Использование ГИС-технологий для оценки временной динамики структуры агроландшафтов и свойств почв на примере умеренно-засушливой и колочной степи Алтайского края

надлежит Суздальскому району области, тогда как минимальный — Судогодскому району. Преобразованная градация оценки почвенного плодородия показывает, что почвенный покров в районах имеет неоднородную структуру. Результаты исследований могут быть полезными для департаментов сельского хозяйства районов с целью контроля и повышения уровня плодородия.

Библиографический список

1. Ягодин Б.А. и др. Агрохимия: учебник по агрономическим специальностям / под ред. Б.А. Ягодина. — М.: Агропромиз-дат, 1989. — 654 с.

2. Благовидов Н.Л. Качественная оценка земель и их рациональное использование.

— Л., 1962.

3. Благовидов Н.Л. Качественная оценка земель: Бонитировка почв и оценка земель. — М.: МСХ СССР, 1960. — 79 с.

4. Цховребов В.С., Фаизова В.И., Марьин А.Н. и др. Бонитировка и качественная оценка почв: учебно-методическое пособие. — Ставрополь: Параграф, 2011. —

61 с.

5. Владимирская область: анализ экономического положения РИА новости. — М., 2011. — 36 с.

6. Гаврилюк Ф.Я. Бонитировка почв. —

М., 1970.

7. ГОСТ 26484-85 Почвы. Метод определения обменной кислотности.

+ +

8. Гришина А.В. Агроэкологическая оценка уровней содержания тяжелых металлов в экосистемах Владимирской области: дис. ... канд. с.-х. наук: 06.01.04. — М., 2001. — 233 с.: ил.

9. Земледелие с почвоведением: учебно-методический комплекс для студентов, обучающихся по специальности 110201.51 «Агрономия». — Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2010. — 128 с.

10. Комаров В.И., Баринова К.Е. Агрохимическая и агроэкологическая характеристика почв сельскохозяйственного назначения Владимирской области. — Владимир, 2008. — 179 с.

11. Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения. — М.: ФГНУ «Росинформагро-тех», 2003. — 240 с.

12. Минеев В.Г. Агрохимия. — М.: МГУ: КолосС, 2004. — 2-е изд., перераб. и доп.

— 720 с.

13. Практикум по агрохимии: учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. / под ред. акад. РАСХН В.Г. Минеева. — М.: Изд-во МГУ, 2001. — 689 с.

14. Тюменцев Н.Ф. Как оценить качество почв. — Новосибирск, 1966.

15. Приказ Минсельхоза России № 5 от 11 января 2013 г. «Об утверждении методики расчета показателя почвенного плодородия в субъекте Российской Федерации».

16. http://ru.wikipedia.org/.

+

УДК 63:911.52:631.445.4 (571.15) Г.Г. Морковкин,

Е.А. Литвиненко, Т.В. Байкалова,

Н.Б. Максимова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ СТРУКТУРЫ АГРОЛАНДШАФТОВ И СВОЙСТВ ПОЧВ НА ПРИМЕРЕ УМЕРЕННО-ЗАСУШЛИВОЙ И КОЛОЧНОЙ СТЕПИ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Ключевые слова: агроландшафты, умеренно-засушливая и колочная степь, черноземы обыкновенные и выщелоченные, данные дистанционного зондирования, NDVI, морфология почв.

Введение

Ландшафты лесостепной и степной зоны подвергаются наиболее интенсивному сельскохозяйственному воздействию и вместе с

тем являются наиболее благоприятным ресурсом для развития земледелия, в связи с этим они находятся в условиях повышенного риска и нуждаются в контроле и грамотном природопользовании для сохранения своего аграрно-природного потенциала [6].

Сельскохозяйственное использование земель связано с возрастающим влиянием человека на почву. Длительное использование приводит к широкому распространению

процессов деградации почв. Антропогенная деградация почв — это необратимые изменения в структуре и функционировании почв, которые вызваны физическими, химическими или биотическими антропогенными воздействиями, превышающими природную устойчивость почвы и ведут к невозможности выполнения почвами их экологических функций [20].

