Применение интегральных показателей продуктивности агрогеосистем для целей мелиорации

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.

ПРИМЕНЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОДУКТИВНОСТИ АГРОГЕОСИСТЕМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ МЕЛИОРАЦИИ

Д.А. Иванов, Н.Г. Ковалев, О.Н. Анциферова

(ГНУ ВНИИМЗ Россельхозакадемии)

Целью работы является обоснование применения формализованных методов в процессе разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Предлагается определять значения продукционного потенциала макроагрогеосистем на основе методов расчета интегральных параметров продуктивности различных местоположений. В пределах Тверской области выделено одиннадцать типов агроландшафтов. Рассчитаны значения интегральных показателей, отражающих влияние на продуктивность климатических (коэффициент благоприятности климата (1,26-1,40), показатель соответствия климатических условий данной культуре (0,86-0,90) и почвенных (индекс почвы (7,03-8,73) особенностей различных типов агроландшафтов Тверской области. При изучении характера изменчивости степени реализации продукционного потенциала (17,8-31,0 %) в пределах Тверской области выявлены влияющие на нее природные и антропогенные факторы и определены наборы агромелиоративных мероприятий по повышению продуктивности конкретных агрогеосистем, включающие размещение травостоев на почвах с тяжелым гранулометрическим составом и глубоким залеганием морены, вовлечение в севооборот сенокосов, двойное регулирование водно-воздушного режима почв, осушение почв. Определено, что агроландшафты Верхневолжья различаются по своим природным условиям, значению потенциальной продуктивности (она колеблется от 8,86 до 12,19 т/га воздушно-сухой биомассы в год) и по характеру мероприятий оптимизации продукционного процесса. В работе приведены карты-схемы зонирования территории Тверской области по степени реализации максимально возможного продукционного потенциала в различных ландшафтах и по наборам мероприятий оптимизации в них продукционного процесса. Сделан вывод о принципиальной возможности применения методов расчета интегральных параметров продукционного потенциала местоположений к условиям ландшафтных макроединиц.

Ключевые слова: агрогеосистема, интегральные показатели, региональная система земледелия, геоинформационная система, факторы, агроландшафт.

Иванов Дмитрий Анатольевич - член-корреспондент Россельхозакадемии, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИМЗ Россельхозакадемии), заместитель директора по координации научных исследований, заведующий отделом мониторинга состояния и использования осушаемых земель.

Контактный телефон: +7(4822) 378-552.

E-mail: volok123@gmail.com

Ковалев Николай Георгиевич - академик Российской академии сельскохозяйственных наук и Национальной академии аграрных наук Украины, доктор технических наук, профессор, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИМЗ Россельхозакадемии), директор.

Контактный телефон: +7(4822) 378-546.

E-mail: vniimz@list.ru

Анциферова Ольга Николаевна - кандидат сельскохозяйственных наук, Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственного использования мелиорированных земель Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИМЗ Россельхозакадемии), ученый секретарь, заведующая научно-организационным отделом.

Контактный телефон: +7 (4822) 378-586.

