WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

А грохимический мониторинг пахотных почв лесостепи кузнецкой к отловины

На правах рукописи

Михайлов Валерий Владимирович



Агрохимический мониторинг пахотных почв лесостепи Кузнецкой Котловины



Специальность 06.01.04 – «Агрохимия»




АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук


Кемерово 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Кемеровский государственный аграрный институт» на кафедре почвоведения и агрохимии и

ФГУ Центр агрохимической службы «Кемеровский»

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук Просянникова Ольга Ивановна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Спицына Светлана Федоровна
кандидат сельскохозяйственных наук Заруднев Юрий Иванович
Ведущая организация: ФГУЦАС «Нижегородский»




Защита диссертации состоится «24» июня 2009 г. в __ час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.220.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете по адресу: 656049, г. Барнаул, пр. Красноармейский, 98

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «22» мая 2009 г.





Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, доцент
Е.Г. Пивоварова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Воспроизводство плодородия почвы, реализация потенциальной продуктивности культурных растений – главная задача земледелия. Для успешного решения этой задачи необходимо оптимальное сочетание многообразия факторов, своевременная и достоверная оценка пространственно-временных параметров природно-антропогенных условий и процессов.

Важную роль в регулировании почвенного плодородия играет агрохимический мониторинг состояния почв, включающий наблюдения за изменениями агрохимических показателей в пахотном слое почвы и влиянием этих изменений на формирование количества и качество урожая. С помощью мониторинга можно установить потребность растений в элементах питания и других факторах плодородия.

Мониторинг предполагает не только наблюдение за процессом или явлением, но также его оценку, прогноз распространения и развития, а, кроме того, разработку системы мер по предотвращению опасных последствий или поддержанию благоприятных тенденций. Агрохимический мониторинг за состоянием почв и растений позволит рационально использовать средства на производство сельскохозяйственной продукции, снизить ее себестоимость, целенаправленно применять имеющиеся удобрения и мелиоранты.

Результаты агрохимического мониторинга позволят при остром дефиците материальных ресурсов создать условия для проведения работ по оптимизации пищевого режима растений и получать максимальную отдачу от каждого технологического элемента возделывания сельскохозяйственных культур.

Важное место в агрохимическом обеспечении сельскохозяйственного производства занимает составление проектов на применение удобрений и мелиорантов, а также балансовые расчеты по всем элементам почвенного плодородия. На основании балансов составляются прогнозы агрохимического состояния полей и рекомендации по его улучшению.

На каждого жителя Кемеровской области приходится пахотных земель меньше на 32 процента, чем в среднем по России. Этим определяется необходимость поддерживания плодородия почв на максимально высоком уровне.

Для эффективного осуществления мероприятий по повышению почвенного плодородия на основе агрохимического мониторинга весьма актуальна проблема сбора, обработки и анализа информации на основе геоинформационных технологий.

В конце ХХ века на рынке высоких технологий возник новый тип информационных систем – геоинформационные системы (ГИС). В настоящее время ГИС являются самыми развивающимися и перспективными информационными системами для управления и ведения мониторинга. Удобные методы визуализации данных с пространственной привязкой все больше привлекают пользователей во всех отраслях экономики (Цветков В.Я., 1998).



Разработка и внедрение информационно-аналитических систем обеспечивает компактность хранения и оперативность обновления информации, повышает достоверность за счет однократного ввода и контроля данных, сокращает бумажный документооборот, следовательно, и ручной труд специалистов при обработке, поиске и выдаче информации. Информационно-аналитические системы с функцией обмена данными между составляющими блоками позволяют наиболее полно и всесторонне анализировать состояние пахотных почв, получать выходные формы в виде графиков, таблиц и картографического материала, и прогнозировать потенциальные изменения плодородия почв.

Цель исследований: Изучить почвенное плодородие пахотных почв лесостепи Кузнецкой котловины и разработать методику агрохимического мониторинга для обеспечения рекомендаций по внесению удобрений с использованием современных технологий.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- Изучить современное агрохимическое состояние пахотных почв Кузнецкой котловины, динамику изменений основных показателей плодородия за последние 15 лет.

- Рассмотреть балансы гумуса и основных питательных элементов в пахотных почвах лесостепи Кузнецкой котловины.

- Разработать методику агрохимического мониторинга, включающую структуру и содержание баз данных, картографирование показателей плодородия.

- Разработать и внедрить информационно-аналитическую систему (ИАС), повышающую достоверность и оперативность обновления информации за счет однократного ввода и контроля информации в банк данных, для сокращения затрат ручного труда специалистов при обработке, поиске и выдаче информации.

- Создать электронный архив картографических моделей и атрибутивной информации пахотных почв лесостепи Кузнецкой котловины.

- Разработать рекомендации по внесению минеральных удобрений на основе картографических моделей и атрибутивной информации пахотных почв СПК «Береговой».

- Определить эффективность ведения агрохимического мониторинга состояния и плодородия пахотных почв с использованием современных технологий.

