МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

 

 
"РОЛЬ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА В ОБЕСПЕЧЕНИИ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМ "
 
(МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ)
 
Москва 2006
 

УДК 631.6

Обоснование размещения комплексной мелиорации

агроландшафта с использованием гис-технологий

 

Л.В. Кирейчева – д.т.н., проф.,  И.В.Белова – к.т.н.

Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации

им. А.Н. Костякова, г. Москва, Россия

 

В новых социально-экономических условиях XXI века актуальной задачей современности является создание необходимых условий для сохранения и наиболее полной реализации природно-ресурсного потенциала сельскохозяйственных угодий. Научное обоснование комплекса мелиоративных мероприятий для повышения продуктивности обрабатываемых земель и экологической устойчивости агроландшафта будет способствовать решению проблемы воспроизводства природно-ресурсной агрогеосистемы с целью предупреждения негативных последствий антропогенной деятельности. В таком ракурсе комплексную мелиорацию можно рассматривать как инструмент эколого-ландшафтного земледелия, а ее роль приобретает природоохранный характер.

Обосновать необходимость проведения мелиоративных мероприятий, а затем и назначить адекватный комплекс мелиораций возможно через оценку текущего и потенциально возможного состояния природно-ресурсного потенциала агроландшафта. Оценку состояния агрогеосистемы возможно выполнить по двум интегральным показателям: биопродуктивности и  экологической устойчивости.

Для оценки величины продуктивности мелиорированных угодий возможно использовать модель, разработанную Т.М. Хомяковым,  С.А. Пеговым [5] так как она является интегральной и позволяет учитывать свойства почвы, выражающиеся через индекс почвы (S), влияние климатических условий, определяемых коэффициентом благоприятности климата для естественных ценозов (CL) и показателем соответствия климатических условий данной культуре (ART) – для агроценозов, а также уровень культуры производства (GGR):

                           (для естественных ценозов);

                          (для агроценозов).                                                     (1)

Для оценки экологической устойчивости мелиорированного агроландшафта нами была разработана методика на основе методологии, предложенной в работе «Комплекс природоохранных мероприятий по обеспечению экологической устойчивости осушаемых агроландшафтов» [3], которая позволяет определить коэффициент устойчивости в зависимости от типа воздействия на агроэкосистему, основных параметров состояния мелиорированного агроландшафта и их оптимальных значений, структуры агроландшафта.

Коэффициент экологической устойчивости мелиорированного агроландшафта имеет следующий вид

                                     ,                                                (2)

 

где К'эс – коэффициент экологической стабильности агроландшафта; - коэффициент устойчивости каждого выдела (местности);   Fi – площадь каждого выдела (местности). Величина коэффициента устойчивости находится в интервале от 0 до 1, поэтому значения коэффициентов  К'эс и  должны находиться в аналогичных пределах.

Коэффициент экологической стабильности зависит от площади биотических элементов, расположенных на территории агроландшафта, и геолого-морфологической устойчивости рельефа [2]

                                                                                                           (3)

 

где fi – площадь биотического элемента, га;  Кэз – коэффициент, характеризующий экологическое значение отдельных биотических элементов; Кр – коэффициент геолого-морфологической устойчивости рельефа; F – площадь всей территории агроландшафта, га.

При  Кэс >0,66 – структура агроландшафта стабильна. Для приведения значения коэффициента экологической стабильности в интервал от 0 до 1 можно воспользоваться формулой

                                                   ,                                                             (4)

 

где 0,67 – значение коэффициента, определяющее стабильную структуру агроландшафта. При  Кэс  более 0,67, структура стабильна, тогда   К'эс = 1.

Коэффициент устойчивости каждого выдела рассчитывается следующим образом

                                                                 (5)

 

где  К(Hi), К(Thi), К(), К(Qi), К(pHi), К(Ci), К(Di), К(Ti) – показатели Th, H, , Q, pH, C, D, Т, приведенные к единой размерности по формулам

                                   К(Hi), К(Thi), К(), К(Qi), К(pHi), К(Ci),

                                  К(Di) = К (Хi)  = (ХiXmin)/(XoptXmin),

                                 К (Тi)  = (ХiXmax)/(XoptXmax),                                                                (6)

где Хopt – оптимальное значение i-го показателя;   Хi – текущее значение i-го показателя; Хmin, Хmax – соответственно,  минимальное и максимальное значение  i-го  показателя;

Hi – содержание гумуса в почве в i-ой точке, %;   Thi – мощность гумусовых горизонтов почв, см;    – содержание элементов минерального питания в гумусовых горизонтах почвы, в долях от максимального значения;   Qi – величина оросительной нормы, мм; рНi – кислотность гумусовых горизонтов почв;     Сi – содержание физической глины, %; Di – норма осушения, см;    Тi – величина сработки торфа, см.

