Содержание к диссертации
Введение
1. Агроландшафтогенез как объект ландшафтно-экологических исследований 12
1.1. Методологические подходы и методы исследования взаимоотношений в системе «Ландшафты - сельское хозяйство» 12
1.2. Географическое изучение процессов сельскохозяйственного ландпшфтообразования в степной зоне 22
1.3. Методика цифрового картографирования агроландшафтов 33
2. ГИС-анализ и синтез агроландшафтов 56
2.1. Выявление закономерностей зональной структуры агроландшафтов 56
2.2. Пространственное моделирование морфолитогенной основы агроландшафтов 68
2.3. Использование ГИС-моделей при разработке схем физико-географического районирования 86
3. Применение геоинформационных технологий при исследовании агроландшафтогенеза 117
3.1. Электронные базы данных ГИС «Агроландшафты Акмолинского Приишимья» 117
3.2. Геоинформационно-картографический анализ и синтез антропогенной динамики геосистем и агроландшафтогенеза 125
3.3. Оптимизация агроэкологического состояния и повышение продуктивности агроландшафтов 142
Заключение 159
Список использованных источников 164
- Методологические подходы и методы исследования взаимоотношений в системе «Ландшафты - сельское хозяйство»
- Выявление закономерностей зональной структуры агроландшафтов
- Использование ГИС-моделей при разработке схем физико-географического районирования
- Оптимизация агроэкологического состояния и повышение продуктивности агроландшафтов
Введение к работе
Актуальность темы. Современный этап развития сельскохозяйственного производства требует решения проблемы оптимизации структуры землепользования, исторически сложившегося в процессе хозяйственного освоения и преобразования ландшафтов, создания и сохранения оптимального ландшафтно-экологического баланса, предусматривающих максимальный учет и сохранение естественных ресурсов. Для реализации этих задач необходимы обоснованные и своевременные управленческие решения, основывающиеся на результатах региональных агроландшафтных исследований. Развитие этого направления предполагает создание обширной тематической информационной базы, обработку и анализ огромного количества информации об особенностях природно-социально-производственных систем.
Оптимизации процессов сбора, хранения и анализа пространственной информации, позволяющей значительно повысить качество проводимых географических исследований, могут помочь информационные компьютерные технологии, среди которых существенную роль играют географические информационные системы (ГИС). ГИС-технологии могут использоваться в качестве исходной базы принятия оперативных управленческих решений. Однако в исследованиях агроландшафтов и при планировании адаптивно-ландшафтных систем земледелия в странах СНГ эти технологии применяются в единичных случаях и нуждаются в разработке новых подходов к их использованию. Таким образом, задача создания тематических геоинформационных моделей является достаточно актуальным направлением современной географии.
Цель работы - разработка ландшафтно-экологического подхода к анализу агроландшафтов на основе использования геоинформационных технологий, выявление региональных и локальных пространственно-временных закономерностей агроландшафтогенеза на территории Акмолинского (Верхнего) Приишимья для оптимизации природопользования.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи.
Анализ современных направлений исследования агроландшафтогенеза.
Разработка ландшафтно-экологических подходов к анализу состояния агроландшафтов.
Создание региональной ГИС «Агроландшафты Акмолинского Приишимья» и типологической электронной ландшафтной карты; формирование баз данных картографической и атрибутивной тематической информации по агроландшафтам, разработка серии отраслевых электронных карт и моделей.
Определение ведущих процессов агроландшафтогенеза Акмолинского Приишимья, выявление основных этапов сельскохозяйственного освоения региона, составление серии прикладных агроландшафтных карт.
Разработка рекомендаций по оптимизации сельскохозяйственного освоения региона в разных типах ландшафтов.
Объект исследования - агроландшафты Акмолинского Приишимья Республики Казахстан.
Предмет исследования - ГИС-технологии в исследовании процессов сельскохозяйственного ландшафтообразования: оценка пространственно-временной структуры агроландшафтов, их продуктивности, устойчивости и трансформации в условиях техногенеза.
Теоретической и методологической основой работы являются системный подход к ландшафтно-экологическому исследованию природно-социально-производственных систем, а также система общих принципов и общенаучных подходов - комплексного, интегрального, абстрактно-логического, общенаучных и специальных методов - экспедиционных исследований, математического, статистического, графического, корреляционно-регрессионного анализа, экстраполяции, аналогий. В качестве сквозных направлений выступают геоинформационные методы - логико-математическое моделирование и картографирование, дешифрирование аэро- и космофотос-нимков.