Научная новизна. Установлены особенности современного агрохимического состояния пахотных земель лесостепи Кузнецкой котловины и закономерности динамики основных питательных веществ. Определены тенденции пространственно-временных изменений агрохимических свойств пахотных почв. Предложена методика ведения агрохимического мониторинга пахотных почв, включающая автоматизированную информационную технологию работы с данными, создание электронной версии карты пахотных земель. Разработана информационно-аналитическая система агрохимического центра, цифровые модели пахотных земель исследуемой территории, позволяющие накапливать, анализировать и обобщать и разрабатывать рекомендации по результатам мониторинга почв.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Баланс питательных веществ в земледелии как основа рекомендаций по повышению плодородия пахотных почв лесостепи Кузнецкой котловины;

- Методика агрохимического мониторинга, включающая структуру и содержание баз данных, картографирование показателей плодородия;

- Цифровые картографические модели как способ представления агрохимического состояния почв.

Практическая значимость работы. Ведение агрохимического мониторинга с использованием современных информационных технологий снижает на 60-80% затраты на обработку данных наблюдений и обеспечивает повышение качества рекомендаций для земледелия. Комплексный анализ оперативной и ретроспективной информации о состоянии почв позволяет адресно применять удобрения, что способствует их экономии и улучшению агрохимического состояния пахотных почв. Создание информационных слоев электронной карты и привязка атрибутивной информации к каждому из объектов слоя «Почвы» позволяет воспроизводить различные варианты тематических закрасок карты, облегчающих визуальную оценку преобладания элементарных ареалов с теми или иными наборами агроэкологических параметров. Созданный электронный архив картографических моделей и атрибутивной информации пахотных почв лесостепи Кузнецкой котловины можно использовать при проведении кадастровых и землеустроительных работ, внедрении современных систем земледелия, планировании и распределении минеральных удобрений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на межрегиональной научно-практической конференции «Агрохимия: наука и производство» (Кемерово, 2004), международной научно-практической конференции «Наука и инновации агропромышленного комплекса» (Кемерово, 2008) и совещаниях-семинарах работников агрономической и агрохимической службы с 1999 по 2009 гг.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, включенных в список ВАК.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц, 49 рисунков, 4 приложений. Состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений производству, списка литературы из 176 наименований, в том числе 10 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Теоретические и методологические основы изучения почв лесостепи Кузнецкой котловины. В главе приведен обзор литературы по истории изучения почв лесостепи Кузнецкой котловины, развитию и использованию ГИС-технологий для анализа состояния почв.

Условия и методика проведения исследований

Объектом исследования послужили пахотные почвы лесостепи Кузнецкой котловины. В качестве репрезентативного представителя исследовано СПК «Береговой» Кемеровского района Кемеровской области, на территории которого заложены в 1994 г. два контрольных участка. Предмет исследования – агрохимические параметры: содержание гумуса, обменная кислотность рНс, подвижные формы фосфора и калия.

Характеристика условий проведения исследований

Кузнецкая котловина представляет собой межгорную тектоническую впадину длиной около 400 км и шириной 100-120 км с абсолютной отметкой водоразделов от 200 до 260 м и более на севере и до 550-600 м на юге. Лесостепь Кузнецкой котловины занимает центральную часть Кузнецкой котловины и относится к умеренно-теплому, умеренно увлажненному агроклиматическому подрайону. В структуре почвенного покрова преобладают черноземы, из них выщелоченные составляют 67,5%, оподзоленные–21,3, обыкновенные–1,6%.

Типичный представитель лесостепи Кузнецкой котловины по структуре почвенного покрова - СПК «Береговой» (табл. 1).

Общая земельная площадь предприятия 5061 га. Площадь пашни 4318 га, в том числе 1880 га орошаемой. Сумма температур выше 10°С за вегетационный период на повышенных формах рельефа 1500-1600°, в понижениях – 1400° и менее. Безморозный период наступает в конце мая – начале июня и продолжается 95–100 дней. Зима холодная, многоснежная. На повышенных выровненных участках снежный покров составляет 50–80 см. Наибольший слой снега (150–250 см) скапливается в пониженных местах. Рельеф местности полого-увалистый, слаборасчлененный логами.

  1. Агрохимическая характеристика пахотных угодий по типам почв
Тип почвы (площадь, га) Содержание гумуса, % Содержание, мг/кг Кислотность рНс
подвижного фосфора обменного калия
средне-взвешен-ное мин/макс Средневзве-ное мин/макс средне-взвешен-ное мин/макс средне-взвешен-ное мин/макс
Пашня
*Чв (2438) 10,3 5,9/14,6 111 40/422 151 67/388 5,2 4,1/6,7
Пашня орошаемая
Чо (1182) 9,7 7,8/14,5 173 33/418 193 53/503 5,7 4,1/7,1
Чл (260) 10,4 9,3/11,3 119 13/442 102 61/184 6,1 4,1/6,9
Чв (400) 10,2 9,5/11,3 138 49/278 154 60/406 5,7 4,1/6,7




*Чв - черноземы выщелоченные; Чл – лугово-черноземные; Чо – черноземы оподзоленные.

Методы исследования

Наблюдения на контрольных участках проведены в соответствии с Методическими указаниями …, 1993, 1995, 2002. Отбор почвенных образцов проводился в соответствии с общепринятыми методиками и нормативами: ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ 28168-89; ГОСТ 17.4.4.02-84; методическими указаниями по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения (2003) и предложенной методикой почвенно-площадного обследования с учетом пространственной и временной изменчивости (1973).

