Разработка адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий в условиях СХП «Аткарское»

Разработка адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий в условиях СХП «Аткарское»

ВВЕДЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

• 1.1 Адаптивно-ландшафтные системы земледелия
• 1.1.1 Принципы адаптивно-ландшафтного землеустройства
• 1.2 Агроэкологическая оценка земель
• 1.2.1 Агропроизводственные группировки почв
• 1.2.2 Бонитировка почв
• 1.2.4 Основные задачи и критерии оценки земель в системе адаптивно-ландшафтного земледелия
• 1.2.5 Агроэкологические требования сельскохозяйственных культур
• 1.2.6 Агроэкологическая группировка и типизация земель
• 1.3 Геоинформационное обеспечение агроэкологической оценки земель
• 1.3.1 Геоинформационные системы (ГИС)
• 1.3.2 Перспективы использования ГИС в сельском хозяйстве
• 1.3.3 Возможности применения ГИС для агроэкологической оценки
• земель

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

• 2.1 Характеристика объектов исследования
• 2.1.1 Географическое положение СХП «Аткарское» ЗАО «Русский гектар» и история его сельскохозяйственного использования
• 2.1.2 Агроклиматические условия
• 2.1.3 Рельеф
• 2.1.4 Растительность
• 2.1.5 Гидрография и гидрология
• 2.1.6 Почвообразующие и подстилающие породы
• 2.1.7 Почвенный покров
• 2.2 Характеристика методов исследования

ГЛАВА 3. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

• 3.1 Характеристика агроэкологических групп и типов земель и особенности их использования
• 3.2 Формирование АгроГИС
• 3.2.1 Оцифровка топографической основы
• 3.2.2 Построение карты-слоя форм и элементов рельефа
• 3.2.3 Создание карты-слоя структур почвенного покрова
• 3.2.4 Создание карты-слоя видов земель
• 3.2.5 Оценка земель по пригодности для возделывания
• сельскохозяйственных культур
• 3.2.6 Формирование полей севооборотов и производственных участков
• 3.3 Принципы проектирование агротехнологий различного уровня интенсификации
• 3.3.1 Урожайность сельскохозяйственных культур при различных
• уровнях интенсификации производства
• 3.4 Проектирование севооборотов и полевой инфраструктуры
• 3.4.1 Возможности специализации производства и выбор севооборотов
• 3.4.2 Севообороты, принятые в проекте
• 3.5 Проектирование системы обработки почвы
• 3.5.1 Особенности формирования системы обработки почвы в условиях
• хозяйства
• 3.5.2 Система ухода за паровыми полями
• 3.5.3 Принципиальные схемы систем обработки почвы в севооборотах
• 3.6 Проектирование системы применения удобрений
• 3.7 Мелиорация и использование солонцовых почв
• 3.8 Защита почв от эрозии
• 3.9 Защита посевов от сорняков
• 3.9.1 Роль и место химического метода в борьбе с сорняками
• 3.9.2 Особенности применения гербицидов в посевах культур
• 3.10 Защита сельскохозяйственных культур от вредителей
• 3.10.1 Озимая пшеница
• 3.10.2 Горох
• 3.10.3 Просо
• 3.10.4 Ячмень
• 3.10.5 Гречиха
• 3.10.6 Подсолнечник
• 3.10.7 Чечевица
• 3.11 Оценка экономической эффективности агротехнологий

ВЫВОДЫ

ВВЕДЕНИЕ

адаптивное ландшафтное землеустройство

Резко изменившаяся социально-экономическая обстановка и обострившиеся экологические противоречия вызывают необходимость дальнейшей адаптации земледелия уже не только к природным условиям, но и к новым производственным отношениям. В этой ситуации сложившиеся методы разработки и проектирования систем земледелия уже недостаточны.

Агроэкологическая оценка земель — это достаточно ёмкая работа, предшествующая разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Она от начала до конца она должна проводиться на основе ландшафтного анализа, задача которого заключается в выявлении территориальных единиц, характеризующихся однородностью природных условий, их места в структурно-функциональной иерархии ландшафта.

Информация о ресурсном потенциале земель может быть получена лишь на основе анализа соотношения экологических требований желаемого типа землепользования, с фактическими свойствами земель. При этом часто анализу необходимо подвергнуть достаточно большой набор свойств земель (их точное количество зависит от желаемого типа землепользования), каждое из которых может иметь свои особенности пространственного варьирования в пределах исследуемого региона. В настоящий момент подобные задачи наиболее успешно решаются в рамках технологии географических информационных систем (ГИС), позволяющих осуществлять количественный одновременный анализ большого количества отдельных слоев пространственно — координированных данных. Кроме того, использование ГИС-технологий открывает широкие возможности для сопряжённого использования иных методов компьютерного анализа данных (в том числе методов математического моделирования).

В работе будет исследоваться СХП «Аткарское» ЗАО «Русский гектар».

Целью магистерской диссертации явилась разработка адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехнологий применительно к различным категориям земель и уровням интенсификации производства.

При этом решались следующие задачи:

— агроэкологическая оценка и группировка земель в среде ГИС;

— определение специализации производства в соответствии с агроэкологическими, рыночными и хозяйственными условиями, определение площадей земельных массивов;

— разработка структуры посевных площадей и севооборотов;

— выделение полей севооборотов и производственных участков в пределах агроэкологических групп земель;

— разработка систем обработки почвы в севооборотах применительно к различным категориям земель и уровням интенсификации производства;

— разработка систем удобрения полевых культур в севооборотах и технологий их применения;

— разработка систем защиты растений от вредных организмов;

— обоснование почвозащитных и мелиоративных предприятий;

— разработка пакетов агротехнологий для трех уровней интенсификации производства (экстенсивный, нормальный, интенсивный).