Диссертационное исследование основывается на концепции агроланд-шафта В. А. Николаева. В научно-методологическом плане исследование опирается на труды отечественных и зарубежных ученых. Основы региональных агрогеографических исследований заложены в трудах В. В. Докучаева, А. Н. Ракитникова, Л. Г. Раменского и др.; концепция геотехнической системы - в работах Д. Л. Арманда, К. Н. Дьяконова, В. С. Преображенского, А. Ю. Ретеюма и др.; учение об антропогенных ландшафтах развивается
A. Н. Барминым, В. И. Бураковым, А. Г. Исаченко, Л. И. Кураковой,
М. И. Лопыревым, Ю. Э. Мандером, Ф. Н. Мильковым, В. Б. Михно,
Г. Д. Мухиным, А. М. Рябчиковым, В. И. Федотовым, П. Г. Шищенко,
B. М. Яцухно, теория геоинформационного картографирования - А. М. Бер-
лянтом, В. С. Тикуновым, И. К. Лурье.
Исследование процессов агроландшафтогенеза проведено в следующем алгоритме: анализ и выбор программного обеспечения, разработка методических этапов исследования, составление методики создания цифровых картографических основ, формирование электронного банка данных региональной ГИС, построение ландшафтной и производных тематических карт, проведение ландшафтного и геоинформационного анализа.
В качестве компьютерного программного обеспечения использовались: векторизатор Easy Trace Pro версий 7.3-7.99, ГИС Arc View GIS 3.0-3.3 с различными модулями расширения, ГИС ArcGIS 9.3 с блоками АгсМар и ArcCatalog, растровый графический редактор и программный продукт для обработки данных дистанционного зондирования ERDAS IMAGINE 9.1.
Исходной информационной базой исследования послужили топографические карты масштабного ряда 1:50 000 - 1:500 000, отраслевые тематические карты, разного рода фондовые материалы предприятий и учреждений, осуществляющих работы и исследования на рассматриваемой территории: Республиканского государственного предприятия «Государственный научно-производственный центр земельных ресурсов и землеустройства», филиала
Института почвоведения им. У. У. Успанова, Республиканского государственного предприятия «Научно-производственный центр зернового хозяйства им. А. И. Бараева», территориальных управлений Министерства сельского хозяйства Республики Казахстан, Института географии Министерства образования и науки Республики Казахстан, государственных архивов Республики Казахстан и Акмолинской области, научные тематические источники -материалы региональных ландшафтных и агроландшафтных исследований и картирования территории Северного Казахстана, в первую очередь данные географов Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, особенно В. А. Николаева.
Достоверность результатов исследования базируется на использовании репрезентативного массива исходной информации, актуального картографического материала и данных дистанционного зондирования, современных способов обработки, анализа и картографирования, системном подходе к изучению географических объектов.
Научная новизна исследования состоит в разработке методики построения и ее реализации в региональной ландшафтной ГИС «Агроландшаф-ты Акмолинского Приишимья». На основе разработанных технологий осуществлен комплексный анализ ландшафтной и агроландшафтной структуры, процессов агроландшафтогенеза Акмолинского Приишимья.
Основные результаты:
- созданы базы картографической и атрибутивной ландшафтно-
экологической информации региональной ГИС «Агроландшафты Акмолин
ского Приишимья»: средне- и мелкомасштабные электронные ландшафтные
и покомпонентные карты исследованного региона, крупномасштабные -
ключевых хозяйств, разномасштабные электронные карты восстановленных
ландшафтов и их морфологической структуры, карты физико-
географического и агроландшафтного районирования, серия производных
карт на ландшафтной основе;
проведен анализ природно-ресурсного потенциала ландшафтов, антропогенных нагрузок и возникающих в процессе сельскохозяйственного освоения ландшафтной структуры территории геоэкологических ситуаций и проблем разной степени сложности и остроты;
выявлены территориальные различия продуктивности агроландшаф-тов, а также корреляционные зависимости, позволяющие осуществлять прогнозирование урожайности основных возделываемых культур и продуктивности естественных сенокосов;
сформулированы рекомендации по оптимизации агроландшафтной структуры для целей минимизации развития деструктивных процессов.
Основные защищаемые положения.
1. Агроландшафтогенез - особый тип антропогенной эволюции ландшафтов, развивающийся как совокупное взаимодействие взаимосвязанных факторов и процессов: освоения, использования и преобразования геосистем сельскохозяйственным производством. Формирование агроландшафтной
структуры территории наиболее полно раскрывается при электронном ландшафтном картографировании.
Электронная ландшафтная карта как центральное звено региональной ГИС, при углубленной проработке легенды, применении методов мор-фометрического и морфологического анализа технологично трансформируется в серии отраслевых тематических карт, отражающих свойства и состояние природных компонентов и физико-географических районов.
Для исследования процессов агроландшафтогенеза и разработки рекомендаций по оптимизации функционирования и развития агроландшафтов в составе региональной ГИС «Агроландшафты Акмолинского Приишимья» сформирован электронный банк данных, включающий блоки «Условия теп-ловлагообеспеченности агроландшафтов», «Продуктивность агроландшафтов», «Исторические памятники».