E-mail: vniimz@list.ru

земледелие макроагрогеосистема ландшафтный продуктивность

D. A. Ivanov, N. G. Kovalev, O. N. Antsiferova (VNIIMZ)

INTEGRATED INDICES OF AGROGEOSYSTEM PRODUCTIVITY FOR LAND RECLAMATION

The purpose of the work is to substantiate the use of formal methods in the development of adaptive-landscape farming systems. The article proposes to determine the values of macroagrogeosystem production potential based on methods for calculating integrated productivity parameters of different locations. There were determined 11 types of landscapes in the Tver region. The values of integrated indices were calculated. Those indices reflect the influence on the productivity of climatic (coefficient of favorable climate (1.26-1.40), index matching the climatic conditions of the culture (0.86-0.90) and soil specifics (index of soil (7.03-8.73) of different types of landscapes of the Tver region. While studying the variability of realization degree of production potential (17.8-31.0 %) within the Tver region, there were revealed the nature and anthropogenic factors and determined the sets of soil-conservation measures on increasing the productivity of particular agrogeosystems. These measures include placing of herbage on fine-textured and deep moraine soils, involving hayfield in rotations, dual regulation of water-air regime of soil, and soil drainage. It is determined that agrolandscapes of the Upper Volga region differ in their natural environment, the value of potential productivity (it ranges from 8.86 to 12.19 t/ha of air-dry biomass per year), and on character of measures for optimizing the production process. The paper presents a schematic map of the Tver region zoning by the degree of maximum production potential in different landscapes and sets of measures for optimizing their production process. There is made a conclusion about the opportunity of applying the methods for calculating integrated indices of location production potential to landscape macro unit conditions.

Keywords: agrogeosystem, integrated indices, regional farming system, geoinformation system, factors, agrolandscape.

Kovalev Nikolay Georgiyevich - Academician of Russian Academy of Agricultural Sciences and National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine, Doctor of Technical Sciences, Professor, State Scientific Institution All-Russian Scientific Research Institute of the Agricultural Use of Reclaimed Land of Russian Academy of Agricultural Sciences (VNIIMZ), Director.

Contact telephone number: +7 (4822) 378-546.

E-mail: vniimz@list.ru

Antsiferova Olga Nikolayevna - Candidate of Agricultural Sciences, State Scientific Institution All-Russian Scientific Research Institute of the Agricultural Use of Reclaimed Land of Russian Academy of Agricultural Sciences (VNIIMZ), Academic Secretary, Head of the Scientific Organizing Department.

Contact telephone number: +7 (4822) 378-586.

E-mail: vniimz@list.ru

Ivanov Dmitriy Anatolyevich - Сorresponding Member of Russian Academy of Agricultural Sciences, Doctor of Agricultural Sciences, State Scientific Institution All-Russian Scientific Research Institute of the Agricultural Use of Reclaimed Land of Russian Academy of Agricultural Sciences (VNIIMZ), Deputy Director, Head of the Monitoring and Use of Drained Lands.

Contact telephone number: +7 (4822) 378-552.

E-mail: volok123@gmail.com

Современный этап формирования общества требует новых подходов к развитию теории природообустройства и комплексной мелиорации агроландшафтов. Большое значение приобретают интегральные параметры оценки продуктивности местоположений [1], которые позволяют сравнивать по этому показателю агроландшафты различного генезиса. Широко известны работы [2-4], описывающие способы применения интегральных параметров для сравнения биопродуктивности различных типов почв. Основной целью данной работы является обоснование использования формализованных методов в процессе разработки адаптивно-ландшафтных систем земледелия.

В нашей работе предпринята попытка применения вышеназванных методических приемов для оценки продуктивности различных типов агроландшафтов (ТА) Тверской области, а также определения на основе полученных результатов наборов агромелиоративных мероприятий для оптимизации продукционного процесса в их пределах. Природная специфика более мелких по сравнению с почвенными зонами территориальных единиц заставляет, используя предшествующие наработки, видоизменить методику оценки продуктивности, включить в нее новые аспекты и подвергать редакции традиционные подходы.

Макроуровень агроэкологической типизации земель, в пределах которого проводились исследования, можно назвать «подгруппой земель» [5]. В подгруппу осушаемых земель входят территории в пределах одного типа агроландшафтов, подвергающиеся воздействию осушительных и иных мероприятий. Тип агроландшафтов - территориальный макрокомплекс с господством геосистем, характеризующихся единым генезисом рельефа и почвообразующих пород. Его выделение в пределах макротерритории осуществляется на основе изучения сочетаний важнейших компонентов ландшафта и, прежде всего, типов водного питания территории, почвообразующих пород, почв, рельефа, растительных ассоциаций. В условиях совокупности подгрупп земель, которая может располагаться либо в пределах административной единицы (области, республики), либо в пределах агроэкологического раздела (ландшафтной провинции), либо почвенно-географической провинции разрабатывается зонально-провинциальный агрокомплекс - региональная система земледелия [6, 7].