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЛСЗ — адаптивно-ландшафтные системы земледелия

г. — город

га — гектар

г — грамм

ГИС — географические информационные системы

л — литр

м — метр

мл — миллилитр

р. — река

рис. — рисунок

руб. — рубль

с. — село

СХП — сельскохозяйственное предприятие

см. — сантиметр

табл. — таблица

ц — центнер

ЭАА — элементарный ареал агроландшафта

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Адаптивно-ландшафтные системы земледелия

Адаптивно-ландшафтные системы земледелия являются следующим этапом развития зональных систем земледелия. Их разработка подразумевает рациональное размещение в условиях конкретного ландшафта сельскохозяйственных культур и сортов — в соответствии с их агроэкологическими и агротехнологическими требованиям.

На смену зональной системы земледелия пришло понятие адаптивно-ландшафтная, имея ввиду адаптацию не только к природным, но и производственным факторам. (Хабиров, и др., 2003).

Строго говоря, адаптивно-ландшафтная система земледелия — это система использования земли определенной экологической группы, ориентированная на производство продукции экономически и экологически обусловленного количества и качества в соответствии с общественными (рыночными) потребностями, природными и производственными ресурсами, обеспечивающая устойчивость агроландшафта и воспроизводство почвенного плодородия (Кирюшин, 2000).

Для формирования адаптивно-ландшафтной системы, эффективно работающей в условиях конкретного ландшафта, необходимо решение целого ряда информационно-методических задач:

1) анализ агроландшафта, климатических и организационно-экономических условий хозяйства. Проведение агроэкологической группировки земель;

2) уточнение существующей или обоснование проективной специализации хозяйства;

3) разработка природоохранных организаций территорий землепользования. Проведение землеустроительных работ (выделение пашни, сенокосов, пастбищ, экологических рекреаций);

4) распределение пашни по агроэкологическим группам для организации адаптированных к агроландшафту севооборотов и сельскохозяйственных культур в них;

5) обоснование структуры посевных площадей и систем севооборотов;

6) проектирование системы удобрения, химической мелиорации (известкования) и воспроизводства органического вещества почвы;

7) разработка ресурсосберегающей почвозащитной системы обработки почвы;

8) разработка и обоснование системы защиты растений от вредных организмов (болезней, вредителей и сорняков);

9) обоснование и расчет основных показателей системы семеноводства и сортовых посевов;

10) разработка адаптивных систем обустройства природных (естественных) кормовых угодий, включающая определение способов их использования, методов их улучшения;

11) расчет экологической и энергетической эффективности АЛСЗ;

12) оформление проекта АЛСЗ;

13) разработка системы производственного агроэкологического мониторинга;

14) разработка локальной агрогеоинформационной системы (Холзанов, 2002).

Ключевым моментом в разработке адаптивно-ландшафтной системы земледелия является адаптивно-ландшафтное землеустройство.

1.1.1 Принципы адаптивно-ландшафтного землеустройства

Адаптивно-ландшафтное землеустройство предусматривает последовательное решение следующих задач:

1) агроэкологическую типизацию земель по ресурсам и лимитирующим факторам почвенного плодородия, тепла, влаги и потенциала развития деградационных процессов;

2) формирование природоохранной инфраструктуры агроландшафта;

3) уточнение специализации хозяйства и схемы размещения севооборотов по территории — на базе комплексного анализа природно-хозяйственных ресурсов и эффективности их использования (Васенев 2002).

При разработке по конструированию оптимальной структуры агроландшафтов должны быть выполнены, по крайней мере, как правило, следующие работы:

— анализ землепользования с использованием имеющихся планово-картографических материалов и проведение при необходимости дополнительных исследований для уточнения земельных угодий (площадей, полей, рабочих участков);

— на топографическом плане использования территории выделить элементарные водосборы, в пределах которых установить фактическое состояние земельных угодий и оценка перспектив их возможной трансформации;

— группировка водосборов агроландшафтных массивов, однородных по почвенным параметрам, форме, крутизне склонов, длине, экспозиции и другим показателям качества земель, с выделением агроэкологическиех групп земель, каждая, из которых характеризуется своим способом использования с экономически оправданной и экологически допустимой интенсивностью в соответствующих севооборотах;

— выявление земель, нуждающихся в мелиорации, а также степень и виды необходимых мелиораций и культуртехнических работ.

По результатам выполненной работы оформляется землеустроительное дело, состоящее из картографических, табличных материалов и пояснительной записки (Якушев, Семенов, 2004).