Коэффициент К'yi преобразуется в коэффициент устойчивости Кyi, значения которого находятся в пределах от 0 до 1, следующим образом

                                          ,                                                               7)

где - значение коэффициента устойчивости при совокупности всех оптимальных показателей. При  > 0,9,  < 0,1.

Зависимость для расчета устойчивости каждого выдела универсальна. Она может быть дополнена любыми показателями, характеризующими состояние агроландшафта, или же некоторые параметры при необходимости, возможно, исключить (например, если не проводится гидромелиорация, то оросительная норма и  норма осушения не включаются в расчетную формулу). Эти изменения учитываются при расчете показателя , и на структуру зависимости для определения общей устойчивости влияния не оказывают.

При удовлетворительных значениях показателей состояния агрогеосистемы антропогенная деятельность может осуществляться в том же объеме, в котором она и проводилась. В противном случае необходимо проведение мелиоративных мероприятий, обосновать которые возможно путем проведения сценарных исследований. Для эффективного использования этого инструментария нами была разработана методика проведения сценарных исследований на базе ГИС-технологий, предполагающая проведение следующих этапов:

1.                        Обоснование экологических ограничений на  величину продуктивности сельскохозяйственных угодий и показатели антропогенной (мелиоративной) деятельности для выбранного объекта.

2.                        Выбор траектории развития агроландшафта, обоснование возможности проведения мелиоративных мероприятий.

3.                        Формирование различных вариантов проведения комплексной мелиорации агроландшафтов.

4.                        Выполнение расчетов по оценке устойчивости и продуктивности элементов ландшафта и в целом агроландшафта.

5.                        Выбор наиболее приемлемого сценария по результатам проведения технико-экономических расчетов.

Экологически обоснованная величина продуктивности сельскохозяйственных угодий определяется в зависимости от почвенных и климатических условий местности. В качестве критериального значения коэффициента экологической устойчивости принято значение , при котором агроландшафт можно отнести к категории экологически благополучных мелиоративно освоенных комплексов (агроландшафт функционирует без проявления деградационных изменений своих компонентов).

Основными критериями, ограничивающими мелиоративную деятельность, следует считать: почвенно-мелиоративные показатели (содержание гумуса в почве, степень засоления почвы, глубина залегания грунтовых вод и т.д.); степень преобразования ландшафта; соотношение различных угодий, их расположение в пределах морфологических частей; удельный вес гидромелиорации в общем мелиоративном комплексе. 

При выборе мелиоративных мероприятий рекомендуется учитывать влияние каждого вида мелиорации на продуктивность и коэффициент устойчивости. Проведенный нами анализ параметров, определяющих величину продуктивности и коэффициента экологической устойчивости, показал, что действие различных видов мелиорации направлено в основном либо на повышение объема продукции сельскохозяйственных культур, либо на увеличение коэффициента экологической устойчивости. Так, например, проведение агротехнических мероприятий позволит повысить биопродуктивность, а реализация гидромелиоративных мероприятий – коэффициент экологической устойчивости.

После выбора и обоснования возможных мероприятий формируются сценарии развития агроландшафта, представляющие собой мелиоративные комплексы. Возможность осуществления предложенного комплекса мелиораций определяется через вариантные расчеты по моделям устойчивости и продуктивности. Оценка приемлемости выбранного сценария производится сравнением величин коэффициента устойчивости и объема продуктивности с критериальными значениями. Расчеты проводятся до тех пор, пока их результаты не будут соответствовать поставленным условиям. В случае если несколько сценариев удовлетворяют предъявляемым требованиям, проводится технико-экономическое обоснование, на основе которого и осуществляется окончательный выбор наиболее подходящего варианта комплексной мелиорации агроландшафта. Использование ГИС-технологий позволяет быстро и наглядно представить результаты сценарных расчетов в виде рекомендательных карт, позволяющих в дальнейшем принять решение о применение того или иного комплекса мелиораций. Таким образом, не только повышается уровень производительности исследований, но и появляется возможность постоянного обновления и расширения информационных данных.