Химические анализы почв были выполнены в Кемеровском агрохимическом центре. В почвенных образцах определяли: гумус–по Тюрину (ГОСТ 26213-91); фосфор подвижный и калий обменный - по Чирикову (ГОСТ 26204-91). Классификационная характеристика плодородия выполнена согласно методическим указаниям по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения (2003). При создании цифровой карты учитывались требования ГОСТ Р 50828-95; ОСТ 68-3.4-98; РТМ 68-3.01-99.

Статистическая обработка результатов агрохимического мониторинга плодородия почв сельскохозяйственных угодий хозяйства проведена с использованием информационных баз и приложений Банка агрохимических данных. Обработка данных проведена методами корреляционного, регрессионного, дисперсионного анализа по методике Б.А. Доспехова (1979) с помощью программы STATISTIKA 5.5 и процессора электронных таблиц Microsoft Excel XP. Для анализа агрохимических характеристик использованы результаты шести циклов обследования пахотных почв (1982-2003 гг.), по данным полей с неизменными границами и характеризуемых достаточным количеством измерений. Картографические работы выполнены с использованием геоинформационной системы «ПОЛИС».

ГИС «ПОЛИС» состоит из ряда модулей, обеспечивающих реализацию всех необходимых функций от ввода растровых изображений до вывода цифровых топографических карт и планов в одном из внешних по отношению к «ПОЛИСу» форматов. Цифровая карта организуется как множество слоев. Слои являются типом цифровых картографических моделей, построенных на основе объединения данных, имеющих общие свойства или функциональные признаки.

В последнюю версию ГИС «ПОЛИС» входят следующие программные модули: конвертер графических форматов; классификатор объектов; редактор условных точечных знаков; редактор стилей заполнения; векторизатор; сортировщик объектов; интеграторы данных; копировщик данных; конвертеры цифровых данных.

Конвертер графических форматов ВМР предназначен для преобразования растровых изображений, представленных в графическом формате ВМР, в собственный графический формат МАР ГИС «ПОЛИС».

Классификатор объектов INSTALL предназначен для описания абстрактных объектов и создания "пустых" баз данных, т.е. файлов, имеющих заданную при описании структуру, но не имеющих ни одной записи о конкретном объекте.

Редактор точечных условных знаков ("иконок") ЕDIТ_IСО предназначен для создания векторных изображений точечных объектов, то есть объектов, имеющих условные знаки, не выражающиеся в масштабе карты.

Редактор стилей заполнения FILL предназначен для создания условных знаков площадных и линейных объектов, в соответствии с которыми эти объекты в дальнейшем будут отображаться на экране дисплея.

Векторизатор РОL предназначен для построения векторной модели данных. Объекты агрохимического мониторинга почв являются векторными по определению: границы земельных участков, субъектов землепользования, административных районов.

Сортировщик объектов SORT предназначен для указания порядка, в котором объекты должны выводиться на экран дисплея при их графическом отображении.

Копировщик баз Р_СОР предназначен для копирования данных из одной базы в другую. Чтобы перенос данных стал возможным, необходимо предварительно установить взаимное соответствие между объектами обеих баз. Обе базы должны иметь одинаковую структуру объектов.

Конвертер данных IМР предназначен для импортирования цифровых данных, полученных какими-либо другими системами и представленных в формате Flm, и их преобразования во внутренние форматы ПК «ПОЛИС».

Технология создания картографического материала в ГИС «ПОЛИС»

Технологический процесс сбора данных картометрическим методом с использованием ГИС «ПОЛИС» состоит из следующих операций: 1. подготовительные работы; 2. сбор данных; 3. контроль данных; 4. формирование выходных данных; 5. экспорт данных из внешних баз.

Подготовительные работы по подготовке к сбору информации выполняют в два этапа: подготовительные работы к цифрованию объекта работ; подготовительные работы к цифрованию листа карты.

Сбор данных состоит из двух этапов: задания семантического описания объектов и сбора геометрии объектов. Оба этапа выполняются для каждого объекта. Перед началом цифрования объектов необходимо задать установки текущего окна, определить цвета выводимого изображения и выбрать комбинацию слоев.

Контроль данных выполняют по окончании их сбора. Геометрия объектов контролируется визуально путем наложения векторного изображения на растровое. Параллельно выполняют проверку семантического описания объекта, просматривая бланки дня каждого конкретного объекта в режиме "Просмотр" или используя информационную базу объектов.

Формирование выходных данных заключается в сортировке объектов по каким-либо свойствам и признакам, представлении этих объектов в том или ином виде на электронной картооснове (создание агрохимической картограммы), а так же в изменении формата данных.

Экспорт данных из внешних баз

Информация внешних атрибутивных баз должна иметь адресную привязку к графическим объектам электронной карты, благодаря чему возможен экспорт данных из Банка данных в ГИС «ПОЛИС». Для этого разработано приложение для конвертации аналитических результатов, занесенных в базы данных формата dbf в формат «ПОЛИСа».