Основной характеристикой сформированного сельскохозяйственным использованием природного комплекса является упрощение ландшафта, то есть уменьшение сложности его структуры [2].

Замена естественной растительности агроценозами приводит к тому, что преобразованный ландшафт в большей степени реагирует на нагрузки [10]. Формируются вторичные по отношению к исходным ландшафтам агроландшафты, преобразованные хозяйственной деятельностью настолько, что изменяется связь природных компонентов в степени, ведущей к возникновению нового по сравнению с ранее существующим на этом месте природного комплекса

[17].

Сельскохозяйственное производство ведет через изменение растительности к изменению почвенного покрова. Возникают новые взаимоотношения культурных растений с животным населением почвы, с окружающей средой, нарушается установившийся естественный баланс органического вещества в почве в результате его отчуждения с урожаем [5]. Это приводит к процессам деградации почв: минерализации, дегумификации, опустыниванию, водной и ветровой эрозии [13], изменению физических показателей почв (плотности, агрегатного состава, влагоемкости, водопроницаемости, водопрочности агрегатов, почвенной структуры) [8].

Объект исследования — агроландшафты умеренно-засушливой и колочной степи Алтайского края.

Предмет исследования — возможности использования ГИС-технологий для оценки динамики структуры агроландшафтов и свойств почв на примере зоны умереннозасушливой и колочной степи Алтайского края.

Временная динамика горизонтальной структуры агроландшафта позволяет судить о степени интенсивности сельскохозяйственного использования земель, а также о реакции ландшафта в целом и отдельных его компонентов на изменения в характере использования территории.

В связи с этим целью работы являлось изучение изменений структуры агроландшафтов и свойств почв при длительном использовании в составе сельхозугодий.

Исследования проведены на реперных участках, в качестве которых были определены три типичных хозяйства Ребрихинского района (для соблюдения временного соответствия территорий исследований в анализ включены территории расположения хозяйств в 60-70-е годы ХХ в., в тексте статьи сохранены изначальные названия указанных хозяйств). Территория района расположена в подзоне обыкновенных черноземов умеренно-засушливой и колочной степи [3]. Согласно агроклиматическому районированию Алтайского края Ребрихинский район находится, преимущественно, в теплом слабо-увлажненном подрайоне [1]. Климат отличается жарким, но коротким летом, холодной малоснежной зимой с сильными ветрами и метелями. Среднегодовая температура воздуха — -0,4С, средняя температура самого холодного месяца (январь) — -18,6С, самого теплого (июль) — +18,8С. Сумма активных температур за период с температурой выше + 10С составляет 2208 С. Влагообеспеченность территории определяется количеством выпавших осадков и условиями испарения. Сумма осадков за год — 327 мм, из них на теплый период (апрель-октябрь) приходится 290 мм, коэффициент увлажнения для исследуемого района составляет 0,5 [16].

Для выполнения поставленной цели проводился сравнительный анализ архивных данных 2 туров почвенных обследований, проведенных в 60-70-е годы и в 80-90-е годы ХХ в. и предоставленных ОАО «Алтай-НИИГипрозем», а также анализ данных дистанционного зондирования (космоснимки, 2000-е годы). Указанные сведения использовали при изучении динамики площадей сельскохозяйственных угодий, степени проявления ветровой и водной эрозии, показателей содержания гумуса в почвах, состояния мощности гумусового горизонта почв.

Картографические материалы, имеющиеся в наличии, в значительной степени устарели и не могут служить источником достоверной информации об актуальном состоянии сельскохозяйственных угодий. Поэтому данные о современном состоянии угодий получены с помощью снимков среднего разрешения в нескольких спектральных диапазонах со спутниковой системы LAND-SAT. Для реализации задач исследования использовался программный комплекс ENVI, позволяющий осуществить визуализацию, классификацию и спектральный анализ космических снимков.