В основе адаптивно-ландшафтного землеустройства лежат географические координированные данные оценки земель

1.2 Агроэкологическая оценка земель

Научные основы агрономической оценки земель в России были заложены В. В. Докучаевым и сформулированы в его книге «Наши степи прежде и теперь». В дальнейшем стали развиваться два основных направления агрономической оценки земель — создание агропроизводственных группировок почв и бонитировок почв

1.2.1 Агропроизводственные группировки почв

С 1950;х годов основным материалом, характеризующим земельный фонд хозяйств, являются крупномасштабные почвенные карты и интерпретирующие их агропроизводственные группировки почв. К середине 1960;х годов В. М. Фридландом была разработана классификация агропроизводственных группировок, состоящая из трёх категорий. В первой категории почвы группируются в соответствии с их агрономическими свойствами по отношению к конкретной сельскохозяйственной культуре, во второй — по отношению к определённым экологическим группам культур, в третьей — по «общим растениеводческим качествам» (В.М. Фридланд, 1966). Агропроизводственные группировки, относящиеся к первым двум категориям, получили ограниченное распространение (главным образом — при оценке пригодности почв для возделывания чая, винограда, некоторых овощных культур), а наибольшее распространение получили группировки, относящиеся к третьей категории, оценивающие почву как среду для возделывания широкой группы культурных растений (В.И. Кирюшин, 1996). Такие группировки по существу имеют мелиоративный характер, объединяя почвы в зависимости от необходимости применения тех или иных мелиоративных мероприятий различной степени сложности, специальной обработки, внесения повышенных доз удобрений и других мероприятий. Необходимость создания агропроизводственных группировок почв при проведении почвенно-картографических исследований сельскохозяйственных предприятий была установлена нормативно, для различных регионов были созданы методические указания, описывающие методику создания данных группировок (М.Ф. Люжин, 1977; Полевое исследование…, 1990). Агропроизводственные группировки этого типа, основанные на излишне буквальном истолковании понятия «почва — зеркало ландшафта», критикуются за недостаточную оценку и учёт геоморфологических, литологических, гидрологических, микроклиматических условий (В.И. Кирюшин, 1996). В последующем, концепция агропроизводственных группировок получила развитие в работах Н. П. Сорокиной в направлении большего учёта геоморфологических и литологических условий местности (Н.П. Сорокина, 1995; Н. П. Сорокина, 2006), однако эти разработки не получили широкого практического применения.

1.2.2 Бонитировка почв

Под бонитировкой почв обычно понимается сравнительная количественная оценка земель их производительности при сопоставимых уровнях интенсивности земледелия. Величины баллов бонитетов почв должны быть пропорциональны урожайности определенных сельскохозяйственных культур (или групп культур, близких по экологическим требованиям), в отношении которых проводится бонитировка почв (Карманов, 1980). В последнее десятилетие в системах агропроизводственной бонитировки почв ускоренно развивались агроэкологические подходы (Карманов, 1990)

На основе обобщения многолетних результатов работ по агропроизводственной бонитировки земель в 70-е и 80-е годы была сформулирована универсальная методология агроэкологической оценки земель.

1.2.3 Общая методология агроэкологической оценки земель по ФАО

В настоящее время в различных странах накоплен достаточно большой опыт земельно-оценочных работ. Методически наиболее разработанными и широко используемыми во всех странах Мира являются подходы, основанные на методике оценок земель ФАО (Framework…, 1976; FAO, 1978), а также агроэкологические подходы бонитировки почв, разработанные отечественными исследователями (Гаврилюк, 1984; Карманов, 1980; Шишов и др., 1991).

В общем виде землепользование в подходах ФАО определяется как вид человеческой деятельности, которая непосредственно связана с землей, используется ее ресурсы или воздействует на нее. Технически все виды деятельности, проводимые на земле для целей получения продукции или каких-либо услуг (отдых, охрана природы и др.) является землепользованием. Для более детального описания землепользования применяется термин «тип использования земель».

Детальность характеристики типа землепользования предопределяется масштабом работ и спецификой региона.

«Пригодность земель» в данном случае выражается оценкой соответствия свойств земель экологически требованием определенному землепользованию.

Структура классификации пригодности земель ФАО состоит из четырех уровней:

— порядок (отражает вид пригодности);

— класс (указывает степень пригодности);

— подкласс (перечисляет виды ограничений) и

— единица (приводит различия в возможных направления использования).

Выделяют следующие порядки пригодности земель:

1) S — земли, постоянное использование которых для выращивания данной культуры дает прибыль, удовлетворяющую вложенным затратам, без риска возникновения неблагоприятных экологических последствий;

2) N — земли, свойства которых не позволяют возделывать данную культуру.

Выделяют 6 основных классов пригодности земель:

1) S1 - класс высокой пригодности — характеризуется получением урожая составляющего более 80% от такового, выраженного в оптимальных условиях при отсутствии специальных материальных затрат; никаких дополнительных вложений не требуется;

2) S2 - класс средней пригодности — характеризуется получением от 40% до 80% от оптимального урожая при отсутствии затрат; необходимы дополнительные вложения, которые в итоге экономически выгодные;

3) S3 — класс ограниченной пригодности — характеризуется получением 20−40% от оптимального урожая при отсутствии затрат; необходимы вложения, которые экономически выгодны только в благоприятных условиях;

4) N — класс временно непригодных земель — характеризуется получением <20% от оптимального урожая; никакие вложения не могут повысить урожайность культур в данных условиях;

5) N2 — класс постоянно непригодных земель;

6) NR — класс неуместного использования земель.

Подкласс пригодности указывает на вид ограничений, которые ограничивают пригодности земель.

Например:

- S2m — умеренно пригодные земель с ограничениями по влажности

- S3meмалопригодные земли с ограничениями по влажности и температурному режиму и пр.

Таксономические уровни могут различаться по продуктивности или агроэкологическими требованиями и обозначаются S2e-1, S2e-2 и т. д. Ограничений в количестве единиц нет (Савин, 2004).