Следует различать потенциальную продуктивность типа агроландшафтов (ППТА) и его реальную продуктивность (РПТА). Под ППТА понимается количество биомассы, которое может образоваться только в идеальных условиях, когда приходные статьи энергетического баланса агроландшафта полностью идут на образование прямой и побочной продукции растениеводства. Под РПТА понимается биомасса основной и побочной продукции растениеводства, полученной в реальных условиях. Показатель соотношения РПТА и ППТА является оценкой степени использования ландшафта.

Потенциальная продуктивность агрогеосистем оценивается по следующим формулам [1]:

- для естественных ценозов:

; (1)

- для агроценозов:

, (2)

где - потенциальная продуктивность биомассы растительности в данных почвенно-климатических условиях, т/га воздушно-сухого вещества;

- индекс почвы;

- коэффициент благоприятности климата;

- показатель соответствия климатических условий данной культуре;

- коэффициент, зависящий от культуры производства.

Индекс почвы - интегральный показатель плодородия почвы [1]:

, (3)

где 6,4; 8,5 и 5,1 - весовые коэффициенты;

и - содержание гуматного и фульватного гумуса, т/га;

- содержание в почве азота, фосфора и калия в почве в долях от их оптимального значения для данной культуры;

- гидролитическая кислотность, мг•экв./100 г почвы.

Максимальное значение индекса почвы равно 20.

Коэффициент благоприятности климата - интегральный показатель, учитывающий тепло- и влагообеспеченность территории [1]:

, (4)

где - показатель эффективного увлажнения:

,

где - среднегодовое количество осадков, мм;

- среднегодовая температура, °С.

Для агроценозов коэффициент применяться не может, так как каждая сельскохозяйственная культура имеет свой оптимальный диапазон гидротермических условий. Поэтому рассчитывают показатель соответствия агроклиматических условий данной культуры (), который вычисляется по формуле [1]:

, (5)

где , , , - параметры, определяемые в зависимости от биологических особенностей рассматриваемой культуры: и - характеризуют оптимальное увлажнение и температуру, и - диапазон соответствующих условий, приемлемых для данной культуры.

Особенности сельскохозяйственного производства учитывает коэффициент , обычно изменяющийся в пределах от 0,5 до 1,45. В пределах Тверской области располагается одиннадцать типов агроландшафтов (рисунок 1), описание природных условий которых дано в таблице 1 [8, 9].

Рисунок 1 - Типы агроландшафтов Тверской области

Таблица 1 - Характеристика природных условий основных типов агроландшафтов Тверской области [8, 9]

Используя формулы (1)-(5), на основе учета условий вегетации многолетних трав можно рассчитать значения ППТА для охарактеризованных выше макроагрогеосистем (таблица 2).

Таблица 2 - Параметры расчета потенциальной продуктивности типов агроландшафтов в пределах Тверской области

Максимальное значение (коэффициента благоприятности климата) наблюдается в пределах холмистых моренных равнин, расположенных на западе и северо-западе области (рисунок 1). Этот тип агроландшафтов наряду с болотными массивами характеризуется максимальными значениями индекса почвы . Потенциальная продуктивность естественных лугов составляет в пределах холмистых равнин 12,2 т/га воздушно-сухого вещества, а для осушенных болот - 11,44 т/га.

На основе анализа статистических материалов наиболее высокая реальная продуктивность многолетних трав отмечена в пределах моренно-озерно-ледниковых равнин (3,23 т/га), а наиболее низкая - на побережьях водоемов (1,77 т/га) и на холмистых моренных равнинах (2,18 т/га). Это отчасти объясняется низким значением (показателя соответствия агроклиматических условий данной культуре), который для холмистых равнин составляет 0,86. Противоречия между реальными и потенциальными данными в основном объясняются факторами, не учтенными при работе с формулами (1)-(5). Суммарно они включаются во множитель , потенциальное значение которого может быть вычислено по формуле:

,

где - потенциальное значение ;

- потенциальная продуктивность конкретного типа агроландшафта;

- индекс почвы;

- показатель соответствия агроклиматических условий данной культуре.