Практическая значимость работы. Полученные результаты комплексного анализа, материалы и рекомендации использованы при подготовке ландшафтно-экологических обоснований проектов формирования системы особоохраняемых природных территорий. Цифровые карты нашли применение при разработке мероприятий по рациональному использованию их земельных угодий и проектов землеустройства. Материалы диссертационного исследования используются на кафедрах географического факультета Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева при чтении лекций, проведении лабораторно-практических занятий, подготовке курсовых и дипломных работ, играя важную роль для внедрения новейших методических средств и приемов пространственно-информационного анализа, геоинформационного картографирования и моделирования в учебный процесс.
Апробация работы. Материалы, результаты и основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-методических семинарах лаборатории системных исследований геосистем Института географии АН Казахской ССР (1987-1991 гг.), кафедр физической географии Петропавловского педагогического института им. К. Д. Ушинско-го (1987-1994 гг.), физической географии, географии, географии и экологии Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева (1994-2000 гг.), геодезии, картографии и геоинформатики Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (2008-2012 гг.); IX съезде Географического общества СССР (Казань, сентябрь 1990 г.), III съезде Географического общества Казахской ССР (Алма-Ата, 1990 г.); конференциях: I Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов «Ноосфероге-нез: постановка и пути решения проблемы» (Кишинев, 9-11 октября 1990 г.), научно-практической конференции «Экологическое образование и воспитание в высшей и средней школе» (Петропавловск, 1990 г.), I Всесоюзной научно-практической конференции «Историческая география ландшафтов: Теоретические проблемы и региональные исследования» (Петрозаводск, 2-7 сентября 1991 г.), X Всесоюзной конференции по тематическому картографированию «Экологическое картографирование на современном этапе» (Ленинград, октябрь 1991 г.), научной конференции «Рациональное природо-
пользование горных стран» (Бишкек, 17-19 октября 1991 г.), научно-практической конференции молодых ученых Института географии Академии наук Казахской ССР (Алма-Ата, 10-11 апреля 1991 г.), научно-практической конференции «Роль и место учителя в обновлении общества» (Петропавловск, 1994 г.), научно-практической конференции, посвященной 50-летию образования Кокшетауской области «Актуальные проблемы становления и развития новых социально-экономических отношений (Прошлое, настоящее, будущее)» (Кокшетау, 10-11 марта 1994 г.), Межгосударственном симпозиуме и школе-семинаре «Образование. Экология. Развитие. XXI век» (Донецк, 24-27 октября 1994 г.), Международном совещании «Заповедное дело в новых социально-экономических условиях» (Санкт-Петербург, 24-27 апреля 1995 г.), Международной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Акмола, 16-17 октября 1997 г.), Международной научно-практической конференции «Идеи В. В. Докучаева и современные проблемы сельской местности» (Смоленск, 2001 г.), Международной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС-15 «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (Пермь, Гент, 29 июня - 5 июля 2009 г.), XIII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (Саранск, 2009 г.), Международной конференции ИнтерКарто/ИнтерГИС-16 «Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт» (Ростов-на-Дону, 3-4 июля 2010 г., Зальцбург, 6-8 июля 2010 г.), Огаревских чтениях в Мордовском государственном университете им. Н. П. Огарева (Саранск, 2009, 2010, 2011 гг.), научных конференциях молодых исследователей географического факультета (Саранск, 2009, 2010, 2011 гг.), научно-практической конференции «Картография и геодезия в современном мире», посвященной 50-летию кафедры геодезии, картографии и геоинформатики Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева (Саранск, декабрь 2010 г.).
Часть материалов диссертационной работы была включена в отчеты по госбюджетным темам 1.2.17.12 «Природоохранные проблемы экономических районов СССР», 12.2 «Выявить современные прогнозируемые природоохранные проблемы по базовым регионам», 12.2.1 «Разработать региональный географический прогноз (аридные районы Казахстана)» (соисполнители: Ж. Д. Жалмухамедова, С. М. Николаева, Т. Т. Беликова и др., Алма-Ата, 1988 г.) и 3.5.3.5 «Закономерности влияния антропогенных ландшафтов на структуру полей климатических характеристик» (соисполнители: Ж. Д. Жалмухамедова, С. М. Николаева, Г. К. Ветлицкая и др., Алма-Ата, 1989 г.), «Информационный бюллетень о состоянии геологической среды на территории Республики Мордовия за 2001 год. Выпуск 6» (соисполнители: Т. В. Володина, Т. Н. Лаптева, И. В. Елховская и др., Саранск, 2002 г.), «Информационный отчет о результатах работ по осуществлению государственного мониторинга состояния недр на территории РМ в 2001 году (мониторинг подземных вод)» (соисполнители: Т. В. Володина, Т. Н. Лаптева, В. Н. Савкин и др., Саранск, 2002 г.) и др. Отдельные положения диссертации разрабатывались по теме «Теоретическое обоснование эффективности использования агропо-
тенциала территории (моделирование взаимодействия природных и хозяйственных систем)» (грант РФФИ, проект № 98-06-80455, 1998-1999 гг.).