Объектом наших исследований являлся экополигон «Мещера» (Рязанская обл.) площадью 3677 га. На территории агроландшафта располагается лес (2700 га), осушаемые земли (500 га), пастбище, неорошаемая пашня, заброшенные орошаемые земли (111 га), дачные участки. В настоящее время на полигоне функционирует осушительная система, но вследствие ее неудовлетворительной работы на некоторых участках развиваются процессы переувлажнения и вторичного заболачивания.

Для составления ландшафтной карты объекта и оценки его текущего состояния нами в 2003-2005 гг. были проведены полевые исследования, включающие рекогносцировочное обследование, почвенные исследования и комплексное физико-географическое описание угодий. Результаты исследования агрохимических и агрофизических свойств почвы приведены в табл. 1.

Почвенная карта экополигона, составленная сотрудниками Мещерского филиала ВНИИГиМ, была переведена в электронный вид и дополнена базой данных, содержащей результаты почвенных изысканий. Используя результаты полевых исследований и данные Мамай И.И. [1], нами была построена ландшафтная карта экополигона «Мещера». Территория экополигона расположена в пределах двух ландшафтов (зандровых и наложенных аллювиальных равнин) и трех местностей (слабоволнистых водно-ледниковых и выровненно-котловинных зандровых равнин, вторых надпойменных террас).

 

 Таблица 1

Результаты почвенных исследований

Номер точек

Тип угодья

рН

ГОСТ 26483-85

Р2О5

К2О

N, %

(по Кье-льзалю)

Содерж. орг. в-ва, %

ГОСТ 26213-91

Гидролит.

кислотность,

мг-экв/100г

ГОСТ 26212-91

Название почвы по гранулометрическому составу (по Качинскому)

мг на 100 г

ГОСТ

26207-91

1

Лес

4,0

6,3

3,7

0,106

3,3

4,05

Песок связный

2

Залежь

5,7

33,3

4,3

0,082

3,3

0,80

Песок связный

3

Лес

4,4

10,1

3,5

0,075

2,6

2,52

Песок связный

4

Пастбище

4,1

1,6

5,5

0,079

5,7

1,86

Песок связный

5

Пастбище

6,2

20,1

13,1

0,121

9,5

1,28

Супесь

6

Пашня

6,2

43,5

11,5

0,092

8,6

1,26

Песок связный

7

Осушаемые угодья

5,9

24,8

4,8

0,069

5,2

3,79

Песок связный

8

Участок вто-ричного заболачивания

 

4,9

 

3,4

 

6,4

 

3,00

 

15,2

 

2,74

 

Торф

9

Осушаемые угодья

6,8

19,0

5,9

0,192

9,5

1,15

Супесь

10

5,5

39,0

26,1

0,117

10,0

3,05

Супесь

11

Лес

4,7

13,3

3,3

0,056

3,0

2,57

Песок связный

12

Дачные участки

4,4

27,0

6,1

0,092

7,2

7,41

Легкий суглинок

13

Осушаемые угодья

5,6

31,0

7,0

0,095

8,1

4,32

Песок связный

14

5,3

19,1

5,7

0,221

9,1

6,53

Супесь

15

5,5

16,8

18,6

0,362

6,95

0,61

Супесь

 

Для экополигона была определена фактическая продуктивность сельскохозяйственных угодий, которая изменяется от 1,23 т/га (многолетние травы, осушаемая пашня) до 4,59 т/га (многолетние травы, пастбище). Максимальную потенциальную продуктивность (12,3 т/га) имеет залежь на бывших орошаемых землях. Проведенные расчеты по оценке продуктивности и данные хозяйства ОПХ «Полково» позволяют сделать вывод, что почвы большей части сельскохозяйственных угодий экополигона истощены и деградированы: содержание элементов минерального питания в почве недостаточно, мощность гумусового горизонта невелика, гидролитическая кислотность повышена. В настоящее время наблюдается низкая фактическая продуктивность обрабатываемых земель при достаточно высокой потенциальности, что характеризует уровень сельскохозяйственного производства как низкий, не обеспечивающий полную реализацию природно-ресурсного потенциала агроландшафта.