1.2.4 Основные задачи и критерии оценки земель в системе адаптивно-ландшафтного земледелия

Задачи агроэкологической оценки земель в системе адаптивно-ландшафтного земледелия заключаются в том, чтобы идентифицировать агрономически значимые параметры различающихся участков земель (в соответствии с агроэкологическими требованиями сельскохозяйственных культур и агротехнологий), определить ландшафтные связи между ними, особенности энерго-массопереноса и ландшафтно-геохимические потоки, в пределах которых возможны антропогенные преобразования. В конечном итоге агроэкологическая оценка земель определенным образом соотносится с экономической оценкой (цена земли, прибыль и т. д.), социоэкологической (условия жизни людей) и эколого-экономической (оценка ущерба от деградации земель и др.). Разрабатываемые системы агроэкологической оценки земель включает следующие составляющие: ландшафтно-экологический анализ территории, агроэкологическую оценку почв, агроэкологическую типизацию и классификацию земель, агрогеоинформационные системы по агроэкологической оценке земель. Разработку и анализ ГИС (Васенев, 2002). Оценка земель сообразуется с системой агроэкологических требований сельскохозяйственных культур, которые сопоставляются с агроэкологическими параметрами земель в процессе формирования агроэкологических типов земель (Руководство…, 2005).

1.2.5 Агроэкологические требования сельскохозяйственных культур

Суть адаптивно-ландшафтной системы земледелия заключается в том, чтобы исходя из биологических и агротехнических требований сельскохозяйственных растений найти отвечающую им агроэкологическую обстановку или создать ее путем последовательной оптимизации лимитирующих факторов с учетом экологических ограничений техногенеза (Кирюшин, 1996). Исходной посылкой в данном отношении является система агроэкологической оценки сельскохозяйственных культур, пользующихся спросом на рынке. Биологические и агротехнические требования культур должны быть изложены в агроэкологических паспортах сортов (Кирюшин, 1996) Чтобы выявить агроэкологические ареалы возделывания культур, необходимо отчетливо представлять их требования к агроклиматическим, почвенным, геоморфологическим, литологическим, гидрологическим и другим условиям. При этом наряду с количественными оценками продуктивности не менее важное значение имеет качественная оценка продуктивности не менее важное значение имеет качественная сторона продукции (содержание сахара, белка, крахмала и т. п.)(Кирюшин, 1996).

Сельскохозяйственные культуры и их сорта существенно различаются по требованиям к почве, климату и погоде, рельефу, другим природным факторам. Учет пространственной (а по некоторым факторам — и временной) изменчивости среды является основой рационального размещения культур (Фрумин, 2004).

1.2.6 Агроэкологическая группировка и типизация земель

Чтобы сформировать системы земледелия, адаптированные в соответствии с различными агроэкологическими факторами, необходимо соответствующим образом сгруппировать их в структурно-функциональной иерархии ландшафта, т. е. построит агроэкологическую классификацию земель. Путь к такой классификации в России завершился на стадии агропроизводственных группировок почв (Кирюшин, 1996 г.).

В.М. Фридланд разделил агропроизводственные почв на три категории. В первой категории почвы группируются в соответствии с «агрономическими качествами по отношению к какой-либо сельскохозяйственной культуре», во второй — по отношению к определенным экологическим группам культур, в третьей — по «общим растениеводческим качествам» (Фридланд, 1966).

Наибольшее распространение получили общие группировки, построенные на свойствах почв, определяющих их качество как среды для культурных растений. Большей частью они соответствуют общим принципам составления, предложенным В. М. Фридландом.

Существенным недостатком до сих пор практикуемых в России агропроизводственных группировок почв при использовании их для формирования систем земледелия является весьма ограниченная оценка и учет геоморфологических, литологических, гидрологических, микроклиматических условий (Кирюшин, 1996 г.). Вполне очевидно, что при агропроизводственной оценке земельного массива агроном сталкивается с более сложным, чем агропризводственная группа почв. Это понятие определилось в работах К. В. Зворыкина, Г. С. Гриня, В. М. Фридланда как сельскохозяйственный тип земель. По определению В. М. Фридланда, «тип земель» представляет собой территорию, единую по природным условиям сельскохозяйственного производства с единицами сельскохозяйственного пользования (полями севооборота или производственными участками, участками пастбищеоборота и т. д.) Суть новой агроэкологичекой типологии земель обусловлено требованиями адаптивно-ландшафтных систем земледелия (АЛСЗ). Исходное требование АЛСЗ определяется важнейшим системообразующим началом — агроэкологическими потребностями растений и их средообразующим влиянием. Поэтому в основу типологии положен вслед за Л. Г. Раменским агроэкологический тип земель, то есть территория однородная по условиям возделывания сельскохозяйственной культуры или близким по экологическим требованиям культур. Другое требование, вытекающее из определения АЛСЗ — экологический адрес. Она создается для определенной агроэкологической группы земель: плакорных, эрозионных, переувлажненных и т. д. Третье требование к системе земледелия как ландшафтной, означает, что каждая агроэкологическая группа земель представляет собой агроландшафт во все его структурно-функциональной иерархии с присущими ему особенностями энергомассопереноса. В этом радикальное отличие данной категории от традиционной агропрозводственной группы почв. Построение агроэкологических типов и групп земель осуществляется из первичных элементов, составляющие ландшафт. В качестве таковых рассматриваются элементарные ареалы агроландшафта (ЭАА). Под ЭАА понимают участок на элементе мезорельефа, ограниченный элементарным почвенным ареалом или элементарной почвенной структурой при одинаковых геологических, литологических, гидрологических и микроклиматических условиях. Оценка ЭАА проводится на основе агроэкологической классификации земель, раскрывающей всю совокупность агроэкологических факторов, которые необходимо принимать во внимание при формировании систем земледелия. (АЛСЗ Новосибирской области 2002).