Публикации. Основные результаты работы изложены в 64 публикациях по теме диссертации, в том числе в 8 - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (212 наименований, из них 9 на английском языке) и приложений. Общий объем диссертации составляет 185 страниц, включая 25 рисунков и 9 таблиц.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность за общее и методическое руководство, помощь в подготовке работы почетному профессору Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова В. А. Николаеву, за научные консультации при завершении работы профессорам Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева В. Ф. Манухову и А. А. Ямашкину, преподавателям Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, Петропавловского педагогического института им. К. Д. Ушинского, Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева, сотрудникам Института географии Министерства образования и науки Республики Казахстан и всем коллегам, родным и близким, оказавшим помощь в работе над диссертацией.
Методологические подходы и методы исследования взаимоотношений в системе «Ландшафты - сельское хозяйство»
Исключительное многообразие всех форм воздействия человеческого общества на природную среду можно объединить в несколько групп: земледелие, выпас скота, лесное хозяйство, различные виды строительства, разработка полезных ископаемых, рекреационное использование. И если одни из них (например, строительство, добыча полезных ископаемых), характеризуются сравнительно небольшими по площади, но весьма значительными по масштабу и скорости воздействиями, то другие (прежде всего сельское хозяйство), хотя и трансформируют исходные ландшафты не столь сильно и быстро, но действуют в течение длительного времени и распространены на огромных территориях. Как известно, способ хозяйственного освоения и использования территории и его результат - формирование определенных типов антропогенных ландшафтов - во многом предопределены спецификой природно-ресурсного потенциала. Каждый конкретный вид использования сопровождается применением определенного арсенала средств, вызывающих специфические изменения в ландшафтах. Вполне очевидно, что специфика проявления и последствия одних и тех же форм антропогенного воздействия в разных ландшафтах, даже при одинаковом уровне хозяйственного использования, будут различаться. В силу этого антропогенные ландшафты, сформировавшиеся в однородных природно-ресурсных условиях, тем не менее, будут заметно дифференцироваться по площади региона в силу различий в истории их хозяйственного освоения и сложившихся социально-экономических условий.
Особенности процесса хозяйственного освоения территории раскрыты в определениях многих авторов. Так, В. А. Дергачев [1977, с. 86] отмечает, что это - «... сложный исторический процесс изменения пространственной организации географической оболочки (геосферы) в результате производственной и других видов деятельности...». Н. К. Мукитанов [1985, с. 208] пишет, что понятие «освоение» «... хорошо отражает двуединую природу географического знания и соотношение естественной географии и общественной. В этом понятии сливаются в единое целое предметно-практическая деятельность субъекта и объекта его воздействия». К. П. Космачев [1974, с. 8], рассматривая процессы пионерного хозяйственного освоения, говорит: «Хозяйственное освоение территории - это включение в народное хозяйство страны (в географическое разделение труда) новых площадей, которые «захватываются» теми или иными отраслями хозяйства и их сочетаниями...». Далее понятие освоения дополняется рассмотрением непрерывного характера человеческой деятельности, результатом которого является постоянное видоизменение и обогащение техническими сооружениями природной основы территории. По мнению А. А. Ямашкина и В. А. Моисеенко [1998, с. 22] «Исследования процессов хозяйственного освоения направлены на изучение иерархической структуры природно-социально-экономических объектов, процессов и явлений, в пространственно-временной организации которых выделяются три основных уровня: локальный, региональный и глобальный». Основными объектами геоэкологического исследования процессов хозяйственного освоения они считают геотехнические системы, образующие хозяйственный каркас территории.
В сельском хозяйстве ландшафт является главным средством производства и непосредственно обеспечивает возможности его функционирования. По этой причине сельскохозяйственное производство оказывает постоянное воздействие на природную среду. Это воздействие, имеющее в своей основе множество сопряженных производственных процессов и факторов, трудно поддается регулированию. Кроме того, его характер, уровень и по 14 следствия (и экономические, и экологические) определяются не только степенью интенсивности сельскохозяйственной деятельности или размерами производства сельскохозяйственной продукции, но и ландшафтными особенностями среды, определяющими ответную реакцию на воздействие.
Влияние сельскохозяйственного производства на ландшафты имеет два аспекта: долговременное, результатами которого являются «накопленные» изменения природной среды (эрозия и дефляция почв, дигрессия пастбищ и т. д.) (имеющее кумулятивный эффект, последствия отодвинуты во времени) и связанное с действующими в настоящее время системами земледелия и животноводства (действующее непосредственно в данный момент, последствия проявляются сразу). Воздействия сельского хозяйства на природную среду многообразны и осуществляется через меняющиеся во времени и имеющие географическую обусловленность формы землепользования и применяемые системы земледелия и животноводства - комплекс мероприятий для выращивания культурных растений и разведения домашних животных. минеральных удобрений, мелиорантов, средств защиты растений, в отличие от точечных или мелкоареальных промышленных, носят площадной характер.
