г. Белгород, Россия
г. Белгород, Россия
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ГРНТИ 36.01 Общие вопросы геодезии и картографии
Исследования проводили с целью разработки и внедрения модуля определения степени окультуренности и бонитета почвы для геоинформационных систем на примере «ГИС Агроэколог Онлайн». В базу данных геоинформационной системы внесён справочник бонитета почв в зависимости от типа почвы, гранулометрического состава и степени эродированности. На основе этого справочника рассчитывается средневзвешенный бонитет почв для участка. Подтипы почвы, попадающие в границы участка, можно просмотреть с помощью соответствующей картограммы, а также в интерфейсе просмотра почвенно-эрозионной характеристики участка, в котором выводится информация о площади каждого подтипа почвы и его бонитете, преобладающей степени эродированности и гранулометрическом составе. Расчёт индекса окультуренности проводится в 2 этапа по методике Т.Н. Кулаковской. Сначала вычисляют относительный индекс по каждому используемому для оценки плодородия показателю, который представляет собой отношение разности фактического и минимального индекса к разности оптимального и минимального значений показателя. На втором этапе рассчитывается индекс окультуренности почвы, который вычисляется как среднее значение из всех относительных индексов. По результатам расчёта показателей плодородия для каждого участка автоматически строится картограмма степени окультуренности, которую можно просмотреть в разрезе района, организации и отделения. На картограмме наглядно можно увидеть участки с каждой степенью окультуренности. Высокий и средний индекс окультуренности почвы свидетельствует о высоком уровне плодородия, а очень низкий и низкий указывает на возможные проблемы. Используя эту картограмму, легко определить проблемные участки, если они есть. При мониторинге основных показателей плодородия почв этот функционал применяется для каждого цикла агрохимического обследования. Этот функционал также можно использовать при определении кадастровой стоимости участка
геоинформационная система, картограмма, мониторинг, почва, плодородие, степень окультуренности, бонитет почв, агрохимическая служба
Плодородие почвы – важнейший параметр ценности земельных ресурсов как главного актива сельскохозяйственного производства. В то же время, оно определяет способность почвы обеспечивать растения необходимым количеством питательных веществ, создавать для них благоприятную биологическую и физико-химическую среду, а также обеспечивать высокие урожаи продукции сельскохозяйственных культур хорошего качества [1].
Перечень показателей и методы исследований при мониторинге плодородия сельскохозяйственных земель, ежегодно проводимом Государственной агрохимической службой, должны отвечать требованиям методических рекомендаций и отражать специфику конкретного региона [2, 3, 4].
Для мониторинга состояния плодородия почвы проводится агрохимическое обследование, периодичность которого дифференцирована в различных природно-сельскохозяйственных зонах Российской Федерации в зависимости от мелиоративного состояния сельскохозяйственных угодий, специализации сельскохозяйственного и уровня применения удобрений [1].
Высокая и устойчивая продуктивность земледелия возможна лишь при комплексном учете всех агрохимических и экологических факторов, которые обеспечивают стабильный рост и развитие растений, способствуют формированию качественного урожая, а также препятствуют деградации земель [2].
В связи с необходимостью анализировать большое количество данных, возникает потребность в использовании геоинформационных систем, что позволяет автоматизировать и облегчить процесс анализа, ускоряет и упрощает работу специалистов [5, 6, 7]. Кроме того, довольно распространены задачи определения показателей плодородия почвы при посеве сельскохозяйственных культур или балла бонитета для вычисления стоимости земли для кадастровой оценки [8, 9].
Цель исследований – разработка и внедрение модуля определения степени окультуренности и бонитета почвы для геоинформационных систем на примере «ГИС Агроэколог Онлайн».
Для достижения поставленной цели в работе частично рассмотрен функционал системы, используемый для различных операций, проводимых с данными, а также представлен новый интерфейс приложения и результаты разработки в виде нового расчётного модуля.
Условия, материалы и методы исследований. В ходе исследования были проанализированы агрохимические и почвенно-эрозионные показатели в разрезе рабочих участков, на основании которых с использованием средств «ГИС Агроэколог Онлайн» были построены соответствующие картограммы.
Геоинформационная система «ГИС Агроэколог Онлайн» разработана и внедрена в 2017 г. в ФГБУ «ЦАС «Белгородский». Она
предоставляет пользователям доступ к базе данных агрохимической службы при переходе по ссылке на сайте http://www.agrochim31.ru [5]. «ГИС Агроэколог Онлайн» защищена патентами на базу данных и программу для
электронных вычислительных машин (ЭВМ) [10, 11].