Реальное значение может быть определено по формуле:

,

где - реальное значение ;

- реальная продуктивность конкретного типа агроландшафта;

- индекс почвы;

- показатель соответствия агроклиматических условий данной культуре.

Разница между потенциальным и реальным значением определяет потенциал мелиорации агроландшафта, то есть коэффициент максимально возможного увеличения его продуктивности при применении комплекса агротехнических и агромелиоративных мероприятий.

Доля от значения , выраженная в процентах, определяет степень реализации ППТА конкретной агрогеосистемы. Картограмма степени реализации ППТА в различных типах агроландшафтов Тверской области показана на рисунке 2. Данные этого рисунка и таблицы 2 показывают, что максимальная степень реализации ППТА наблюдается в пределах моренно-озерно-ледниковых (31,0 %) и крупнохолмистых моренных равнин (30,5 %), а минимальная в условиях холмистых моренных равнин (17,8 %).

Рисунок 2 - Группировка типов агроландшафтов по степени реализации их потенциальной продуктивности (ППТА)

Сравнение различных типов агроландшафтов возможно только в единой системе факторных координат. Выявление факторов, влияющих на степень реализации ППТА, позволяет определить направления агромелиоративного воздействия на природные комплексы. В таблице 3 приведены результаты мультирегрессионного анализа влияния единого набора факторов природной среды агрогеосистем на степень реализации ППТА различных агрогеосистем.

Все факторы, влияющие на степень реализации ППТА, можно разделить на три группы: сильно влияющие, определяющие более 10 % ее вариабельности; слабо влияющие ? от 10 до 1 %; практически не влияющие ? менее 1 %. Максимальное воздействие на степень реализации потенциала продуктивности агроландшафтов оказывает соотношение в них луга и пашни. Его увеличение приводит к понижению степени реализации, что свидетельствует о влиянии на нее степени биологизации севооборота. Этот вывод подтверждается и отрицательным влиянием роста доли сенокосов на степень реализации ППТА (таблица 3).

Таблица 3 - Факторы, влияющие на степень реализации потенциальной продуктивности типов агроландшафтов в пределах Тверской области

Увеличение запасов продуктивной влаги в почвах способствует росту степени реализации ППТА, так как улучшает водопотребление трав. Однако отрицательное влияние на нее увеличения доли заболоченных угодий в агроландшафте и положительное влияние степени эродированности пашен, определяющей самодренаж территории, заставляет сделать вывод о необходимости двойного регулирования водно-воздушного режима почв [10, 11].

Регрессионный анализ позволяет выявить оптимальные и критические значения факторов, влияющих на степень реализации ППТА (таблица 4). Урожаи многолетних трав выше среднего уровня получают в агроландшафтах с соотношением луга и пашни, меньшим 0,84, что говорит о большой роли сеяных травостоев в процессе повышения РПТА.

Таблица 4 - Сопоставление оптимальных значений факторов, влияющих на степень реализации потенциальной продуктивности типов агроландшафтов с их реальными значениями для условий Тверской области

Следовательно, биологизация севооборотов является мощным фактором повышения продуктивности агроландшафтов. Важным условием для получения высоких урожаев сена является наличие в метровом слое почвы запасов продуктивной влаги не менее 222 мм, физической глины не менее 26 % и т. д. Такие показатели, как содержание фосфора и калия в почвах определяют негативное влияние на произрастание трав плотных моренных суглинков (морена относительно богата этими элементами). Оптимальное значение доли эродированных угодий определяет степень самодренирования территории.