Дешифрирование снимков в значительной степени облегчается наличием картматериа-лов второго тура почвенных обследований. Задача решается путем сравнения карт, от-

ражающих раннее состояние угодий, и космоснимков 2000-х годов.

На первом шаге снимки и картматериалы взаимно трансформировались — приводились к единой системе координат WGS 84 для создания векторных слоев структуры землепользования на современном этапе (2000-2010 гг.).

Выделение всех контуров осуществляли визуальным способом: контуры сельскохозяйственных угодий векторизовали по космоснимкам, с уточнением границ по имеющимся картматериалам. Выбор этого метода обусловлен тем, что визуальное дешифрирование обеспечивает более быстрый результат и требует меньше наземных эталонов, чем любой из алгоритмов автоматического выявления изменений. Векторизацию проводили в программе MapInfo Professional v.10.5. MapInfo является полнофункциональной геоинформационной системой, возможности которой позволяют отображать, редактировать и обрабатывать картографические данные, хранящиеся в базе данных, с учетом пространственных отношений объектов [4].

Вторым этапом работы является формирование цветного изображения в синтезе CIR (Color Infra Red) с последующей оцифровкой контуров лесной и кустарниковой растительности.

Характерной особенностью растительности является относительно малое отражение в красной области спектра и большее в ближней инфракрасной [7], поэтому векторизация лесной и кустарниковой растительности по материалам космической съемки производится с помощью цветного изображения в синтезе CIR. Такое изображение получается при синтезировании трех спектральных каналов: ближнего инфракрасного, красного и зеленого (NIR-R-G). В результате чего формируется изображение, окрашенное в красные и зеленые цвета, где изменение оттенков изображения от яркокрасного до тёмного красно-коричневого связано с различиями в видовом составе растительных сообществ или фазе вегетации и густоте растительного покрова [12]. Так, сплошные лесные массивы и заросли кустарников имеют более интенсивный красный цвет, чем сельскохозяйственные поля (рис. 1).

На третьем этапе проводили расчет нормализованного разностного индекса вегетации растений (NDVI — Normalized Difference Vegetation Index) для последующей векторизации земель различного сельскохозяйственного использования (рис. 2).

Индекс рассчитывали по формуле NDVI = (NIR-Red)/(NIR + Red),

где NIR — это значение отражения в инфракрасной области спектра;

Red — в красной.

Эти области связаны с активностью вегетации и мало зависят от прочих факторов. То есть чем активнее вегетация, тем больше поглощать хлорофилл (меньшее отражение в красной области) и больше отражать клеточная структура (увеличение отражения в инфракрасной) [11].

Условные обозначения: лес и кустарники

Рис. 1. Результаты дешифрирования контуров лесной и кустарниковой растительности по синтезированному изображению на примере к-за «Партизанский штаб» Ребрихинского района

В результате расчета NDVI получили изображение, где более светлые участки соответствуют большему значению индекса и более активной вегетации. Таким образом, можно выделить на снимке распаханные поля и участки, занятые различными сельскохозяйственными культурами (рис. 3).

Итогом проведенной работы является формирование векторных слоев «лесная и кустарниковая растительность», «пашня» и «сенокосы и пастбища» (рис. 4-6), на основе которых получена информация о площадях угодий на современном этапе.

Итогом проведенной работы является формирование векторных слоев «лесная и кустарниковая растительность», «пашня» и «сенокосы и пастбища» (рис. 4-6), на основе которых получена информация о площадях угодий на современном этапе.

Анализ данных почвенных обследований и результатов дешифрирования показал, что структура землепользования изучаемых хозяйств претерпела значительные изменения

(табл. 1). Во всех рассматриваемых хозяйствах уменьшилась доля пашни. В среднем площадь пашни сократилась на 18%, причем на 12% из них в период с 1991 по 2000 гг.