Эта ГИС развивается, в ней постоянно появляются новые функции для обработки данных [12]. В систему внедрён дополнительный функционал для определения степени окультуренности почвы, в который входит вычисление соответствующего индекса по Т.Н. Кулаковской [13]. Расчёт происходит в два этапа. По формуле (1) рассчитывается относительный индекс (Иотн) по каждому используемому для оценки плодородия показателю:
(1)
где Иотн – относительный индекс плодородия;
Хфакт – фактическое значение показателя;
Xмин и Хопт – минимальное и оптимальное значения показателя для конкретной почвы.
В случае, когда величина фактического индекса превышает оптимальный, относительный индекс принимается за 1.0.
Далее, исходя из относительных индексов всех показателей, рассчитывается индекс окультуренности (Иок) почвы с точностью до 0,01:
(2)
где Иок – индекс окультуренности почвы;
– относительные
индексы плодородия по степени кислотности, подвижного фосфора, подвижного калия, содержания органического вещества соответственно.
Анализ и обсуждение результатов исследований. «ГИС Агроэколог Онлайн» содержит множество модулей, позволяющих успешно решать задачи мониторинга плодородия почвы [5]. Для достижения цели нашего исследования используются следующие модули:
агрохимических данных – содержит сведения об основных показателях плодородия почв (определяются при агрохимическом обследовании: степень кислотности, содержание органического вещества, подвижных форм фосфора и калия) [14];
данных почвенно-эрозионного обследования – сведения о химическом и гранулометрическом составе почвы;
электронная книга истории полей – предоставляет землепользователю доступ к просмотру сведений обо всех агрохимических показателях и почвенном покрове для каждого выбранного участка. В этот модуль добавлен функционал, разработанный в результате обсуждаемого исследования;
картографический модуль – отвечает за визуальное представление данных и предоставление результатов их анализа в виде картограмм.
Вся информация, необходимая для работы модуля определения степени окультуренности и бонитета почвы, хранится в базе данных ГИС и выводится в форму расчёта показателей из неё напрямую. Ручное заполнение полей не требуется, но имеется возможность
редактирования некоторых значений и коэффициентов непосредственно перед расчётом.
По данным агрохимического модуля автоматически строятся картограммы содержания подвижного фосфора, подвижного калия, степени кислотности и органического вещества, просмотр которых доступен в разрезе района, организации, отдельного подразделения (рисунок 1).
Наличие в хозяйствах цифровых тематических карт позволяет определять географическое расположение почвенных ареалов с дефицитом тех или иных элементов питания. Существует возможность формирования картограмм в разрезе элементарных участков для удобства использования при реализации технологий точного земледелия, которые значительно снижают затраты ресурсов [15, 16]. Например, на основе показателей обеспеченности почвы доступными формами фосфора и калия, можно разрабатывать рекомендации по использованию фосфорных и калийных удобрений [17], а при внесении органических удобрений стоит учитывать содержание органического вещества в почве. Сведения о кислотности необходимы при составлении плана химической мелиорации почв.
Однако в некоторых случаях специалистам в работе приходится давать комплексную оценку плодородия почв. Для этих целей часто используют индекс окультуренности почвы Т. Н. Кулаковской. При его расчете для каждого рабочего участка, помимо фактических значений четырех показателей (содержание подвижных форм фосфора и калия, органического вещества, величина рНKCl), учитывают их оптимальные и минимальные параметры.
Термин «оптимальное содержание» показателей плодородия не имеет в агрохимии однозначного толкования. Для разных почв и сильно отличающихся по биологическим особенностям сельскохозяйственных культур оптимальные параметры плодородия могут быть разными. Так, по данным П. Г. Акулова, оптимальное содержание доступного фосфора по Чирикову в чернозёмах составляет
90…150мг/кг, калия – 120…160 мг/кг [18]. По оценкам В.В. Медведева, оптимальная обеспеченность подвижным фосфором для зерновых культур находится на уровне 151…200 мг/кг, калием – 120…180 мг/кг, а для пропашных культур – соответственно превышает 180 и 200 мг/кг [19]. Оптимальное содержание органического вещества в пахотных ЦЧР составляет 5…7 % [18].