Анализ и оценка ресурсов плодородия пахотных почв лесостепи Кузнецкой котловины

Почвы лесостепи Кузнецкой котловины характеризуются наиболее высоким содержанием гумуса. Анализ динамики с 1986 г. содержания гумуса в почвах лесостепи Кузнецкой котловины свидетельствует о тенденции снижения этого показателя. Кислые почвы занимают около 240 тыс. га или чуть более 50% площади пашни. Средневзвешенное содержание обменного калия в пахотных почвах составляет 131 мг/кг почвы, что соответствует повышенному уровню. Средневзвешенное содержание подвижного фосфора на пашне составляет 121 мг/кг почвы, что соответствует повышенному уровню обеспеченности. За счет интенсивной химизации сельского хозяйства к 90-м гг. средневзвешенное содержание подвижного фосфора в лесостепи Кузнецкой котловины, как и в целом по области достоверно увеличилось на 41 мг/кг почвы. С конца 90-х гг. произошло снижение применения удобрений, и наметилась тенденция снижения данного показателя.

В целях детализации анализа показана динамика показателей агрохимического состояния пахотных почв на примере 16 полей (40 рабочих участков) СПК «Береговой» по данным шести циклов агрохимического мониторинга. Прослеживается такая же закономерность в трансформации площадей с различным содержанием элементов питания и кислотности, как и в целом по области (рис. 1; 2).

 рансформация площадей по группам содержания Р2О5 -1  рансформация площадей по группам содержания Р2О5 -2
Рис. 1 Трансформация площадей по группам содержания Р2О5 Рис. 2 Трансформация площадей по степени кислотности (рНс)

Соотношение площадей с различным содержанием К2О колеблется в интервале 10%, т.е. практически не изменилось.

Анализ динамики агрохимических показателей позволил сгруппировать земельные участки в зависимости от направленности изменения изучаемых параметров. Рассмотрены два варианта:

1. плодородие почвы не снижается; 2. плодородие почв снижается. Проанализированы сочетания четырех агрохимических характеристик и рассматриваемое множество участков поделено на 8 групп (табл. 2).

2. Группы полей в зависимости от направленности изменения основных агрохимических параметров

Номер группы Номер поля Динамика агрохимических элементов (< - ухудшение, - улучшение или сохранение почвенного плодородия)
подвижный фосфор обменный калий кислотность (рНс) гумус
1 10, 11 < < <
2 3, 14 < < <
3 1, 2, 5, 6, 12 < <
4 13 < <
5 16 < <
6 4,7 <
7 15 <
8 8, 9

Так, для участков 1 группы следует увеличить дозы фосфорных и калийных удобрений, по сравнению с традиционно определяемыми дозами, а так же проводить обязательное известкование почв. На участках № 3 и 14 особое внимание следует обратить на дозы фосфорных удобрений, известкование и внесение органических удобрений. Для участков 3 группы требуются повышенные дозы фосфорных удобрений и обязательно известкование.

В почвах участков 4 группы наблюдается снижение содержания калия и увеличение кислотности почвы и т.д. Наиболее благополучной является группа 8, где за исследуемый период не произошло снижение почвенного плодородия ни по одному показателю.

Данные урожайности за последние три года свидетельствуют о связи продуктивности рассматриваемых групп земельных участков с тенденцией изменения показателей плодородия почвы (табл. 3).

3. Урожайность сельскохозяйственных культур

Номер группы Номер поля Урожайность, ц з.ед./га Номер группы Номер поля Урожайность, ц з.ед./га
2006 г. 2007 г. 2008 г. 2006 г. 2007 г. 2008 г.
1 10, 11 22,2 23,1 26,6 5 16 15,6 35,9 22,7
2 3, 14 13,0, 27,2, 24,2 6 4, 7 18,5 26,9 28,2
3 1, 2, 5, 6, 12 17,0 30,0 25,6 7 15 33,6 32,0 32,8
4 13 24,4 22,1 24,6 8 8, 9 28,3 33,6 31,8

За последние годы в земледелии отмечается резко дефицитный баланс всех биогенных элементов. По мнению В.Г. Минеева (1999, 2002), вынос питательных элементов с урожаем сельскохозяйственных культур происходит, по существу, за счет мобилизации потенциального плодородия почвы. Такая хозяйственная деятельность в агропромышленном комплексе может привести к серьезным негативным экологическим и экономическим последствиям.

Увеличение объемов применения минеральных и органических удобрений в связи с ростом химизации земледелия способствовало положительному балансу азота и фосфора в лесостепи Кузнецкой котловины до 1990 г., затем баланс становится дефицитным. По азоту к 2005 г. отрицательный баланс равен 35 кг/га. В пахотных почвах шел процесс накопления фосфора. По фосфору отрицательный баланс по области в настоящее время колеблется от 5 до 10 кг/га.

Для анализа агрохимического состояния почв и планирования применения удобрений в лесостепи Кузнецкой котловины рассчитан баланс элементов питания по результатам наблюдений на контрольных участках (КУ) за 15 лет в полевом и овощном севооборотах за период 1994-2008 гг. В расчете хозяйственного баланса не учитывается изменение плодородия почвы, коэффициенты использования питательных веществ.