о 1

Рис. 2. Фрагмент изображения территории Ребрихинского района с рассчитанным индексом NDVI

сенокосы и пастбища

Рис. 3. Результаты дешифрирования контуров пашни и пастбищ на примере к-за «Партизанский штаб» Ребрихинского района

В целом по всем хозяйствам наблюдается снижение доли пашни с 79 до 61% за счет увеличения доли лесов и кустарников и

прочих земель. По увеличению процентного соотношения лесов и кустарников в общей структуре землепользования хозяйств можно констатировать факт зарастания бросовых земель, то есть о восстановлении естественного для данной природно-почвенной подзоны фитоценоза.

срнокосы и пастбища лес и кустарники

Рис. 4. Схема структуры агроландшафтов к-за «Партизанский штаб» Ребрихинского района по данным на 2000 г., совмещенная с почвенной картой

Условные обозначения:

почвенная карта 1991 г. пашня

сенокосы и пастбища лес и кустарники

Рис. 5. Схема структуры агроландшафтов к-за «Имени Мамонтова» Ребрихинского района по данным на 2000 г., совмещенная с почвенной картой

Условные обозначения:

[.1 почвенная карта 1991 г. пашня

|..| 1 сенокосы н пастбища

лес н кустарники

Рис. 6. Схема структуры агроландшафтов к-за «Красный партизан» Ребрихинского района по данным на 2000 г., совмещенная с почвенной картой

Таблица 1 Динамика изменения площади сельскохозяйственных угодий

Доля угодий в общей площади, % В среднем по реперным участкам

1973 г. 1991 г. 2000 г.

Пашня 78 73 61

Пастбища и сенокосы 14 12 13

Лес и кустарники 3 6 14

Прочие земли 5 9 12

Рассматриваемая территория занимает промежуточное положение между степной и лесостепной зоной, поэтому можно предположить, что согласно данным, приведенным Н.Ф. Реймерсом, для устойчивого функционирования ландшафтов данной местности доля природных и природноантропогенных ландшафтов должна составлять 30-50% [18].

Таким образом, даже снижение доли пашни в среднем до 61% и увеличение площади леса до 14% не позволяют ландшафтам рассматриваемой природнопочвенной подзоны достичь необходимого

минимума устойчивого функционирования, что приводит к неизбежной деградации ландшафтов в целом и почвенного покрова в частности.

При проведении полевых исследований осенью 2012 г. была дана оценка изменения морфологической структуры почвенных профилей на реперных участках по сравнению с данными результатов второго тура почвенного обследования в 80-90-е годы ХХ в. (табл. 2, 3).

Таблица 2

Сравнительная морфологическая характеристика черноземов обыкновенных

Разрез № 10 — 1991 г. Разрез № 3 — 2012 г.

Апах 0-23 см. Свежий, темно-серый, комковато-пылеватый, рыхлый, корни растений, переход постепенный Апах 0-13 см. Свежий, серый, комковато-пылеватый, рыхлый, корни растений, переход ясный

А 13-27 см. Свежий, серый, комковато-глыбистый, плотный, единичные корни растений, переход постепенный

АВ 23-44 см. Свежий, серый с буроватым оттенком, комковатый, уплотненный, единичные корни растений, переход постепенный АВ 27-40 см. Свежий, серый с буроватым оттенком, глыбисто-комковатый, плотный, единичные корни растений, переход постепенный

В 44-65 см. Свежий, сероватобурый, комковатый, уплотненный, единичные корни растений, переход постепенный Вк 40 см. Свежий, белесо-бурый, глыбисто-комковатый, плотный, пропитка карбонаты, псевдомицелий

Для почв умеренно-засушливой и колоч-ной степи в 90-х годах по описанию, указанному в почвенном очерке, характерно следующее строение гумусовых горизонтов: Ап — свежий, темно-серый, комковатопылеватый, рыхлый; АВ — свежий, серый с буроватым оттенком, комковатый, уплотненный [14, 15].

К 2012 г. по нашим данным строению верхних горизонтов присущи признаки: Ап — свежий, серый, комковато-пылеватый, рыхлый; А — свежий, серый, комковатоглыбистый, плотный; АВ — свежий, серый с буроватым оттенком, комковатый-глыбистый, плотный.