В соответствии с методикой оценки экологической устойчивости для экополигона был рассчитан коэффициент устойчивости агроландшафта в целом и по отдельным угодьям. Анализ полученных значений свидетельствует, что максимальную устойчивость имеет культурное пастбище на ранее орошаемых землях (Ку = 0,97). Осушаемые угодья могли бы иметь более высокую продуктивность и экологическую устойчивость, но из-за неудовлетворительной работы осушительной системы, в результате которой на некоторых участках развиваются процессы переувлажнения почвы и вторичного заболачивания, устойчивость их  низкая  (Ку = 0,52).  Коэффициент  устойчивости агроландшафта в целом составляет Куобщ.= 0,28, что не соответствует критериальному значению ().

На основе анализа современного состояния агроландшафта и потенциальной возможности повышения природно-ресурсного потенциала для экополигона «Мещера» обоснованы следующие возможные сценарии развития агроландшафта:

1. Первый сценарий – проведение агротехнических, культуртехнических и химических мелиораций, то есть внесение органических удобрений для пополнения запасов органического вещества, регулирование кислотности почв и, как основной вид, внесение минеральных удобрений для создания оптимального соотношения элементов минерального питания (NPK).

Этот сценарий, в первую очередь, обусловливает повышение продуктивности за  счет ликвидации дефицита элементов минерального питания. Внесение органического вещества необходимо на всех обрабатываемых угодьях не только для увеличения содержания гумуса, но и, в профилактических целях, для стимулирования процессов гумусообразования.

2. Второй сценарий – реконструкция существующей осушительной системы и строительство новой на участке вторичного заболачивания для регулирования водно-воздушного режима почвы. Указанные мероприятия, в большей степени, повлияют на экологическую устойчивость, чем на повышение продуктивности. Если их не проводить, то процессы вторичного заболачивания могут начаться повсеместно, что приведет к ускорению деградационных изменений природной среды.

3. Третий сценарий является совокупностью первого и второго варианта. В этом случае оценивается совместное действие «сухих» и гидромелиораций для конструирования экологически устойчивого и продуктивного агроландшафта.

4. Четвертый сценарий предполагает реализацию «сухих» мелиораций, строительство новой осушительной системы на участке вторичного заболачивания и устройство осушительно-увлажнительной системы на осушенных землях.

В таблице 2 приведены обобщенные результаты сценарных исследований.

Таблица 2

Обобщенные результаты сценарных исследований

Тип угодья

Номерточек

Текущее состояние

1-й

сценарий

2-й

сценарий

3-й

сценарий

4-й

сценарий

Ку

Р, т/га

Ку

Р, т/га

Ку

Р, т/га

Ку

Р, т/га

Ку

Р, т/га

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Залежь

2

0,14

-

0,96

7,43

0,14

-

0,96

7,43

0,96

7,43

Пастбище

4

0,1

1,84

0,86

7,28

0,1

1,84

0,86

7,28

0,86

7,28

5

0,97

4,59

0,97

7,39

0,97

4,59

0,97

7,39

0,97

7,39

Пашня

6

0,68

2,90

0,94

7,18

0,68

2,90

0,94

7,18

0,94

7,18

Осушаемые угодья

7

0,75

1,30

0,46

6,14

0,72

1,30

0,98

6,14

0,97

7,28

8

0,1

-

0,1

4,83

0,7

-

0,94

4,83

0,94

5,37

9

0,62

1,82

0,38

6,41

0,9

1,82

0,93

6,41

0,96

7,43

10

0,49

1,95

0,49

6,69

0,98

1,95

0,98

6,69

0,99

7,92

13

0,37

1,37

0,34

6,22

0,89

1,37

0,92

6,22

0,90

7,36

14

0,43

1,23

0,3

6,24

0,98

1,23

0,90

6,24

0,91

7,39

15

0,43

2,09

0,29

6,27

0,99

2,09

0,90

6,27

0,94

7,43

Продолжение табл. 2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Коэффициент ус-ти агроландшафта в целом(Куобщ)

 

 

-

 

 

0,28

 

 

-

 

 

0,47

 

 

-

 

 

0,46

 

 

-

 

 

0,71

 

 

-

 

 

0,72

 

 

-

Средняя продуктив-

ность, т/га /

т .к.ед./га

 

-

 

 

-

 

2,46

1,16

 

-

 

6,61

3,24

 

-

 

2,46

1,16

 

-

 

6,61

3,24

 

-

 

7,22

3,5

 

 

 

 

Анализируя данные табл. 2, можно сделать следующие выводы:

реализация первого сценария по сравнению с текущим состоянием агроландшафта приведет к увеличению продуктивности в 2,8 раза, однако величина коэффициента устойчивости мелиорируемых земель будет достаточно низкой (Куобщ =0,47);

осуществление второго сценария позволит повысить экологическую устойчивость осушаемых угодий (Куосуш = 0,88), но продуктивность сельскохозяйственных земель будет находиться на уровне современного состояния, и значение коэффициента устойчивости агроландшафта в целом не соответствует критериальному (Куобщ = 0,46 <0,7);

третий и четвертый сценарии обеспечат заданный уровень продуктивности (3,2, 3,5 тыс.к.ед./га) и достаточную экологическую устойчивость (Куобщ = 0,71-0,72).

Для выбора наиболее приемлемого сценария было проведено технико-экономическое обоснование последних двух вариантов путем сравнения общественной эффективности, которая учитывает экологические и социально-экономические последствия осуществления мелиоративного инвестиционного проекта для общества в целом (РД-АПК 3.00.01.003-03) (табл. 3).

Таблица 3

Результаты расчета общественной эффективности 3-го и 4-го сценариев

 

Показатель

3-й сценарий

4-й сценарий

Дисконтированный прирост чистого дохода, тыс. руб./га

 

94,33

 

35,67

Срок окупаемости, лет

5

13

 

Анализ результатов расчета показывает, что в существующих экономических условиях наиболее приемлемым является третий сценарий, предусматривающий реконструкцию осушительной системы, строительство новой осушительной системы на участке вторичного заболачивания и проведение «сухих» мелиораций, так как срок его окупаемости меньше (пять лет против тринадцати), а величина ДПЧД больше (94,33 против 35,67 тыс. руб./га), чем у варианта, предполагающего устройство осушительно-увлажнительной системы.

Рекомендации по размещению комплекса мелиоративных мероприятий представлены в виде электронной карты (рис.).

Общая площадь проведения комплексных мелиораций составляет около 900 га, площадь реконструкции осушительной системы – 500 га, строительства новой осушительной системы – 35 га. Рекомендуемые дозы органических и минеральных удобрений, извести составят: ежегодная доза калийных удобрений – до 123 кг д.в./га; доза фосфорных удобрений – до 52 кг д.в./га; доза внесения извести – 5-10 т/га (известкование проводится раз в пять лет); в качестве органического удобрения рекомендуется вносить удобрительно-мелиорирующую смесь (УМС) объемом 10 т/га, действие которой направлено на стимулирование процессов гумусообразования.

 

Выноска 3 (граница и черта): Реконструкция осушительной системы + внесение калийных и фосфорных удобрений, УМС+ известкованиеВыноска 3 (граница и черта): Строительство новой осушительной системы + внесение фосфорных и калийных удобренийВыноска 3 (граница и черта): Внесение калийных и фосфорных  удобрений, УМСВыноска 3 (граница и черта): Внесение калийных  и фосфорных удобрений, УМС, известкование

 

Электронная карта размещения комплексов мелиоративных мероприятий

 

Проведение сценарных исследований с использованием ГИС-технологий позволило подобрать адекватный комплекс мелиоративных мероприятий для экополигона «Мещера», включающий гидротехнические, агротехнические, химические и культуртехнические мелиорации. Осуществление научно обоснованного комплекса мелиораций способствует повышению устойчивости осушаемых угодий на 33%. В результате строительства новой осушительной системы продуктивность может достичь 2,4 т к.ед./га, при повышении индекса почвы в 1,5 раза, а на остальных угодья продуктивность возрастет до 3,7 т к.ед./га. Реализация третьего сценария не только позволит обеспечить создание продуктивного и устойчивого агроландшафта, но и является на современном уровне экономически обоснованной.

 

Библиографический список

 

1.         Анненская Г.Н., Мамай И.И., Цесельчук Ю.Н. Ландшафты Рязанской Мещеры и возможности их освоения. – М.: Изд-во МГУ, 1983.

2.         Клементова Е., Гейниге В. Оценка экологической устойчивости сельскохозяйственных ландшафтов//Мелиорация и водное хозяйство. 1995. № 6.

3.         Комплекс природоохранных мероприятий по обеспечению экологической устойчивости осушаемых агроландшафтов (проект). – Тверь, 1999.

4.         Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов мелиорации сельскохозяйственных земель. РД-АПК 3.00.01.003-03.

5.         Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

 

 
Вернуться к Оглавлению...