За 15 лет наблюдений на I КУ (в полевом севообороте) при средней урожайности 31,4 ц. з. ед./га сложился отрицательный баланс по азоту – 545 кг/га и калию – 631 кг/га. То есть значительная часть урожая получена за счет плодородия почвы (уменьшения валовых запасов). Положительный баланс наблюдается по фосфору – 153,8 кг/га.

По результатам расчета, для достижения бездефицитного баланса на данном участке необходимо вносить на 1 тонну з.ед. урожая 6,7 кг/га фосфора, 28,1 кг/га азота и 25,6 кг/га калия в действующем веществе.

По результатам мониторинга основные показатели плодородия почвы пахотного горизонта на данном участке значительно изменились. Содержание гумуса уменьшилось с 8,7% до 5,8%, что соответствует уменьшению его запасов в пахотном горизонте на 95,7 т/га. Произошло подкисление почв: рНс изменился с 5,6 ед. до 4,9 ед. Содержание К2О уменьшилось с 216 мг/кг до 212,8 мг/кг (среднее за последние годы). Его запасы уменьшились незначительно, на 10,6 кг/га. Содержание Р2О5 уменьшилось с 228,3 мг/кг до 208,7 мг/кг (среднее за последние годы), запасы уменьшились на 65 кг/га.

Почвы участка в последние годы имеют значительно меньшее содержание нитратного азота, чем 15 лет назад, оно уменьшилось с 88 до 43 – 24 мг/кг. Это связано с уменьшением запасов гумуса.

На II КУ (в овощном севообороте) за 15 лет наблюдений при средней урожайности 49,3 ц. з.ед./га отрицательный баланс сложился по азоту – 1170 кг/га и калию – 413 кг/га. И на этом участке значительная часть урожая получена за счет плодородия почвы. Положительный баланс наблюдается по фосфору – 275 кг/га. Для достижения бездефицитного баланса на данном участке необходимо вносить на 1 тонну з.ед. планируемого урожая 25,7 кг/га азота, 23,3 кг/га калия и 6,1 кг/га фосфора в действующем веществе.

Основные показатели плодородия почвы пахотного горизонта на II КУ так же изменились. За 15 лет наблюдений содержание гумуса уменьшилось с 9,1% до 7,9%. Запасы гумуса в пахотном горизонте уменьшились на 39,6 т/га. Произошло подкисление почв – рН изменился с 5,2 ед. до 4,8 ед. Содержание К2О увеличилось со 145 мг/кг до 183,4 мг/кг (среднее за последние годы). Его запасы увеличились на 126,7 кг/га. Содержание Р2О5 уменьшилось с 179 мг/кг до 150 мг/кг (среднее за последние годы), запасы уменьшились на 95,7 кг/га. Содержание подвижного (нитратного) азота в почве изменилось с 67 мг/кг до 19,6 мг/кг (среднее за последние годы).

При положительном балансе фосфора фактическое содержание Р2О5 в почвах снизилось значительно. При отрицательном балансе калия содержание К2О увеличилось на втором участке.

Для сохранения плодородия почв и высокой продуктивности рассчитаны по результатам мониторинга дозы удобрений по формуле:

, где

С1и С2 – содержание в почве в начале и конце рассматриваемого периода (мг/кг); 3,3 – коэффициент пересчета в т/га при объемной массе 1,1; Ку – коэффициент использования питательных веществ из удобрений; Ув – внесено с удобрениями за рассматриваемый период, кг/га; Тлет – длительность периода; Ут – средняя фактическая урожайность (т.з.ед/га)

На первом участке требуется фосфора 21,5 кг и 12 кг калия; на втором участке - 15,2 кг фосфора и 14 кг калия на 1 тонну з. ед. планируемого урожая. Азот вносится в зависимости от ежегодного содержания нитратов в почве. Эти дозы значительно отличаются от определенных по хозяйственному балансу.

Расчет баланса с учетом содержания в почве питательных веществ и его изменения за длительный период дает более точные – сопоставимые с аналитическими данными - результаты, чем хозяйственный баланс. На каждом поле даже при одинаковых природно-почвенных и хозяйственных условиях дозы удобрений на получение единицы урожая и сохранения плодородия почвы будут различные. Поэтому необходима детализация свойств и характеристик почвы с пространственной и временной их привязкой.

По данным агрохимического мониторинга и планам размещения культур для каждого участка хозяйства составлены рекомендации по применению удобрений. В расчетах использовали атрибутивную информацию, программу для выполнения расчетов и получения выходных форм проекта применения минеральных удобрений.


Моделирование свойств пахотных почв

Результат агрохимического мониторинга пахотных почв, как правило, представляет оперативные данные трех типов: констатирующие – параметры состояния объекта в момент исследования, оценочные – результаты обработки измерений и получение на этой основе оценок состояния объекта, прогнозные - прогнозирующие развитие на заданный период времени.

Для эффективного использования накапливаемых данных необходимы комплексная обработка и совершенные методы моделирования и представления данных. Из характеристики типов данных следует, что в ГИС для мониторинга параметров пахотных почв применяют в первую очередь динамические модели, то есть большую роль играют электронные карты. Применение динамических моделей позволяет имитировать дискретно-непрерывный характер природных явлений с выявлением «критических точек» нарушения непрерывности.