Далее близкие по условиям возделывания сельскохозяйственных культур ЭАА объединяют в агроэкологические типы земель, т. е. участки, однородные по агроэкологическим требованиям культуры и условиям возделывания (Кирюшин, 2002).

Таким образом, предложенная схема агроэкологической типизации земель (рис.1), является каркасом для построения АЛСЗ: агроэкологической группе отвечает система земледелия; в пределах агроэкологических типов формируются севообороты, сенокосообороты, пастбищеобороты и агротехнологии; агроэкологические виды земель определяют технологические операции. Совокупность агроэкологических групп земель в пределах природно-сельскохозяйственной провинции составляет зонально-провинциальный агрокомплекс (Кирюшин, 2000 г.).

Рис. 1. Схема экологической типизации земель

1.3 Геоинформационное обеспечение агроэкологической оценки земель

1.3.1 Геоинформационные системы (ГИС)

Оптимальным для компьютерной инвентаризации почвенного покрова выглядит использование технологий географических информационных систем (ГИС). Несмотря на почти 40-летний период развития ГИС, до сих пор нет устоявшегося единого терминологического аппарата. Существует около 40 различных определений этого термина предложенных отечественными и зарубежными специалистами. Наиболее простым определением является предложенное специалистами сайта www.gis.ru.: «Географическая информационная система (ГИС) — современная компьютерная технология для картографирования и анализа объектов реального мира, происходящих и прогнозируемых событий и явлений».

Почвенный институт предлагает иную формулировку «…ГИС — компьютерная база пространственно — координированных данных, сопряжённых со специальным программным обеспечением и техническими средствами, обеспечивающими возможности их ввода, хранения и анализа…»

ГИС — это не только и не столько информационные системы для географии, а информационные системы с географически организованной информацией. В простейшем варианте геоинформационные системы — это сочетание обычных баз данных (атрибутивной информации) с электронными картами, то есть мощными графическими средствами. Основная идея ГИС — связь данных на карте и в обычной базе данных. Но ГИС — это и аналитические средства для работы с любой координатно-привязанной информацией. В принципе, ГИС можно рассматривать как некое расширение концепции баз данных. В этом смысле ГИС, фактически, представляет собой новый уровень и способ интеграции и структурирования информации.

В окружающем нас мире большая часть информации относится к объектам, для которых важную роль играет их пространственное положение, форма и взаиморасположение. Поэтому ГИС во многих применениях значительно расширяют возможности обычных систем управления базами данных (СУБД), как минимум, предоставляя дополнительные удобства пользования и наглядность, как бы картографический интерфейс для организации запроса к базе данных («Что это?») и средства генерации «картографического отчета» («Где это находится?»). Но ГИС придает обычным СУБД и совершенно новую функциональность, использующую пространственные взаимоотношения между объектами («Что рядом?», «Какой путь короче?», «С какими объектами связан или граничит данный объект?», «Какие объекты пересекаются (накладываются), и в какой мере?») (RadeloffV., HillJ., MehlW, 2000).

ГИС предлагает совершенно новый путь развития картографии.

Преодолеваются основные недостатки обычных карт — их статичность и ограниченная емкость как носителя информации. В последние десятилетия бумажные карты из-за перегруженности информацией становятся нечитабельными. ГИС же обеспечивает управление визуализацией информации. Появляется возможность выводить (на экран, на твердую копию) только те объекты или их множества, которые интересуют нас в данный момент. Фактически осуществляется переход от сложных комплексных карт к серии взаимоувязанных частных карт. При этом улучшается структурированность информации, а следовательно повышается эффективность ее обработки и анализа.

В ГИС карта оживает и становится действительно динамическим объектом в смысле:

— изменяемости масштаба; - преобразования картографических проекций;

— варьирования объектным составом карты (что выводится);

— возможности «опрашивать» через карту в режиме реального времени многочисленные базы данных;

— изменения способа отображения объектов (цвет, тип линии и т. п.); в том числе и определения символогии через значения атрибутов, то есть синхронизировать визуализацию с изменениями в базах данных;

— легкости внесения любых изменений.

Наиболее простой пример использования ГИС — различные информационно-справочные, кадастровые системы. Наглядное представление быстро меняющейся информации позволяет реализовать так называемые «дежурные карты». Мощнейшие средства пространственного анализа помогают создавать системы поддержки принятия решений и моделировать природные и техногенные процессы.

Геоинформационные технологии в настоящий момент широко используются как во многих научных дисциплинах (география, астрономия, физика, геология, биология и т. д.), так и в практике хозяйственной деятельности (в строительстве, медицине, военном деле, проектных организациях, обороне и др.).

Геоинформационные системы наиболее естественно отображают пространственные данные. ГИС объединяет традиционные операции при работе с базами данных — запрос и статистический анализ — с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения ГИС в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений. Данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых задач, касающихся пространственной информации.

Геоинформационные системы тесно связаны с другими информационными системами и используют их данные для анализа объектов.

ГИС отличают:

— развитые аналитические функции;

— возможность управлять большими объемами данных;

— инструменты для ввода, обработки и отображения пространственных данных.

