Данные агрофизических свойств почв в формировании почвозащитных систем земледелия с применением Гис-технологий на примере Браславского района Витебской области
Введение
Успешное внедрение адаптивно-ландшафтных систем земледелия предусматривает пространственный учет природных условий, лимитирующих сельскохозяйственную деятельность. Состояние почвенного покрова агроландшафтов, выраженное в параметрах физических свойств почв, является важным обоснованием проектирования землепользования. Эти свойства почв указывают на их водновоздушный и тепловой режимы, формирующие в значительной мере естественное плодородие, и оказывающие влияние на увеличение их продуктивной способности при агрохимических мероприятиях. Совершенствование технологий возделывания сельскохозяйственных культур возможно лишь при условии комплексной оценки агроэкологического состояния почвенного покрова, характеризующей в числе прочих агрофизические условия земледелия.
Современные планово-картографические материалы учета и оценки почвенного покрова в Республике Беларусь представлены как в традиционном исполнении, так и в формате электронных баз и банков данных [2, 5, 9, 13]. И если классификационное положение почв уже давно находит отражение в почвенных картах и пространственном слое земельно-информационной системы административно-территориальных единиц, то наиболее тесно связанные с материальной частью почвы параметры водных, воздушных и тепловых условий почвообразования лишь недавно стали учитываться в специализированных банках данных агрофизических свойств.
В настоящей статье рассмотрены вопросы по геоинформационному сочетанию накопленных к настоящему времени данных о структурно-агрегатном составе и агрофизических свойствах почв в агроландшафтах республики и информации о фактическом использовании земель сельскохозяйственного назначения с учетом их мелиоративного состояния и геосистемного положения. Основной акцент сделан на проблеме интерполяции данных для сплошной оценки агрофизических условий сельскохозяйственных земель в агроландшафтах при помощи средств геоинформационных технологий. Использование предлагаемого подхода открывает пути для предварительной оценки дифференцированного проявления деградации почвенно-земельных ресурсов в зависимости от уровня антропогенной нагрузки в агроландшафтах и соответственно для выбора площадок первоочередного мониторинга земель в структуре национальной системы мониторинга окружающей среды.
1.Объекты и методы исследований
почвенный покров землепользование
Территориальными объектами исследования являются земли сельскохозяйственного назначения Браславского района Витебской области республики, характеризуемые с позиций почвенного покрова, почвенно-ресурсного потенциала, вида и характера землепользования, объекта цифрового картографирования автоматизированной системы государственного земельного кадастра. Обработка данных агрофизических свойств почв проведена на примере Браславского района в связи с его приуроченностью к зоне наибольшего проявления почвенно-эрозионных процессов и необходимости обязательного учета условий водного и воздушного режимов почв при формировании почвозащитных систем земледелия [3].
Браславский район является типичным районом Белорусского Поозерья. Его отличает исключительное разнообразие и сложность природных условий землепользования: около 50% территории района расположено в пределах высот 130-150 м, 45% ? более 150 м. Земли сельскохозяйственного назначения составляют 42% площади района. На обрабатываемых землях преобладают склоны с уклоном более 5 градусов, что обусловливает широкое распространение водноэрозионных процессов. Удельный вес эродированных почв на пахотных землях ? 18,5%, в том числе слабоэродированные ? 9,2%, среднеэродированные ? 7,6% и сильноэродированные ? 3,2% [10]. Молодой сложный сильно расчленённый рельеф, активное формирование эродированных и намытых почв обусловили выбор территории Браславского района для автоматизированной обработки данных агрофизических свойств почв для формирования почвозащитных систем земледелия.
Возможность и перспективы автоматизированной обработки данных об условиях почвообразования и фактическом использовании земель в агроландшафтах в геоинформационной среде выступают в качестве предмета проводимых исследований. Почвенные комбинации играют роль операциональных единиц в задачах геосистемного учета почвенно-ресурсного потенциала и интерполяции данных об агрофизических свойствах, полученных на ключевых участках исследуемого района.
Системный подход и геоинформационное моделирование составляют методологию проводимых исследований. При формировании банка данных использованы методы полевых и лабораторных экспериментов, сравнительно-географический, картографический. Геостатистический, картометрический, оценочный, а также специализированные методы в структуре баз данных используются для увеличения достоверности многофакторного анализа данных агрофизических свойств почв и их пространственной интерполяции на всю территорию агроландшафтов Браславского района.
2.Результаты исследований
Систематизация и анализ данных о состоянии агрофизических свойств почв необходимы для целого ряда теоретических и практических задач, в особенности - при формировании почвозащитных адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Установлено, что нельзя повысить плодородие почвы, не обеспечив растения соответствующим количеством воды, воздуха и тепла. Поэтому рекомендации для использования сельскохозяйственных земель, разработанные на основе агрохимического мониторинга почв республики, должны быть дополнены данными об агрофизических свойствах почв с учетом геосистемного положения каждого типа земель.
В Институте почвоведения и агрохимии формируется банк данных агрофизических свойств почв республики - автоматизированная информационная система централизованного хранения и использования показателей водного и воздушного режимов почв. Автоматизация в числе прочего подразумевает процедуру расчета параметров агрофизических условий почвообразования на основе учитываемых в банке данных. Кроме значений агрофизических свойств обследуемых почв и их структурно-агрегатного состава, структура банка данных предусматривает в обязательном порядке учет следующей информации:
* генетическая принадлежность почвы;
* степень гидроморфизма;
* степень подверженности эрозии;
* гранулометрический состав;
* генезис почвообразующих пород;
* мелиоративное состояние;
* фактическое использование земель; * сведения о месте заложения разреза.