Особенностью представления данных в системе агрохимического мониторинга почв является то, что на картосхемах в большей степени представлены ареальные (полигональные) геообъекты, чем линейные.

Разработку и внедрение информационно-аналитической системы (ИАС) проводили для сокращения затрат ручного труда специалистов при обработке, поиске и выдаче информации; компактности хранения, оперативности обновления информации, повышения ее достоверности за счет однократного ввода в банк данных; сокращения бумажного документооборота (рис. 3).

В Государственном центре агрохимической службы «Кемеровский» с 1999 г. проводилась опытная эксплуатация ГИС «ПОЛИС», адаптированной на решение задач агрохимслужбы. Работу по ведению агрохимического мониторинга с использованием современных технологий выполняли совместно с Кемеровским территориальным центром информатизации и кадастровых систем органов Государственной власти.

Ведение агрохимического мониторинга с использованием ГИС «ПОЛИС» позволяет в полном объеме выполнять работу с картографическими материалами - основы агроэкологической оценки земель в агрохимической службе, и вести электронный банк данных, увязанный с графическими объектами, присутствующими на электронной карте. Оснащение персональными компьютерами и необходимым периферийным оборудованием, использование современных информационных технологий позволило ускорить процесс составления агрохимических картограмм.

Рис. 3 Схема информационно-аналитической системы

ФГУ Центра агрохимической службы «Кемеровский»

Существенно возросли объем, скорость и точность обработки результатов исследований. Банк данных и ГИС «ПОЛИС» успешно работают при ведении агрохимического мониторинга в 11 областях и республиках, в том числе в Казахстане.

Картографическое обеспечение агрохимического мониторинга пахотных почв

Электронная агрохимическая карта. За основу взята агроэкологическая классификация групп земель по основным почвенно-экологическим факторам. Агроэкологические подгруппы разделяются на классы по характеру почвообразующих пород и на подклассы - по их гранулометрическому составу.

Классификация предусматривает подразделения земель по особенностям мезорельефа, крутизне и экспозициям склонов, что позволяет идентифицировать выделенные контуры с аналогичными микроклиматическими условиями. С учетом всех перечисленных показателей была составлена комплексная детальная карта репрезентативного хозяйства.

Электронная карта АОЗТ «Береговой» была построена на основе карты почвенных ареалов и посевных площадей, содержащей информацию об элементарных ареалах агроэкологического ландшафта (АЭЛ). Под каждым таким ареалом понимается однородный почвенный контур, участок на элементе мезорельефа, характеризующийся одинаковыми геологическими, литологическими и микроклиматическими условиями.

Из элементарных ареалов агроландшафта формируются агроэкологические типы земель, которые, в отличие от пространственно фиксированных ареалов по природным условиям, представляют собой систему, которая зависит от адаптивных возможностей культур, условий интенсификации возделывания. В свою очередь, все ареалы классифицируются с учетом возможностей преодоления сельскохозяйственной культурой лимитирующих факторов среды.

Формирование тематических слоёв карты. Электронная карта включает пятнадцать самостоятельных слоёв, каждый из которых содержит до 36 типов объектов. Объекты в слои собраны по признаку некоторого эмпирического родства. Всего в классификаторе 205 объектов, в списке объектов присутствуют все типы, которые встречаются на материалах Роскартографии.

Электронная версия карты реализована средствами программного продукта «ПОЛИС». Основной слой карты содержит множество региональных элементов, каждый из которых соответствует одному элементарному ареалу (ЭАЛ) с одинаковыми агроэкологическими параметрами

Формирование информационных слоев карты. Следующий этап создания электронной карты СПК «Береговой» состоял в формировании информационного слоя карты. Для однозначной идентификации каждому отдельно взятому ЭАЛ на электронной карте были присвоены уникальный номер (например, 4204020010017: 42 – Кемеровская область, 04 – Кемеровский район, 02 – СПК «Береговой», 001 – номер рабочего участка, 0017 – номер элементарного участка) и набор информационных полей и набор информационных полей характеризующих каждую конкретную точку.

В информационных полях содержится полная информация об агроэкологических параметрах элементарного ареала. Структура информационной базы: 1 – номер точки, 2 - содержание гумуса, 3 - содержание подвижных форм фосфора, 4 - содержание обменных форм калия, 5 – кислотность (рН), 6 - содержание обменных форм кальция, 7 - содержание обменных форм магния, 8 - содержание серы, 9 – гидролитическая кислотность, 10 –сумма подвижных оснований, 11 – нитратный азот, 12 - гранулометрический состав.

Такой набор характеристик элементарных ареалов на ГИС-карте позволяет с разных позиций анализировать пригодность выбранной посевной территории для той или иной сельскохозяйственной культуры. Создание информационного слоя карты ГИС и привязка атрибутивной информации к каждому из объектов слоя «Почвы» позволяет воспроизводить различные варианты тематических закрасок карты, облегчающих визуальную оценку преобладания элементарных ареалов с теми или иными наборами агроэкологических параметров.

Проведено подробное многокомпонентное картирование агроландшафта, что позволило идентифицировать по сочетанию различных признаков более тысячи элементарных почвенных ареалов. Последние, в свою очередь, комплектовались в агроэкологические типы земель для научно-обоснованной планировки распределения сельскохозяйственных культур и выбираемого уровня технологии.