Для черноземов Белгородской области оптимальные уровни содержания подвижных (по Чирикову) форм фосфора приняты равными 200 мг/кг, калия – 180 мг/кг. Это соответствует значениям верхних границ групп почв с высокой обеспеченностью указанными элементами. Поскольку основные культуры, возделываемые в области (сахарная секла, озимая пшеница, кукуруза), хорошо развиваются на нейтральных почвах, то за оптимальную величину рНKCl принята 6 ед. Оптимальное содержание органического вещества принято равным 6 %. В качестве минимальных значений основных показателей плодородия почвы приняты следующие: содержание подвижных форм фосфора и калия (по Чирикову) – соответственно 50 мг/кг и 80 мг/кг;
рНKCl – 5,0 ед.;
содержание органического вещества – 4,0 %.
В Белгородской области доля пахотных почв с содержанием подвижного фосфора менее 50 мг/кг и подвижного калия менее
80 мг/кг составляет соответственно 2,3 и
4,8 %, органического вещества менее 4,0 % – 13,5 %, рНKCl менее 5 ед. – 5,8 %.
Оптимальные и минимальные параметры плодородия в программе легко изменить в зависимости от особенностей региона. Кроме
В «ГИС Агроэколог Онлайн» загружены актуальные карты почвенно-эрозионного обследования Белгородской области. На его основе строится картограмма подтипов почв с нанесёнными точками отбора проб
(рисунок 3), на которой можно увидеть подтипы почв, попадающие в границы участков. Эти почвенные контуры выбираются автоматически для каждого участка и в дальнейшем служат неотъемлемой частью расчёта бонитета почвы. Точки отбора проб показывают места корректировки почвенных контуров для их актуализации. При необходимости можно увидеть подробный гранулометрический состав почвы и содержание питательных элементов в месте отбора пробы, выбрав её на карте.
Подробно просмотреть почвенно-эрозионную характеристику любого участка позволяет форма модуля книги истории полей на соответствующей вкладке «Почвенно-эрозионная характеристика» в разделе «Общие данные» (рисунок 4). Этот интерфейс – часть расчётного модуля бонитета почвы. Используя картограмму подтипов почв и значения, приведённые на этой вкладке, можно увидеть более полную картину состояния плодородия почвы.
В базу данных ГИС внесён справочник бонитета почв, учитывающий тип почвы, гранулометрический состав и степень эродированности. На основе этих сведений для любого рабочего участка можно рассчитать средневзвешенный бал бонитета, который определяет реальное или потенциальное качество почв, отражающее их ценность для земледелия. При бонитировке почв применяют 100-балльную шкалу. За эталон принимается выщелоченный чернозем без проявлений эрозии [20].
Бонитировку, или качественную оценку почв, проводят для всех сельскохозяйственных угодий. Она имеет большое научно-производственное значение, дает объективную основу для определения ценности и доходности земель разных угодий, позволяет установить цену земли, ставки налогообложения и аренды. Результаты бонитировки почв используют при планировании, специализации и организации сельскохозяйственного производства, в частности, при разработке рациональных систем земледелия, севооборотов. Они позволяют оценивать производственную деятельность землепользователей и контролировать состояние сельскохозяйственных угодий [21]. Бонитировка почв необходима для экономической оценки земель, ведения земельного кадастра, мелиорации, совершенствования систем земледелия и др. [22].
Наряду с бонитировкой почв, при кадастровой оценке земель могут использоваться расчеты индексов окультуренности почвы. Кроме того, на основе результатов агрохимического и почвенно-эрозионного обследований для землепользователей на территории Белгородской области разрабатывают проекты адаптивно-ландшафтных систем земледелия, согласно которым рабочие участки с высоким индексом окультуренности и балом бонитета отводят под интенсивные севообороты. Все материалы этих проектов загружаются в «ГИС Агроэколог Онлайн» [23].
Выводы. В результате проделанной работы был разработан и внедрён модуль определения степени окультуренности и бонитета почвы для геоинформационных систем. Он в автоматическом режиме рассчитывает индекс окультуренности и бонитет почвы на выбранном участке, а также строит картограмму по степени окультуренности в разрезе отделения, организации, района. В результате внедрения разработанного функционала в «ГИС Агроэколог Онлайн» у землепользователей появилась дополнительная возможность быстро определять участки с высокими показателями плодородия для возделывания наиболее требовательных сельскохозяйственных культур. С помощью разработанного функционала и картограммы, строящейся на основе показателей окультуренности почвы, местные и федеральные органы управления могут контролировать плодородие почвы на участках. В свою очередь автоматизированную бонитировку почв, реализованную в «ГИС Агроэколог Онлайн», можно использовать при определении кадастровой стоимости участка.
1. Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения. М.: Минсельхоз России, 2003. 304 с.
2. Lukin S.V. Dynamics of the agrochemical fertility parameters of arable soils in the southwestern region of Central Chernozemic zone of Russia //Eurasian Soil Science. 2017. vol. 50. № 11. P. 1323-1331.