На современном этапе использования почв наблюдается резкое уплотнение почвы по генетическим горизонтам. Так, если в 1991 г. почвы имели уплотненное сложение, то на данный момент преобладает категория «плотные» почвы, реже — «очень плотные». Также произошло укрупнение почвенных агрегатов. Структура почвы изменилась с комковатой на комковато-глыбистую

и глыбисто-комковатую. Эти процессы являются, преимущественно, следствием механического воздействия мобильной сельскохозяйственной техники: давление ходовых систем, вибрация почвы, буксирование, воздействие рабочих органов на почву [19]. В связи с этим возникает настоятельная необходимость применения агротехнических мероприятий, направленных на ликвидацию и предотвращение переуплотнения почв: минимизация обработки почв, организация севооборотов, внесение органических удобрений, мульчирование поверхности почвы [9].

Таблица 3

Сравнительная морфологическая характеристика черноземов выщелоченных

За период с 1991 по 2012 гг. мощность гумусовых горизонтов в среднем существенно не изменилась, составив для черноземов обыкновенных 42 см и черноземов выщелоченных — 45 см.

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Метод совместного использования данных дистанционного зондирования и разновременных результатов почвенных обследований является эффективным для определения динамики структуры агроландшафтов.

2. За рассмотренный временной период (1960-е — 2000-е годы) в условиях умеренно-засушливой и колочной степи Алтайского края в структуре агроландшафтов произошли значительные изменения, в частности снижение доли пашни за счет увеличения доли лесов и кустарников и прочих земель.

3. Почвы изученной природно-почвенной подзоны (черноземы обыкновенные и вы-

щелоченные) претерпели явные изменения морфологических признаков в части переуплотнения подпахотных горизонтов почв и укрупнения структурных агрегатов, что явилось следствием интенсивной сельскохозяйственной деятельности.

Библиографический список

1. Агроклиматические ресурсы Алтайского края (без Горно-Алтайской автономной области). — Л.: Гидрометеоиздат, 1971.

— 156 с.

2. Бунина Н.П., Шабанов В.В. К вопросу территориальной организации культурного ландшафта // Проблемы научного обеспечения развития эколого-экономического потенциала России: сб. тр. МГУП. — М., 2004.

— С. 147-150.

3. Бурлакова Л.М. Плодородие Алтайских черноземов в системе агроценоза. — Новосибирск: Наука, 1984. — 199 с.

4. Жуков В.Т., Новаковский Б.А., Чума-ченко А.Н. Компьютерное геоэкологическое картографирование. — М.: Научный мир, 1999. — 128 с.

5. Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии. — М.: Колос, 2000. — 416 с.

6. Красноярова Б.А. Территориальная

организация аграрного природопользования Алтайского края. — Новосибирск: Наука.

Сиб. предприятие РАН, 1999. — 161 с.

7. Крылов А.М., Владимирова Н.А. Дистанционный мониторинг состояния лесов по данным космической съемки // Геоматика.

— 2011. — № 3. — С. 53-57.

8. Кухарук Н.С., Чендев Ю.Г., Петин А.Н. Микроморфологические особенности органического вещества при агроген-ной трансформации почв лесостепной зоны // Научные ведомости Белгородского государственного университета. — Серия: Естественные науки. — 2011. — Т. 16. — № 15.

— С. 168-179.

9. Муха В.Д., Картамышев Н.И., Кочетов И.С. и др. Агропочвоведение. — М.: Колос, 1994. — 528 с.

10. Мухин Ю.П., Кузьмина Т.С., Баранов В.А. Устойчивое развитие: Экологическая оптимизация агро- и урболандшафтов. — Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2002. — 122 с.

11. Новохатин В.В., Казаков А.А. Использование данных дистанционного зондирования земли в оценке процесса вторичного заболачивания осушенных болот Западной Сибири // Вестник Тюменского государственного университета. — 2012. — № 7.

— С. 167-173.

12. Особенности отображения объектов в различных спектральных зонах / Межуниверситетский аэрокосмический центр при Географическом факультете МГУ им.