В результате работы экспертного модуля информационно-аналитической системы агроном получает фактически готовый план распределения культур по имеющимся производственным участкам и прогноз урожайности как отдельно по каждому участку, так и в сумме по всей территории лесостепи Кузнецкой котловины. Вся эта информация отображается на экране компьютера в любом масштабе в виде электронной карты с окраской соответственно полученному оптимальному размещению культур. При наличии соответствующего оборудования (принтер, плоттер) можно получить твердую копию карты с любым сочетанием слоёв и в любом масштабе.

Испытания и внедрение созданной системы в производство на примере деятельности ФГУЦАС «Кемеровский» и 11 учреждений Агрохимслужбы показали, что система не только предоставляет отличные возможности хранения и обработки статистической информации по агрохимическим показателям плодородия почв, урожайности, изменения индекса развития растительности, но и служит мощным инструментом для поддержки принятия решений при планировании использования агроэкологических ресурсов территории.

Цифровые картографические модели как способ представления агрохимического состояния почв

Одно из достоинств цифровых картографических моделей – это большая наглядность и точность представления информации, достигаемая созданием большого числа тематических карт. Электронные карты были созданы для визуального восприятия динамики агрохимических показателей пахотных почв по каждому земельному участку. Каждая электронная карта имеет базу данных, содержащую соответствующую тематике карты информацию по каждому почвенному ареалу. Например, база данных электронной карты содержания гумуса содержит номер земельного участка, площадь, индекс и полное название почвенной комбинации, содержание гумуса.

В работе приведены цифровые картографические модели (картограммы) по содержанию гумуса, подвижного фосфора, обменного калия и кислотности по годам агрохимического мониторинга 1982, 1986, 1989, 1992, 1997 и 2003, по размещению культур и дозам рекомендуемых минеральных удобрений. В легенде карты приведены принятые группировки показателей для данных типов почв, площади. Все электронные карты имеют единую систему координат, привязанную к плану внутрихозяйственного землеустройства масштаба 1:10000.

Визуализация данных на картограммах подтверждает исследования по динамике изменения кислотности почв лесостепи Кузнецкой котловины, приведенные в главе 3. На картограмме 2003 г. видим явное ухудшение состояния почв по кислотности. Это связано с несбалансированным применением удобрений и отсутствием известкования почв. На полях появились участки с сильнокислой и среднекислой степенью кислотности, которые занимают 14% изучаемых пахотных земель хозяйства. По материалам первых трех циклов обследования такие почвы практически отсутствовали. Среднекислые почвы выявились по результатам обследования 1992 г.

В овощных севооборотах уменьшилось количество нейтральных почв, преобладают почвы со слабокислой степенью кислотности, что снижает эффективность минеральных удобрений, применяемых при производстве овощей. В три раза сократились площади почв со степенью кислотности близкой к нейтральной (рис. 4). На картограммах (рис.5) мы видим, что высокое содержание подвижного фосфора сохраняется в почвах земельных участков овощных севооборотов в связи с применением фосфорных удобрений.

Но большая часть пахотных земель перешла из группы с повышенным и высоким содержанием подвижного фосфора в группу со средним его содержанием и требуется внесение фосфорных удобрений.

Эффективность ведения агрохимического мониторинга пахотных почв с использованием современных технологий

В современных условиях развития научно-технического прогресса и рыночных отношений, характеризующихся ростом цен на энергоносители и развитием информационных технологий, для эффективного сельскохозяйственного производства крайне необходимо применение новых технологий. Основной задачей этих технологий является получение экономического эффекта за счет оптимизации использования производственных средств и технологических процессов.

Сравнение затрат на выполнение картографических работ по традиционной технологии и с применением ГИС-технологии проведено в соответствии с Типовыми нормами выработки… (1994) и результатами хронометража на рабочем месте (табл. 5).

5. Стоимость изготовления одной агрохимической картограммы

(средняя площадь сельскохозяйственных угодий хозяйства 7000 га, в ценах 2009 г.)

Показатель Единица измерения Значение показателя
традиционная технология ГИС технология
Затраты труда чел.-дни 3,33 0,125
Заработная плата с начислениями руб. 1972 74
Затраты на 1 лист бумаги А1 руб. 3,20 3,20
Затраты на краску руб. 11,80 37,20
Амортизационные отчисления: плоттер, сканер, компьютер руб. - 77,13+2,09+13,77
ИТОГО: руб. 1987,00 207,39

Экономия затрат за счет выполнения работ с использование ГИС систем составляет 1179,61 руб. на каждую картограмму, потому что основная составляющая затрат – оплата труда специалистов.

 1989 г. 2003 г. рансформация площадей по степени кислотности почвы -4

1989 г. 2003 г.

Рис.4 Трансформация площадей по степени кислотности почвы

 1982 г 2003 г рансформация площадей в СПК «Береговой» по группам-5

1982 г 2003 г

Рис.5 Трансформация площадей в СПК «Береговой» по группам содержания

подвижного фосфора

Выводы

1. Анализ и оценка динамики и современного состояния агрохимических показателей почв лесостепи Кузнецкой котловины выявили пространственную пестроту почвенного плодородия и наличие тенденции его снижения.

