51	3,70	3,01	2,60	17,2	9,70	13,20	65,60	35,93
2001	1,61	3,79	2,96	2,30	14,30	8,90	10,60	80,00	39,49
2004	2,32	3,29	2,92	1,00	6,10	3,50	8,53	58,73	24,22
2006	1,90	3,20	2,88	1,67	5,85	3,27	22,00	57,50	31,64

С помощью линейной регрессионной зависимости содержания гумуса %Гум от времени (Т - год):%Гум = 22,6 - 0,0098·Т (r=0,57), установлено, что в 1990-2007 гг. содержание гумуса снижалось на 0,01% в год.

а б

Рис. 6. Изменение потенциального (а) и эффективного (б) плодородия почв орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга»

Установленные нелинейные регрессионные зависимости содержания доступного фосфора (Ф) и обменного калия (К), мг/ 100 г почвы, от времени Т имеют вид: Ф = - 0,1959·Т² + 782,83·Т - 782200; (E=0,66); К = - 0,2788·Т² + 1113,5·Т - 106 (E=0,59), где Е -критерий Нэша-Сатклиффа. Они показывают, что, если до середины 1990-х гг. сохранялась положительная динамика содержания этих элементов питания в почве, то с 1997 г. происходило ускоряющееся снижение их содержания, и к 2007 г. оно достигло: по доступному фосфору 3,12 и по обменному калию 5,04 мг/100 г почвы в год.

Достоверность установленных зависимостей подтверждается выполненными расчетами балансов гумуса, доступного фосфора и обменного калия на орошаемых землях ЗАО «Агрофирма «Волга» за 1997-2008 гг. Они оказались дефицитными для этих показателей почвенного плодородия. В среднем по орошаемым полям дефицит баланса гумуса за расчетный период составил 6,4 т/га; фосфора и калия - 38,3 и 110,9 кг/га в год соответственно.

Данные мониторинга земель ОПХ ВолжНИИГиМ показали, что при высокой обеспеченности его орошаемых почв доступным фосфором и обменным калием (рис. 7, 8) потенциальное плодородие снижается.

Рис. 7. Цифровая модель пространственного распространения содержания доступного фосфора в почвах ОПХ ВолжНИИГиМ

Рис. 8. Цифровая модель пространственного распространения содержания обменного калия в почвах ОПХ ВолжНИИГиМ

Уравнение нелинейной регрессионной зависимости содержания гумуса %Гум от времени (Т - год): %Гум=0,0002·Т²-0,84·Т+ 852,7 (Е = 0,89), также показывает, что в период 1948 - 2008 гг. содержание гумуса ежегодно снижалось в среднем на 0,02% в абсолютных показателях (рис. 9).

Рис. 9. Изменение потенциального плодородия почв орошаемых земель ОПХ ВолжНИИГиМ

Мелиоративное состояние поливных земель обоих хозяйств хорошее, однако, в ЗАО «Агрофирма «Волга» выявлено наличие участков со слабозасоленным пахотным горизонтом и среднезасоленным горизонтом на глубине 75-100 см (рис. 10).

Рис. 10. Цифровая карта засоления орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга», полученная методом обратно взвешенных расстояний

Рис. 11. Цифровые модели распространения загрязнителей (кадмия и никеля) в почвах орошаемых земель ЗАО «АФ «Волга

Выраженного загрязнения земель тяжелыми металлами (ТМ) и мышьяком также не выявлено. В то же время, в ЗАО «Агрофирма «Волга» содержание некоторых ТМ выше фонового. Например, кадмия в почве 8 орошаемых полей содержится больше 0,35 мг/кг почвы при фоновом содержании для темно-каштановых почв 0,19 мг/кг, на 10 полях отмечено среднее (выше 25 мг/кг) содержание никеля (рис. 11).

Отмечено также наличие полей с достаточно высоким содержанием мышьяка, которое, однако, нигде не превосходит ПДК.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШАЕМЫМ ЗЕМЛЕДЕЛИЕМ ПОВОЛЖЬЯ

Для повышения качества управления важнейшими элементами системы орошаемого земледелия нами разработан комплекс автоматизированных технологий выработки систем агромелиоративных мероприятий экологически обоснованного природопользования поливными землями Поволжья, базирующийся на результатах комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых агроландшафтов и включающий в себяинформационно-советующие системы по управлению плодородием орошаемых почв (ИСС «УПОП»), водным режимом почв (ИСС «РЕЖИМЫ ОРОШЕНИЯ») и применением сидеральных удобрений (ИСС «СИДЕРАЦИЯ»).