Ключевые преимущества геоинформационных систем:

1) удобное для пользователя отображение пространственных данных. Картографирование пространственных данных, в том числе в трехмерном измерении, наиболее удобно для восприятия, что упрощает построение запросов и их последующий анализ;

2) интеграция данных внутри организации. Геоинформационные системы объединяют данные, накопленные в различных подразделениях компании или даже в разных областях деятельности организаций целого региона. Коллективное использование накопленных данных и их интеграция в единый информационный массив дает существенные конкурентные преимущества и повышает эффективность эксплуатации геоинформационных систем.

3) принятие обоснованных решений. Автоматизация процесса анализа и построения отчетов о любых явлениях, связанных с пространственными данными, помогает ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений;

4) удобное средство для создания карт. Геоинформационные системы оптимизируют процесс расшифровки данных космических и аэросъемок и используют уже созданные планы местности, схемы, чертежи. ГИС существенно экономят временные ресурсы, автоматизируя процесс работы с картами, и создают трехмерные модели местности.

Составляющие геоинформационных систем:

— аппаратные средства;

— программное обеспечение. Программное обеспечение ГИС содержит функции и инструменты, необходимые для хранения, анализа и визуализации географической (пространственной) информации;

— данные. Данные могут быть представлены в виде готовых карт с требуемыми тематическими слоями, либо в виде снимков космической и аэрофотосъемки и пр.

Операции, осуществляемые ГИС:

1) ввод данных. В геоинформационных системах автоматизирован процесс создания цифровых карт, что кардинально сокращает сроки технологического цикла;

2) управление данными. Геоинформационные системы хранят пространственные и атрибутивные данные для их дальнейшего анализа и обработки;

3) запрос и анализ данных. Геоинформационные системы выполняют запросы о свойствах объектов, расположенных на карте, и автоматизируют процесс сложного анализа, сопоставляя множество параметров для получения сведений или прогнозирования явлений;

4) визуализация данных. Удобное представление данных непосредственно влияет на качество и скорость их анализа. Пространственные данные в геоинформационных системах предстают в виде интерактивных карт. Отчеты о состоянии объектов могут быть построены в виде графиков, диаграмм, трехмерных изображений (Савин, 1998).

1.3.2 Перспективы использования ГИС в сельском хозяйстве

Первые ГИС появились в начале 60-х годов в Швеции, а затем в Канаде. В настоящее время ГИС подходы инвентаризации и анализа земельных ресурсов интенсивно развиваются во всем мире.

Наряду с такими центрами развития земельных ГИС как США, Канада, Англия, в мире появляются и новые центры, активно развивающие национальные ГИС. Таковыми являются ГИС природных ресурсов и мониторинга окружающей среды в Китае, земельные ГИС Японии, Финляндии и многих других стран. В нашей стране ГИС также нашли широкое распространение, в том числе для построения экологических оценок и прогнозов, в географии, почвоведении и лесоводстве (Трофимов, Панасюк, 1984; Рожков, 1989,1991; Рожков, Рожкова, 1993). Первые сведения о ГИС для целей мониторинга и рационального использования почв появились в печати в 1991 г. (Рожков, Столбовой, 1991). В области сельского хозяйства геоинформационные системы способны решать задачи по планированию урожая, составлению севооборотов, подбору системы удобрений, оценки плодородия земель, участвовать в выборе направления развития определённого хозяйства.

Можно рассматривать информационные системы нескольких уровней:

— региональный — составление системы по определенному региону с целью наглядной демонстрации плодородия земель, возможных урожаев основных видов культур при определённом уровне применения удобрений, принятия решений по улучшению сельского хозяйства региона.

Такие геоинформационные системы имеют большое значение для руководителей административного аппарата. (пример: возможность выращивания тех или иных сельскохозяйственных культур. Оценка затрат на получение более высоких урожаев, какие культуры наиболее выгодно выращивать в данном регионе, и т. д.)

— государственный — ГИС типов земель РФ. Важно для развития области в целом.

— локальный — на данном уровне ГИС создаётся непосредственно для определённого хозяйства, с целью увеличения эффективности использования земельного ресурса, повышения качества продукции и увеличения коэффициента рентабельности.

Изображения, полученные со спутников IKONOS, LANDSAT, SPOT успешно применяются в следующих сферах: анализ сельскохозяйственного потенциала, рациональное землепользование, определение мировых запасов пищевых продуктов, исследования биологической вариативности (выделение и идентификация различных типов с/х культур), определение ирригационных зон, страхование с/х участков, оценка ущерба, нанесенного с/х угодьям. Космическая съемка представляет собой постоянно обновляемый источник информации, который может помочь предприятиям и организациям, занятым в сельском хозяйстве, принимать правильные и оперативные решения в целях преодоления последствий наводнений, борьбы с паразитами и прогнозирования урожаев (К.Н. Дьяконов, А. В. Дончева, 2002).