Учитывая, что основные особенности и направления освоения в значительной мере предопределяются дифференциацией ландшафтной организа-ции территории, наиболее значительно структура и механизмы функциониррвания геосистем преобразуются именно в процессе длительных площадных воздействий, характерных для сельскохозяйственного производства. Именно сельскохозяйственное освоение нашей планеты привело к образованию не только разнообразных видов агроландшафтов (полевых, пастбищных, плантационных) и сопутствующих им нарушенных непродуктивных земель (пустошей, развеваемых песков, бедлендов, вторично засоленных земель), но и целых ландшафтных зон. Практически полностью сельскохозяйственными - лесо-лугово-полевыми, лугово-полевыми, степно-полевыми стали смешанно-лесная, широколиственно-лесная, лесостепная, степная и сухостепная природные зоны и подзоны умеренного пояса Евразии [Николаев, 1992]. Исходная природная подсистема подавляющего числа агроландшафтов Акмолинского Приишимья (АП), как и большинства сельскохозяйственных регионов нашей планеты уже давно, в той или иной степени, антропогенизирована, глубоко и необратимо изменена и весьма далека от своего первоначального состояния. Длительное (в масштабе веков и даже тысячелетий) воздействие почти полной распашки (зональные почвы с середины 50-х гг. XX в. - от 70 до 90 % и более), интенсивного выпаса скота, применение разных видов мелиораций привели к трансформации не только биокосных и биогенных компонентов и гидроклиматических условий геосистем, но даже их литогенной основы. Начало сельскохозяйственного освоения ландшафтов является своеобразным спусковым крючком, запускающим механизм цепной реакции коренного преобразования всей компонентной структуры и ведущим к возникновению новых инвариантов геосистем. Сформировавшиеся агроландшафты, еще имеющие после снятия антропогенных нагрузок способность к самовосстановлению [Николаев и др, 2008], играют в ландшафтной структуре интенсивно освоенных в сельскохозяйственном отношении территорий подчиненную роль. Анализ результатов и последствий хозяйственной деятельности человека в процессе освоения ландшафтной структуры территории (в частности, экологических уроков опыта целинного земледелия [Николаев, 2004]) свидетельствует о не всегда рациональном их использовании.
Вместе с тем, международный симпозиум «Культурные ландшафты: сохранение и устойчивое развитие» территории, вещественно (материально) преобразованные разными формами хозяйственного использования, но при этом находящиеся в экологическом равновесии, рекомендовал считать культурными ландшафтами [Мухин, 1999]. Это определенный тип пространственного взаимодействия природных, социальных и экономических (производственных) систем, характерные свойства которых определяют пространственно-временную структуру, природное и историческое наследие культурного ландшафта [Ямашкин, Москалева, 2007].
Среди официально признанных (включенных в Список Всемирного наследия) [Fowler, 2003] культурных ландшафтов преобладающее большинство - 55 % - сельские, основной исторической функцией, определившей их специфические социокультурные особенности, является сельскохозяйственная деятельность. С ними самым тесным и непосредственным образом связаны некоторые исторические индустриальные (подразумевающие создание соразмерных ландшафту инженерных сооружений для использования его энергетики, размешение в ландшафте инженерно-технических систем и производственных комплексов) [Кулешова, 2003]. Согласно типологии, принятой в Руководящих указаниях по применению Конвенции о Всемирном наследии [Operational..., 1999], сельские культурные ландшафты относятся к четко определяемым целенаправленно сформированным (clearly defined landscape designed and created intentionally by man), которым в русском языке наиболее соответствует понятие «рукотворные» свободно развивающиеся ландшафты [Кулешова, 2003]. Ф. Н. Мильков [1978] назвал такие прямые антропогенные ландшафты, возникающие как результат целенаправленной деятельности, запрограммированными (целесообразными).
Выявление закономерностей зональной структуры агроландшафтов
В результате проведенных исследований выявлено, что ландшафтная структура региона отличается неоднородностью, сложностью и разнообразием, обусловленными зональными и азональными факторами. Представленные здесь 44 вида ландшафтов с учетом характерных урочищ и фаций образуют 444 контура ландшафтных выделов (см. рис. 1; см. табл. 1).
На этой территории выделяются две широтные почвенно-растительные зоны; северная - черноземная типично степная и южная - каштановая сухо-степная, разделяющиеся на четыре подзоны: обыкновенных и южных черноземов умеренно-засушливой и засушливой степи, темно-каштановых и каштановых почв умеренно-сухой и очень сухой степи [Николаев, 1999] (рис. 5, 6; табл. 3; см. рис. 3).