Территориальными объектами полевых изысканий являются пункты мониторинговых наблюдений за проявлением процессов водной эрозии и дефляции, точки пробоотбора маршрутных исследований, лабораторные данные с известной пространственной привязкой к местности. Образцы для установления агрофизического состояния почв отбираются из пахотного горизонта из слоев 0-10 см и 10-20 см, а также из подпахотного горизонтов. Влажность почвы определяется весовым методом, плотность почвы - при помощи колец Капецкого (метод «режущих колец»), общая пористость и пористость аэрации - расчетными методами. Одновременно отбирается монолит для определения структурно-агрегатного состава. Таким образом, банк данных содержит сведения о таких агрофизических свойствах почв, как плотность сложения (по горизонтам 0-10 см, 10-20 см, 30- 40 см), влажность по тем же горизонтам, пористость и пористость аэрации пахотного горизонта. Результаты сухого и мокрого просеивания, проводимого по методу Саввинова, позволяют определить показатели, характеризующие структурное состояние почвы и ее противоэрозионную устойчивость:
* водоустойчивость по классификации Н.А. Качинского (содержание агрегатов более 0,25 мм при мокром просеивании);
* коэффициент водоустойчивости (Кву), определяемый по соотношению агрегатов размером более 0,25 мм при мокром и сухом просеивании;
* коэффициент структурности (Кстр) - отношение содержания агрономически ценных агрегатов (0,25-10 мм) к сумме агрегатов более 10 мм и менее 0,25 мм - при сухом просеивании;
* коэффициент водопрочности (Квпр) представляет собой соотношение количество в процентах водопрочных агрегатов более 0,5 мм при мокром и сухом просеивании;
* содержание водопрочных агрегатов 0,5 мм, в процентах;
* средневзвешенный диаметр агрегатов при мокром просеивании;
* коэффициент нестабильности (Кнест), отражающий изменение средневзвешенного диаметра агрегатов при сухом и мокром просеивании почвы.
В ходе маршрутных почвенных исследований, проведенных в 2011-2015 гг. на территории Северной, Центральной и Южной почвенно-экологических провинций, сотрудниками лаборатории агрофизических свойств и защиты почв от эрозии Института почвоведения и агрохимии был накоплен значительный объем фактического материала об актуальном состоянии агрофизических свойств почв, дифференцированных по генезису (моренные, водно-ледниковые и другие) и гранулометрическому составу почвообразующих пород. Кроме того, наполнение банка данных проводилось с учетом разной степени увлажнения почв, сельскохозяйственного использования и степени эродированности.
Однако накопление информации не является конечной целью использования банка данных агрофизических свойств почв республики. Поскольку актуальное состояние физических свойств почвы напрямую связано с рельефом местности, и с протекающими процессами эрозии и дефляции, физическое состояние почвы (структура, плотность, сложение) в значительной мере определяет устойчивость к водно-эрозионным процессам. Водно-физические свойства почв определяют соотношение между вертикальным, боковым и поверхностным стоком [1]. В связи с этим, наряду с другими показателями учитываются противоэрозионная устойчивость почв, рассчитываемая по коэффициентам водоустойчивости, водопрочности и нестабильности агрегатов почвы, а также оптимальный диапазон варьирования значений агрофизических свойств. Точность планово-картографических материалов, полученных на основе банка данных, увеличивается прямопропорционально его объему информации в конкретной административно-территориальной единице или в границах распространения исследуемой почвенной таксономической единицы.
Планово-картографическое обоснование почвозащитных систем земледелия подразумевает пространственное распределение необходимых мероприятий по повышению противоэрозионной устойчивости почв, снижению стока воды, уменьшению подверженности почв выдуванию вследствие силы приземного ветра и прочие меры. К ним можно отнести агротехнические приемы воздействия на почву путем травосеяния; внесение органических удобрений; соответствующая механическая обработка почвы; внесение структурообразующих веществ, способствующих созданию пористых водопрочных агрегатов.
В соответствии с Кодексом Республики Беларусь о земле [4] все применяемые системы земледелия должны предусматривать в той или иной степени почвозащитные мероприятия. Масштаб применения таких приемов зависит от климатических, геоморфологических и почвенных условий местности, агрохимических и организационных условий ведения сельскохозяйственной деятельности, обусловливающих вид и характер проявления водно-эрозионных и прочих деградационных процессов.
Поэтому не стоит недооценивать информативное значение данных агрофизических свойств почвы для организации почвозащитного земледелия. Структурно-агрегатный состав является одним из главнейших показателей, определяющих степень воздействия эрозии на почву, что подтверждается расчетными моделями потенциального смыва с применением геоинформационных технологий [12]. Повышенное содержание мелких частиц способствует более сильному смыву почвы. При незначительных скоростях поверхностного стока мелкие частицы легче переходят во взвешенное состояние в потоке и уносятся последним, так как смыв почвы прямо пропорционален способности ее частиц переходить во взвешенное состояние. Верхний пахотный горизонт неэродированных почв имеет более легкий гранулометрический состав по сравнению как с нижележащими горизонтами, так и с верхними горизонтами смытых и намытых почв. Водопрочность структуры прямо пропорциональна мощности гумусового горизонта. Поэтому с увеличением степени эродированности противоэрозионная устойчивость почв уменьшается. По мнению Ц.Е. Мирцхулавы [6, 7], почвы разного гранулометрического состава могут значительно различаться устойчивостью к эрозии. Гранулометрическим составом определяется также соотношение между количеством осадков, стекающих по склонам и инфильтрующихся в почву. В лесной зоне за весенний период в песчаную почву проникает 80% осадков, в супесчаную - 67%, а в суглинистую - только 47% [8].