Возможности применения ГИС в сельском хозяйстве:

— выделение с/х районов на фоне других типов земной поверхности;

— определение структуры почвенного покрова;

— оценка урожайности;

— определение спектральных характеристик, для использования в целях определения различных типов зерновых (рожь, пшеница и т. д.);

— высокоточное картографирование возделываемых земель;

— определение оптимальных районов сбыта с/х продукции;

— оптимизация планов транспортировки с/х продуктов на рынки сбыта;

— определение ущерба, нанесенного с/х участкам и страхование земель;

— выделение затопленных площадей;

— определение областей вымерзания озимых посевов, выявление мест скопления вредных насекомых, контроль ирригации земельных участков;

— выделение поврежденных областей и работы, связанные со страхованием земельных участков;

— определение вредного воздействия, оказываемого на состояние с/х культур в результате применения химикатов, а также под влиянием природных факторов;

— выявление районов возделывания культур, запрещенных законом;

— выделение и нанесение на карту районов, где возделываются с/х культуры, используемые в производстве наркотиков;

— планирование операций, которые необходимо предпринять в областях возделывания запрещенных законом культур;

— рациональное землепользование;

— постоянное обновление информации о структуре почвенного покрова, концентрации растительных насаждений, определение состояния и степени повреждения (заболеваемости) растений;

— выделение границ посевных площадей;

— разработка моделей, необходимых для планирования с/х деятельности (производство и разработка с/х продуктов, прогнозирование урожаев);

— изучение проблем водного режима с/х угодий (определение влажности почвенного покрова, состояния ирригационной системы, принятие мер по оптимизации гидрографической сети);

— планирование распыления пестицидов и внесения удобрений. Выделение различных типов земной поверхности, использование при планировании пахотных работ для создания оптимальных условий культивирования растений в зависимости от типа почв (Савин, 1998).

Для построения любой ГИС можно выделить следующие этапы получения и обработки данных: сбор первичных данных, ввод и хранение данных, анализ данных, анализ сценариев и принятие решений. Сбор первичных данных заключается в подборе из имеющейся информации по территории, необходимой для решения тех задач, которые должна решать ГИС. Исходя из структуры и функционирования проектируемого хозяйственного объекта и общих физико-географических и социально-экономических характеристик территории, выделяются основные факторы их взаимного влияния. На основе выделения этих общих факторов проводится подбор необходимой информации для создания ГИС. На этом этапе оценивается полнота имеющейся информации, её актуальность, возможность применения в рамках ГИС. Ввод и хранение данных в целом сводится к преобразованию бумажных картографических носителей в цифровой формат (векторизация), преобразование аэрои космических снимков на бумажных носителях в цифровой формат (сканирование), структуризацией и приведением к единому стандарту данных полевых обследований и литературной, фондовой и архивной информации в единую базу данных с пространственной привязкой. Вся пространственная информация приводится к единой картографической проекции.

Анализ данных включает поиск и выборку данных, статистический анализ, моделирование, автоматизированное создание карт, экспертное оценивание. Геоинформационные системы нашли широкое применение в почвенных и экологических исследованиях. Электронное картографирование (оцифровка карт) — это перевод в цифровое, электронное изображение обычных бумажных карт. Это даёт возможность неограниченного числа копий, удобство и простота внесения изменений, неограниченное время хранения карт. Метод широко используется в картографии.

Система автоматического проектирования (САПР) на базе карт и ГИС: САПР позволяет нам на базе имеющихся карт и баз данных, при помощи программы составлять проект сельскохозяйственных угодий. То есть программа, сама разбивает имеющуюся площадь по полям, составляет наиболее оптимальные севообороты, для данной площади, рассчитывает дозы удобрений, оптимальные сроки проведения полевых работ (при наличии в ГИС метео карт и рекомендаций). Данный метод наиболее перспективен в почвенных исследованиях, но требует колоссальных затрат времени и сил. Моделирование: при помощи цифровых карт и программ мы можем моделировать некоторые процессы во времени, такие как развитие эрозии во времени, возможность заболачивания почв, вторичного засоления почв, составление прогноза уровня гумуса. Экологическое моделирование — на основе цифровой модели мы можем оценить последствия применения пестицидов, их деградацию, миграцию и аккумуляцию в ландшафте.

Почвенный мониторинг: при помощи данного метода мы можем проследить динамику почвенных изменений во времени. Созданная база данных постоянно дополняется результатами новых измерений. В базе данных хранятся результаты измерений проведённых в одних и тех же местах, но в разное время.

ГИС включает:

— базы данных по сельскохозяйственным землям всех форм собственности по системе геоинформационных показателей с возможностью составления отчетов по одному или комплексу заданных показателей;

— позволяет осуществлять мониторинг сквозной системы информационных показателей, организующихся по следующей схеме пространственных операционных единиц: контур землепользования — сельский округ/городская администрация — район — республика в целом и прогноз развития сельскохозяйственного землепользования;

— имеет картографический блок со слоями: почвенно-ландшафтная карта, агроэкологические карты, гидрографическая сеть (водоохранные зоны), растительность (экологический каркас), дороги, населенные пункты и постройки, природоохранные объекты и т. д.;

— содержит экспертные модули анализа показателей продуктивности сельскохозяйственных культур за прошедший период, поддержки принятия решений по краткосрочному и долгосрочному планированию землепользования и моделирования вариантов управленческих решений.

С помощью такой ГИС можно производить анализ пространственной дифференциации по заданным показателям, выявлять проблемные ареалы и возможные источники проблем. В возможности ГИС необходимо включать модуль совмещенного анализа цифровых карт и дешифрированных космоснимков. Это — технологии ближайшего будущего, на которые необходимо ориентироваться в перспективе. К возможностям технологий с использованием данных дистанционного зондирования относится: оперативное и детальное дешифрирование влагозапасов в почве, температурных полей, всех характеристик почв, эрозионных процессов, дат фенофаз растений, поврежденности посевов, прогноза урожайности и опасных для сельского хозяйства природных явлений. Развитие ГИС предусматривает создание цифровых картосхем участков землепользования с обозначением полей севооборотов, относительно которых будут накапливаться сведения по состоянию земель, урожайности сельхозкультур и агротехническим мероприятиям. Составляющие ГИС используются для разработки оптимизационных экономико-математических моделей, мониторинга сельскохозяйственного производства, составления ежегодных адресных прогнозов и рекомендаций. Разумеется, такая ГИС не решает быстро всех проблем сельскохозяйственного производства, но она обеспечивает инженерный подход к организации его прогрессивного развития. И, самое главное, альтернативы этому подходу нет.