Внутри подзон отмечаются существенная азональная (провинциальная) и местная ландшафтная дифференциация, связанная с историей формирования и развития территории, особенностями гидротермического режима, рельефа, литологии почвообразующих пород ландшафтов.
Выполненный картометрический анализ цифровой Ж ГИС «Агро-ландшафты АП» (см. рис. I; см. табл. 1) и созданной на ее основе серии карт физико-географического районирования, в т. ч. природных зон и подзон, выявил, что соотношение площадей типично степной и сухостепной ландшафтных зон составляет 31,4 % и 68,6 % территории (28 562 км и 62 436 км ) соответственно (см. рис. 8). Распределение площадей по подзонам второго порядка в абсолютном выражении и доля в общей площади региона следующее: умеренно-засушливая степь - 4 194 км2 (4,6 %), засушливая степь - 24 368 км2 (26,8 %), умеренно-сухая степь - 54 452 км2 (59,9 %), очень сухая степь - 7 984 км (8,7 %) (см. рис. 8).
Наибольшие площади (более 2/3 территории — 63 436 км2) занимают ландшафты сухостепной зоны. Из них преобладают геосистемы умеренно-сухой степи, занимающие 87,2 % площади этой зоны и почти 60 % территории АП. Ландшафты подзоны очень сухой степи встречаются только в ее южной части. Лишь север рассматриваемой территории занят ландшафтами типичной степи (28 562 км ), среди которых абсолютно преобладают засушливые (85,3 % зоны). Умеренно-засушливые ландшафты занимают узкую полосу шириной 30-40 км в крайней северо-западной части АП (см. рис. 1, 6).
Специфической чертой ландшафтной структуры региона является ши-рбкая представленность (наряду с зональными степными геосистемами) солонцов имеющих интразональный характер распространения и обусловливающих значительную комплексность почвенного покрова, а также лиманных ландшафтов.
Солонцы издавна привлекали внимание многих исследователей. Еще П. С. Паллас [1788] особенности ландшафта, расположенного на границе черноземной полосы с солончаковой, связывал их с характером растительности. В работах В. А. Николаева [1979, 1999] посвященных ландшафтам широкой полосы степей от Урала до Алтая отмечается, что необычайно высокая оболонцованность является их важной отличительной чертой (совершенно неприсущей для восточно-европейской части степной зоны). По его данным, солонцово-лугово-степные и солонцово-степные комплексы занимают более 25 % всей площади западносибирско-казахстанских степей.
Анализ ландшафтной структуры территории (см. рис. 1, 2, 4) показал, что типологический зональный фон междуречных геосистем дополняется ландшафтами, в значительной степени осложненными солонцовой ком-плексностью придающей им интразональные черты (рис. 7). Ее природа может быть двоякой [Николаев, 1999]:
- гидроморфной и элювиально-гидроморфной (ландшафты относительно повышенного грунтового, натечного или паводкового увлажнения и засоления при слабой дренированности и пленочно-капиллярном подтоке засоленных грунтовых вод - луговые, солонцовые и солончаковые озерно-долинные ландшафты - пойм и низких террас речных долин, лиманов и озерных впадин);
- эрозионно-литогенной (ландшафты аридно-денудационных волнисто-увалистых равнин и склонов сглаженного мелкосопочника, с близким за-леганием или выходами на дневную поверхность засоленных глин палеогена и неогена или каолиновых глин древней коры выветривания и продуктов ее переотложения).
Солонцово-степные природные комплексы этих генетических типов имеют четко выраженную зональную и подзональную приуроченность, если в умеренно-засушливой степи преобладает полугидромофный тип, то южнее начинает возрастать роль автоморфного - литогенного. Соответственно резко возрастает их доля в ландшафтной структуре (практически в два раза - с 16 до 30 %) на границе подзон засушливой и умеренно-сухой степи [Николаев, 1999].
По результатам картометрического анализа электронной почвенной карты АП (см. рис. 6) доля разнообразных типов солонцовых комплексов (солонцово-степных, солонцово-лугово-степных, солонцово-лугово солончаковых солонцово-солончаковых) в общеи площади наземных (без учета аквальных) ландшафтов АП (90 998,4 км ) составляет 45,2 % (41 145,9 км ). Сочетания в разной степени солонцеватых почв с солонцовыми комплексами (см. рис. 7) составляют 49,8 % (45 298,3 км ). Ландшафты с долей солонцов в их структуре не менее 30 % занимают 25 363,0 км2, или 27,9 % площади наземных ландшафтов региона.
Одним из характерных для АП видов сельскохозяйственных ландшафтов являются лиманные. Территория собственно лимана - это один из видов пастбищных ландшафтов.