Сопоставляя оптимальные значения факторов, влияющих на степень реализации ППТА, с их реальными значениями, можно определить основную направленность агромелиоративных мероприятий в различных АГС. Анализ таблицы 5 показывает, что некоторые агрогеосистемы, такие как морено-эрозионные равнины или крупнохолмистые моренные равнины, нуждаются в незначительном антропогенном вмешательстве для оптимизации продукционного процесса трав, в то время как холмистые моренные равнины, болотные массивы и другие требуют комплексного многофакторного воздействия для повышения степени реализации ППТА.

Таблица 5 - Системы мероприятий, направленных на повышение степени реализации потенциальной продуктивности типов агроландшафтов для бобово-мятликовых травостоев в условиях Тверской области

В таблице 5 приведены системы природоустроительных и мелиоративных мероприятий, направленных на повышение степени реализации ППТА для бобово-мятликовых травостоев в различных типах агроландшафтов. Все системы можно объединить в три группы: адаптивное размещение травостоев в зависимости от гранулометрического состава и геологического строения почв; адаптивное размещение травостоев и осушительно-оросительные мелиорации; адаптивное размещение травостоев, водные мелиорации и землеустроительные мероприятия (вовлечение в севооборот некоторого количества сенокосов). Схема зонирования территории области по группам мероприятий показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Зонирование территории Тверской области по направленности мероприятий оптимизации продукционного процесса трав

Таким образом, методика оценки продуктивности типов агроландшафтов может быть основана на использовании интегральных показателей. На этапе становления методов проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия они могут успешно применяться не только в пределах типов почв, но и на уровне весьма мелких иерархических единиц биосферы. В совокупности с геоинформационными системами и приемами математического моделирования они позволяют выявлять ареалы распространения мероприятий по оптимизации мелиоративного состояния геокомплексов.

Список использованных источников

1. Пегов, С. А. Моделирование развития экологических систем / С. А. Пегов, П. М. Хомяков. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 224 с.

2. Белова, И. В. Прогноз продуктивности сельхозугодий Барабинской низменности с использованием ГИС-технологий / И. В. Белова, Л. В. Кирейчева, М. Т. Устинов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2008. - № 1. - С. 28-30.

3. Технологии управления продуктивностью мелиорируемых агроландшафтов различных регионов Российской Федерации / Л. В. Кирейчева [и др.]. - М., 2008. - 82 с.

4. Кирейчева, Л. В. Методология прогнозирования продукционного потенциала и формирование устойчивого мелиорированного агроландшафта / Л. В. Кирейчева, И. В. Белова, О. Б. Хохлова / Методы и технологии комплексной мелиорации и экосистемного водопользования. - М., 2006. - С. 82.

5. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий: метод. рук. / под ред. В. И. Кирюшина, А. Л. Иванова / ФГНУ «Росинформагротех». - М., 2005. - 794 с.

6. Иванов, Д. А. Ландшафтно-адаптивные системы земледелия (агроэкологические аспекты): монография / Д. А. Иванов. - Тверь, 2001. - 304 с.

7. Агроландшафтоведение / Н. Г. Ковалев [и др.]. - М.-Тверь, 2004. - 492 с.

8. Атлас Калининской области. - М.: ГУГК, 1964. - 34 с.

9. Дорофеев, А. А. Легенда ландшафтной карты Тверской области / А. А. Дорофеев, С. А. Логинов. - М.: ГУГК, 1990. - 1 с.

10. Зайдельман, Ф. Р. Эколого-мелиоративное почвоведение гумидных ландшафтов / Ф. Р. Зайдельман. - М.: Агропромиздат, 1991. - 320 с.

11. Применение агромелиоративных мероприятий на осушенных минеральных землях Нечерноземной зоны РСФСР: технологический регламент / Минсельхозпрод РСФСР, ВНИИМЗ, СевНИИГиМ. - М., 1990. - 58 с.

Размещено на Allbest.ru