1.3.3 Возможности применения ГИС для агроэкологической оценки земель Применение ГИС для агроэкологической оценки земель позволяет перевести на новую качественную основу решение этой сложной проблемы, особенно при проектировании интенсивных систем земледелия и агротехнологий, не говоря уже о высоких агротехнологиях и адаптивно-ландшафтных системах земледелия высокой точности. Создание землеоценочной основы для точных систем земледелия практически невозможно без ГИС-технологий (Кирюшин, 2006) .

Главные достоинства ГИС:

1) создание цифровых топографических и тематических карт;

2) ввод графической семантированной информации;

3) хранение информации;

4) редактирование и создание классификаторов;

5) просмотр графической информации, измерение расстояний, вычисление площади, выполнение экспликации, совмещение различных тематических карт как векторным, так и в растровом виде;

6) осуществление поиска объектов по кодовой информации базы данных и выборка объектов;

7) печать графической информации в заданном масштабе;

8) конвертирование информации в форматах MapInfo и DXE (Дитц, 2002)

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика объектов исследования

Объектом исследования стало СХП «Аткарское» компании «Русский гектар».

2.1.1 Географическое положение СХП «Аткарское» ЗАО «Русский гектар» и история его сельскохозяйственного использования

СХП «Аткарское» ЗАО «Русский гектар» располагается в Аткарском районе Саратовской области. Центр управления хозяйством находится в с. Песчанка, в 40 км на север-восток от районного центра и железнодорожной станции г. Аткарска и в 50 км от областного центра и пристани г. Саратов.

Хозяйство организовано на землях, принадлежащих в советский период колхозу «Рассвет», общая площадь землепользования которого составляла 14 234 га. Они частями вошли в землепользование СХП «Аткарское», площадь которого на сегодняшний день составляет 4652 га. Сельскохозяйственная деятельность колхоза имела зерновое направление с развитым животноводством; ведущей отраслью в растениеводстве являлось выращивание пшеницы, в животноводстве — производство мяса и молока.

2.1.2 Агроклиматические условия

Предприятие «Аткарское» располагается в северной части степной зоны. По природно-экологическому районированию Саратовской области хозяйство относится к Центральной правобережной зоне.

Климат района — континентальный, умеренно засушливый, с гидротермическим коэффициентом 0,6 — 0,8. Характеристика климатических условий дается по многолетним данным метеостанции Аткарск. Среднегодовая температура воздуха по многолетним данным составляет 4,4°. Наиболее низкие температуры отмечаются в январе (-12,1°), самые высокие в июле (+20,8°). Температура со средними месячными показателями ниже нуля наблюдается с ноября по март. Для температуры характерны резкие суточные колебания и большие амплитуды колебаний в ее годовом ходе. Абсолютный максимум температуры отмечается в июле (+4°), абсолютный минимум — в январе (-41°). Переходы от холода к теплу и от тепла к холоду быстрые, особенно в весенний период, что вызывает необходимость завершения полевых работ в предельно сжатые сроки. Дата перехода температуры воздуха через +5° весной отмечается 16 апреля, это дата возобновления вегетации озимых культур и многолетних трав. Продолжительность вегетационного периода для этих культур 181 день — до 3 ноября. Период с температурой воздуха ниже 10 соответствует вегетационному периоду большинства сельскохозяйственных культур: продолжительность его 148 дней (с 28 апреля по 24 октября). Дата перехода температуры воздуха через +15° отмечается весной 19 мая, осенью — 3 сентября, продолжительность периода с температурой выше +15° составляет 106 дней.

Термические ресурсы превышают потребности в тепле всех возделываемых в хозяйстве культур: суммы положительных температур за период с температурой выше +5° составляет 2808, выше +10° - 2562, выше +15° - 2024.

Средняя продолжительность безморозного периода — 143 дня. Наступление первого заморозка отмечается 14 сентября, последнего — 5 мая, однако в отдельные годы поздние весенние заморозки возможны до конца мая, а ранние осенние — в начале сентября.

По многолетним данным почва замерзает в первой декаде ноября, средняя глубина промерзания почвы 50 — 80 см, оттаивает почва к 16 апреля. Наступление мягкопластичного состояния (спелости) почвы отмечается 19 апреля.

Среднегодовое количество осадков составляет 411 мм. Характерной чертой водного баланса является неравномерное распределение осадков по годам и в течение года. На теплый период приходится 289 мм, в том числе на период с температурой выше 10 выпадает 228 мм. В отдельные годы наблюдаются отклонения количества выпадающих осадков в сторону понижения до минимума, особенно в теплый период. Кроме того, летние дожди носят обычно ливневый характер, в результате чего большая часть осадков не успевает впитываться и стекает по склонам, вызывая развитие водной эрозии.

Большая потеря влаги происходит из-за испарения, особенно в мае — июне, когда относительная влажность составляет 44 — 48%. Испаряемость со свободной водной поверхности за вегетационный период составляет 578 мм.