Последние наиболее характерны для этой территории, наряду с полевыми (с зернопаровыми севооборотами, кулисными парами и клином многолетних трав) и лесополосно-полевыми (с зернопаровыми севооборотами) [Николаев, 1999]. Вместе с тем достаточно широко представленные лиманные ландшафты по ряду признаков (прежде всего, типу элементов инженерной инфраструктуры) могут быть отнесены к водохозяйственным, наряду с водохранилищами (крупнейшие из которых Вячеславское и Селетинское площадью 60,7 и 36,3 км , объемом 410,0 млн. и 221,8 млн. м3 соответствен-но), прудами, накопителями-испарителями, каналами (самый большой -«Нура-Ишим» длиной 25 км и площадью регулярного орошения около 27 км ) и системами регулярного орошения [Акмола..., 1995]. Распространены они в АП в лиманных разливах пойменно-луговых ландшафтов долин Иши-ма, Нуры (рис. 8, а), Силети, Оленти и их притоков, склонов озерных котловин (рис. 8, б).
Лиманные ландшафты начинают свое существование как земли лиманного орошения - земельные участки с комплексом инженерно-технических сооружений - прежде всего земляных оградительных водоудерживающих валов, водорегулирующих дамб обвалования, плотин, водоспусков (сбросных сооружений), оросительных или обводнительных каналов и других гидро-технических сооружений. Их хозяйственная функция - обеспечение задержания и перераспределение талых весенних вод, а также подаваемых из оросительных или обводнительных каналов для влагозарядки почв [Глосса рий.ги.].
Один из важнейших элементов этой инфраструктуры - земляные оградительные водозадерживающие валы, имеющие в пределах области высоту 2-5 м, ширину 3-4 м (чаще 3 м высоты и 3 м ширины), длину 2-7 км (максимальный показатель - около 17 км).
Использование ГИС-моделей при разработке схем физико-географического районирования
Дифференциация географической оболочки (системы планетарного масштаба со свойствами континуальности и дискретности) на объективно существующие пространственно разграниченные ландшафтные структуры разного таксономического ранга находит свое отражение на ЛК, а ее особенности - на картах физико-географического (природного, ландшафтного) рай онирования. Каждая из подобных структур характеризуется строго определенным характером взаимодействия компонентов географической оболочки, сложившимся в процессе развития, что определяет относительную однородность их природных свойств и устойчивость структурных взаимосвязей и взаимодействий.
Для территориальных (географических) систем как главного объекта географических исследований независимо от их иерархического уровня характерны исключительное разнообразие и огромное количество признаков, характеристик свойств, условий, процессов и явлений. Для облегчения их изучения обобщения знаний о сходствах и различиях, упорядочения, выяв ления внутренних закономерностей используется систематизация, к которой, наряду с классификацией, таксономией и типологией, относится районирование, характерное для всех отраслей географической науки [Евдокимов, Но-сонов; Иванов, 2004; Крауклис, 1991; Тикунов, 1997], включая ландшафтове-дение и являющееся его важной составной частью [Исаченко, 1991, Миль-ков, 1956; Николаев, 1999, 2000]. Районирование в широком смысле - это пространственное дифференцирование территории (акватории), осуществляемое для выявления регионов и исходящее из наличия (отсутствия) количественного выражения какого-либо признака, а потому всегда объективное [Евдокимов, Носонов; Исаченко, 1991; Крауклис, 1991; Мильков, 1956; Николаев, 1999, 2000]. А. А. Крауклис [1991] определяет его как область гео 87 графических исследований, занимающуюся разделением территории на закономерные относительно однородные части - районы, соподчиненные в пространственно-иерархической системе по величине, сходству и факторам местоположения, а так же порайонным изучением тел, процессов, структур и связей выделенных районов.
Необходимость глубокого познания объектов, процессов и явлений природы требует обязательного изучения не только отдельных компонентов различных НТК, но и их строения, пространственных сочетаний и территориальной дифференциации. Поэтому одной из важнейших проблем является научно обоснованное комплексное ФГР - вычленение объективно сущест-вующих НТК разного ранга и разной степени сложности и установление их соподчиненности. Объектами, отражаемыми на картах ФГР, являются природные системы более высоких рангов, чем ландшафты, для которых последние являются структурными элементами. Термин «районирование» обозначает как совокупность приемов, направленных на выявление объективно существующих районов и границ между ними (метод познания), так и синтетическое картографирование, дающее целостные характеристики районов путем изображения границ площадей, к которым эти характеристики относятся (резулътат применения метода познания) [Родоман, 1956]. Применительно к проблематике ФГР это научная операция, тесно связанная с ландшафтной систематикой и региональным ландшафтным картографированием, а карта ФГР — одна из моделей региональной ландшафтной структуры более высокого уровня обобщения [Николаев, 1990 а, 1999, 2000; Тикунов, 1997 а; Глоссарий.ш.].