3. Чекмарёв П.А., Лукин С.В. Динамика плодородия пахотных почв, использования удобрений и урожайности основных сельскохозяйственных культур В Центрально-Черноземных областях России // Международный сельскохозяйственный журнал. 2017. № 4. С. 41-44.
4. Сборник отраслевых стандартов ОСТ 10 294-2002 - ОСТ 10 297-2002. Показатели состояния плодородия почв по основным природно-сельскохозяйственным зонам Российской Федерации. М.: ФГНУ Росиформагротех, 2002.
5. Лукин С.В., Костин И.Г., Малышева Е.С. Применение геоинформационных систем для агроэкологического мониторинга сельскохозяйственных земель // Агрохимический вестник. 2019. № 4. С. 8-13.
6. Technologies and standards in the information systems of the soil-geographic database of Russia / Golozubov O.M., Rozhkov V.A., Alyabina I.O., Ivanov A.V., Kolesnikova V.M., Shoba S.A. // Eurasian Soil Science. 2015. vol. 48. № 1. P. 1-10.
7. Геопространственная база данных цифровизации системы земледелия Красноярского края / М.Г. Ерунова, А.А. Шпедт, О.Э. Якубайлик и др. // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 7. С. 56-61.
8. Цифровые технологии в управлении земельными ресурсами Владимирской области / В.С. Столбовой, А.А. Корчагин, Т.С. Бибик и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 10. С. 45-49.
9. Интеграция оценки агроэкологических и технологических свойств земель // В.К. Каличкин, А.И. Павлова, В.Н. Шоба и др. // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 3. С. 11-14.
10. Лукин С. В., Костин И. Г., Малышева Е. С. Agroecolog / Свидетельство о государственной регистрации базы данных, рег. № 2018621018 от 06.07.2018. М.: Роспатент, 2018.
11. Лукин С. В., Костин И. Г., Малышева Е. С. ГИС Агроэколог Онлайн / Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, рег. № 2018615340 от 04.05.2018. М.: Роспатент, 2018.
12. Костин И.Г. Применение геоинформационных систем при инвентаризации многолетних насаждений и в точном земледелии // Земледелие. 2018. № 7. С. 45-48.
13. Бонитировка и качественная оценка почв. Учебно-методическое пособие/ В.С. Цховребов, В.И. Фаизова, А.Н. Марьин, и др.; - Ставрополь: Ставропольское издательство «Параграф», 2011. 61 с.
14. Костин И.Г., Малышева Е.С. Разработка модульной структуры географической информационной системы для агроэкологического мониторинга земель сельскохозяйственного назначения // Проблемы природопользования и экологической ситуации в Европейской России и на сопредельных территориях: матер. VIII Междунар. науч. конф. (Белгород, 22-25 октября 2019 г.). Белгород: ИД «Белгород» НИУ «БелГУ», 2019. С. 358-362.
15. Цифровое картографирование степени окультуренности пахотных почв Предсалаирской дренированной равнины / Гопп Н. В., Нечаева Т. В., Савенков О. А., Смирнова Н. В., Смирнов В. В., Смирнов А. В. // Почвы и окружающая среда. 2018. № 1(1). С. 32-44. doihttps://doi.org/10.31251/pos.v1i1.7.
16. Любчич В.А., Курамшин М.Р. Оценка плодородия чернозёмов южных с использованием ГИС-технологий и современных технических средств // Известия ОГАУ. 2014. №5 (49). С. 66-69.
17. Nikitishen V.I., Dmitrakova L.K., Lichko V.I. The phosphate regime of gray forest soil and the efficiency of phosphate fertilizer // Eurasian Soil Science. 2000. vol. 33. № 10. p. 1101-1111.
18. Акулов П.Г. Воспроизводство плодородия и продуктивность черноземов. М.: Колос, 1992. 223 с.
19. Медведев В.В. Мониторинг почв Украины. Харьков: ПФ «Антиква», 2002. 428 с.
20. Апарин Б.Ф., Русаков А.В., Булгаков Д.С. Бонитировка почв и основы государственного земельного кадастра: Учебное пособие. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002. 88 с.
21. Ковриго, В.П. Почвоведение с основами геологии / В.П. Ковриго, И.С. Кауричев, Л.М. Бурлакова. М.: Колос, 2000. 416 с.: ил.
22. Гаврилюк, Ф.Я. Бонитировка почв. М., 1970. 265 c.
23. Лукин С.В. Биологизация земледелия Белгородской области: итоги и перспективы // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 7. С. 20-23.