Информационно-советующая система по управлению плодородием орошаемых почв предназначена для сохранения почвенного плодородия орошаемых участков и эффективного использования ресурсов поливных хозяйств региона. Это достигается путем проектирования рационального состава и параметров технологического процесса внесения органических иминеральных удобрений при возделывании орошаемых культур. ИСС «УПОП» представляет собой экспертную систему. Ее базы знаний являются процедурными, то есть являются совокупностями правил типа ЕСЛИ <условие> ТО<действие>, описывающих предметную область системы - управление минеральным питанием полевых культур и орошаемого поля в целом. При разработке ИСС был применен оригинальный метод, заключающийся в представлении процедурных знаний с помощью реляционных баз данных. Это позволило унифицированно использовать различные справочники и наборы правил оценки почвенно-мелиоративного состояния орошаемого участка, определения видов, доз и сроков внесения удобрений, подбора машин и орудий. Программное обеспечение представляет собой оболочку экспертной системы, в которую кроме программ, предназначенных для формализации, хранения и использования знаний специалистов-экспертов в области сельского хозяйства, мелиорации и экологии, входят процедуры и функции организации пользовательского интерфейса, позволяющие в удобной форме вводить большие массивы разнородной информации, при необходимости заменяя точные численные значения параметров качественными оценками, а также создавать и редактировать экранные формы и процедурные правила (рис. 12).

Рис.12. Структурная схема программно-информационного обеспечения ИСС «УПОП»

Разработаны два варианта использования ИСС «УПОП» для проектирования адаптивного к условиям конкретного поля технологического процесса управления почвенным плодородием: совместно с ГИС-мониторингом и автономно. При сопряжении ИСС и локального ГИС-мониторинга пользователю достаточно указать интересующее его поле, культуру и планируемую урожайность. Данные о содержании гумуса, элементов питания, реакции почвенного раствора и содержании в нем водорастворимых солей, плотности сложения почв и другие, необходимые для проектирования технологического процесса, будут получены из атрибутивной базы мониторинга автоматически с помощью стандартных подпрограмм. При использовании ИСС в автономном режиме исходная информация для проектирования подготавливается с помощью специальной программы ведения диалога с пользователем.

Последующее проектирование адаптивного к условиям поля технологического процесса производится с помощью программы-решателя, работающей под управлением специальных реляционных файлов базы знаний - наборов правил, важнейшими из которых являются:

1) правила расчета общих доз основных питательных веществ (ОДОПВ), необходимых для возмещения их выноса из почвы с планируемым урожаем и выравнивания эффективного почвенного плодородия по фосфору и калию в направлении средней и достаточной обеспеченности почвы этими элементами питания;

2) правила определения дозы органических удобрений, необходимой для предотвращения снижения содержания гумуса ниже фоновых значений, расчета доз минеральных удобрений с учетом ОДОПВ и содержания элементов питания в органическом удобрении;

3) правила определения оптимальных для почвенных условий и культуры кратности, сроков и норм внесения минеральных удобрений;

4) правила выбора отвечающих агромелиоративным свойствам почвы оптимальных и допустимых видов, сортов и марок минеральных удобрений;

5) правила подбора технических средств внесения удобрений, учитывающие агрофизические свойства почв.

Результатом работы ИСС «УПОП» является технологическая карта работ по внесению органических и минеральных удобрений на поле.

Информационно-советующая система «Режимы орошения» была разработана для проектирования эксплуатационных режимов орошения, дифференцированных по предполивному порогу влажности и глубине расчетного слоя почвы, применение которых является одним из эффективных способов уменьшения антропогенной нагрузки на орошаемые агроландшафты. Она обеспечивает:

1) Расчет водопотребления полевых культур и оросительной нормы.

2) Проектирование рациональных, дифференцированных по предполивному порогу влажности почвы и расчетной глубине увлажняемого слоя, режимов орошения.

3) Планирование внутрихозяйственного водопользования.

В программе применен метод расчета режимов орошения по году-аналогу. Для этого в базу введены данные по 30 метеостанциям Поволжья за 30 и более лет, для которых рассчитан процент обеспеченности дефицита водного баланса каждой культуры. Выбор такого метода позволяет рассчитать как проектный режим орошения на год необходимой обеспеченности водного баланса, так и эксплуатационный режим орошения на конкретный год. Правила определения сроков смены фаз роста и развития, формулы расчета водопотребления основных орошаемых культур, параметры дифференцированных режимов орошения для различных периодов (пр...