Разрез № 106 — 1991 г. Разрез № 6 — 2012 г.

Апах 0-24 см. Свежий, темно-серый, комковато-пылеватый, рыхлый, корни растений, переход постепенный Апах 0-13 см. Свежий, серый, комковато-пылеватый, рыхлый, корни растений, переход ясный

АВ 24-44 см. Свежий, серый с буроватым оттенком, комковатый, уплотненный, единичные корни растений, пропитка карбонаты, переход постепенный АВ 13-39 см. Свежий, серый с буроватым оттенком, комковато-глыбистый, плотный, единичные корни растений, переход постепенный

В 44-73 см. Свежий, буроватосерый, комковатый, плотный, пропитка карбонаты, переход ясный Вт 39-56 см. Свежий, бурый, комковато-глыбистый, плотный, переход постепенный

Вк 56 см. Свежий, светло-бурый, комковато-глыбистый, плотный, карбонаты псевдомицелий

М.В. Ломоносова (Интернет-семинар) //

http://www.geogr.msu.ru/science/aero/ac

enter/int_sem2/Theme3.htm.

13. Петров К.М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы. — СПб.: Химия, 1998. — 352 с.

14. Пояснительная записка по корректировке материалов почвенного обследования колхоза «Имени Мамонтова» Ребрихинского района Алтайского края. — Барнаул, 1991. — 65 с.

15. Пояснительная записка по корректировке материалов почвенного обследования колхоза «Красный Партизан» Ребрихинского района Алтайского края. — Барнаул, 1991. — 64 с.

+

УДК 631.95+631.153.3+631.454

16. Природно-климатический очерк по Ребрихинскому району Алтайского края. — Барнаул, 1991. — 37 с.

17. Реймерс Н.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды: слов.-справ.

— М.: Просвещение, 1992. — 320 с.

18. Реймерс Н.Ф. Природопользование: слов.-справ. — М.: Мысль, 1990. — 639 с.

19. Черников В.А., Алексахин Р.М., Голубев А.В. и др. Агроэкология. — М.: Колос, 2000. — 536 с.

20. Язиков Е.Г., Шатилов А.Ю. Геоэкологический мониторинг. — Томск: Изд-во

Томского политехнического университета, 2008. — 276 с.

+ +

И.А. Самофалова, Н.М. Мудрых, Н.Ю. Каменских, Ю.А. Лобанова

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ТИПИЗАЦИЯ ЗЕМЕЛЬ КАК ОСНОВА СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СИСТЕМ СЕВООБОРОТОВ

И УДОБРЕНИЙ

Ключевые слова: агроэкологическая

оценка, агроэкологическая типизация земель, агроэкологические группы земель, агроэкологические типы земель, агроландшафты, почвы, севообороты, мероприятия по повышению плодородия почв, дозы удобрений.

Введение

Необходимость учёта природных свойств территории для целей сельского хозяйства и землеустройства была востребована и осознана аграрной наукой на самых ранних этапах её становления. Традиционное деление земель России на категории по признакам отраслевого назначения, а также по пригодности не может обеспечить получение правильных землеустроительных решений в конкретных хозяйствах и на конкретных участках земли [1]. Длительное нерациональное антропогенное воздействие на

природные ландшафты (экосистемы) привело к нарушению их природного цикла, деградации. Возникла необходимость поиска способов повышения устойчивости вновь образованных природно-антропогенных ландшафтов — агроэкосистем. С помощью зональных систем земледелия, применявшихся в 70-80-е годы, решить эту проблему не удалось [2]. Современная земледельческая наука усовершенствовала известные в прошлом адаптивные подходы, предложив для практического применения адаптивноландшафтные системы земледелия (АЛСЗ). Только адаптивный подход может обеспечить учёт природных свойств территории и привязать к земле систему ведения сельскохозяйственного производства с помощью агроэкологической оценки [3, 4].

В современных условиях возрастает необходимость использования земельных ресурсов на основе агроэкологической типи-