Коэффициенты вариации по содержанию гумуса 7-15%, подвижного фосфора и обменного калия – 19-40%.

2. Анализ динамики агрохимических показателей состояния пахотных почв Кузнецкой котловины позволил выявить две группы направленности изменения изучаемых параметров:

- увеличение или сохранение содержания подвижного фосфора, обменного калия и гумуса; снижение или сохранение кислотности, то есть плодородие почвы не снижается;

- уменьшение содержания подвижного фосфора, обменного калия и гумуса, увеличение кислотности - плодородие почв снижается.

Урожайность сельскохозяйственных культур повторяет тенденцию изменения показателей плодородия почвы.

3. Для сохранения плодородия почвы и высокой продуктивности посевов расчет доз удобрений необходимо проводить балансовым методом для каждого земельного участка с использованием данных агрохимического обследования.

4. Разработана методика агрохимического мониторинга с ведением единой комплексной автоматизированной системы хранения, накопления, оценки, обмена и использования данных мониторинга пахотных почв - ГИС «ПОЛИС», которая предоставляет отличные возможности хранения и обработки статистической информации по агрохимическим показателям плодородия почв, урожайности, изменения индекса развития растительности, и служит мощным инструментом для поддержки принятия решений при планировании использования агроэкологических ресурсов территории.

5. Разработана технология создания картографического материала по данным агрохимического обследования состояния пахотных земель с использованием информационно-аналитического комплекса, которая повышает объективность, качество и результативность наблюдений за состоянием плодородия и эффективным использованием почв, как основного ресурса сельскохозяйственной деятельности.

6. Разработана структура электронной карты, которая включает 15 самостоятельных слоев с 36-ю типами объектов каждый. База данных содержит 12 структурных элементов с набором характеристик элементарных почвенных ареалов.

7. Создан электронный архив картографических моделей и атрибутивной информации пахотных почв для 150 сельскохозяйственных предприятий лесостепи Кузнецкой котловины.

8. Под зерновые культуры в лесостепи Кузнецкой котловины в зависимости от почвенного плодородия дозы азотных удобрений составляют 21-42 кг д.в./га, фосфорных – 4,7-9,1 и калийных удобрений 4-20 кг д.в./га.

9. Оценка эффективности использования геоинформационных технологий при проведении агрохимического мониторинга пахотных почв по экономии затрат за счет выполнения работ с использование ГИС систем составляет 1179,61 руб. на каждую картограмму.

Предложение производству

Для сохранения плодородия почв рекомендуется создание и ведение агрохимического ГИС-мониторинга.

Для эффективного управления землепользованием рабочее место каждого технолога растениеводства необходимо обеспечить ГИС системой с материалами почвенно-агрохимического обследования, что позволит оперативно оценивать состояние почвенного покрова и целесообразно планировать сельскохозяйственное производство.

Рекомендовать в качестве ГИС-системы адаптированную к решению задач Агрохимической службы РФ ГИС «ПОЛИС», которая выгодно отличается от аналогичных продуктов на рынке информационных технологий: ценой, требованием к аппаратному обеспечению, легкостью в освоении технологии и возможностью настройки по желанию пользователя.

Для поддержания кислотности на оптимальном уровне необходимо проводить основное и поддерживающее известкование. Внесение извести коренным образом изменяет свойства почвы и последействие может продолжаться десять и более лет. На известкованных почвах эффективность минеральных удобрений по нашим расчетам увеличивается на 20-30%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

  1. Просянникова О.И. Информационно-аналитическая система ГЦАС «Кемеровский» / О.И. Просянникова, Ю.А. Королев, В.В. Михайлов // Агрохимический вестник.- 1999. - №4.- С. 27-30.
  2. Михайлов В.В. Технология электронного картографирования // Агрохимический вестник.- 1999. - №4.- С. 31-33.
  3. Просянникова О.И. Программный комплекс «Автоматизированная информационная система агрохимслужбы» / О.И. Просянникова, В.С. Анохин, В.В. Михайлов, Т.А. Калинина, Ю.А. Королев // Партнеры и конкуренты.- 2003. - №4.- С. 44-47.
  4. Анохин В.С. Отбор почвенных образцов по узловым точкам / В.С. Анохин, Ю.А. Королев, В.В. Михайлов, Т.А. Калинина // Агрохимический вестник.- 2004. - №1.- С. 12-13.
  5. Королев Ю.А. Программный комплекс «Автоматизированная информационная система Агрохимслужбы» / Ю.А. Королев, В.В. Михайлов, Т.А. Калинина: Материалы межрегиональной научно-практической конференции «Агрохимия: наука и производство» (г. Кемерово, 16 декабря 2004 г.).- Кемерово, 2004.- С. 40-41.
  6. Просянникова О.И. Развитие и использование ГИС-технологий для агроэкологической оценки земель / О.И. Просянникова, В.В. Михайлов, Т.А. Калинина: Материалы VI международной научно-практической конференции «Наука и инновации агропромышленного комплекса» (Кемерово, 28-31 октября 2008 г.).- Кемерово, 2008. – С. 154-155.


 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.