Выявление структурно неоднородных ландшафтных единиц различно-ГО УРоВНЯ (ранга) с соответствующей однородностью природных условий, их структурно-функциональных черт и особенностей в процессе регионального ландшафтного анализа служит признаком для таксономического территориального разделения. Каждая региональная единица характеризуется индиви 88 дуальными особенностями ландшафтной структуры. Степень однородности рисунка структуры региональных ландшафтных единиц зависит от их ранга: чем он ниже, тем больше черт подобия ландшафтно-морфологической структуры и меньше амплитуда количественных показателей свойств.
Как отмечает А. В. Николаев [1999], в основу районирования положены принципиальные основы одновременного деления целого на части и объединения целого из частей. В его ходе и результате создается иерархия геосистем, отражающая их соподчиненность по степени сложности ландшафтного устройства и пространственно-временной размерности. Формула районирования - «целое - часть». По мнению А. Г. Исаченко [1991], районирование базируется на изучении процессов как дифференциации, так и интеграции геосистем, т.е. это одновременно и деление, и объединение природных комплексов. Согласно В. Б. Сочаве [1978], районирование основано на классификации геохор (гетерогенных геосистем).
ФГР - процесс научного познания, составными частями которого являются теоретические и методические аспекты выделения, разграничения, систематизации объективно существующих природных территориальных комплексов разного таксономического ранга, практические результаты картографирования в виде построенных карт, схем и создание текстовых характеристик выделенных единиц. ФГР на основе ландшафтно-типологических карт как центральная проблема регионального ландшафтоведения выявляет территории с относительно однородными условиями для последующего принятия рещений в проектировании, мониторинге, управлении природопользо-разработке системы экологических ограничений использования территорий [Исаченко, 1991; Николаев, 2000]. Будучи по сути многокомпонентным оно приводит к познанию процессов и результатов комплексообразова-ния [Иванов, 2004]. Данный подход базируется на понимании геосистем как результата воздействия комплекса широтно-зональных (биоклиматическое звено) и азональных (геолого-геоморфологическое звено) факторов. Оба зве 89 на СЛУЖЭТ объективной основой формирования качественно разных сочетаний природных условий и ресурсов и определяют закономерности их размещения [Евдокимов, Носонов; Исаченко, 1991; Мильков, 1956; Николаев, 2000]. Поскольку в разграничении, систематизации, характеристике и картографировании объективно существующих в природе региональных единиц важную роль играют разработка и построение научно обоснованной и логически последовательной системы таксономических единиц ФГР, прежде всего необходимо учитывать, что региональные единицы разного таксономического ранга как определенное территориальное генетическое единство являются результатом ландшафтной дифференциации [Исаченко, 1991; Мильков, 1956; Николаев, 2000].
Анализ практически векового (начиная с 1913 г. [Берг, 1913]) опыта ФГР Северного Казахстана и территории современного АП показывает, что каждая новая схема районирования все более точно отражала объективно существующую дифференциацию ландшафтных условий. Сохраняющиеся различия в моделях районирования объясняются их целевой направленностью и заключаются, прежде всего, в придаваемой природным выделам таксономической значимости, а не в их географической сути [Николаев, 1999]. Отдавая должное научному значению опубликованных схем ФГР территории Северного Казахстана и АП [Берг, 1913; Веселова и др, 1982, Гельдыева, Ве-селова, 1992; Исаченко, 1986, 1991; Николаев, 1964; 1970, 1999 и др.], содержащих интересные региональные данные, следует вместе с тем отметить их мелкомасштабность, сложность для сопоставления, а нередко и противоре-чивость что может быть связано с применением различных исходных прин-ципов и методик.
Оптимизация агроэкологического состояния и повышение продуктивности агроландшафтов
Решение проблемы продовольственной безопасности и обеспечения потребностей населения в продуктах питания, не смотря на негативные из 143 менения состояния ландшафтного потенциала, возможны путем его оптимизации на основе совершенствования территориальной организации агро-ландшафтов и решения их современных (зачастую унаследованных) экологических и социально-экономических и проблем.
Возникшие в процессе земледельческого освоения степных ландшафтов негативные экологические и экономические последствия, сформировавшиеся геоэкологические проблемы и обострившаяся экологическая ситуация, как и вопросы становления и оптимизации степного природопользования (происхождение чернозема, вопросы лесоразведения, значение степных палов и др.) нуждались в безотлагательном решении. Глубокий анализ особенностей степных ландшафтов и разработка на этой базе теоретических основ и шэактических мероприятии оптимального природопользования характеризуют работы А. Н. Бекетова [1858], И. И. Михайлова [1858], В. В. Докучаева [{883, 1892, 1894, 1895], А. А. Измаильского [1893], А. Н. Краснова [1894], Г. И. Танфильева [1900], С. И. Коржинского [1901], Г. Н. Высоцкого [1905], В. И. Талиева [1905], С. С. Неуструева [1918], И. М. Крашенинникова [1925], В. В. Алехина [1944], Л. С. Берга [1914], Б. А. Келлера [1931], Е. М. Лавренко [1939, 1940, 1946, 1954, 1956], А. М. Семеновой-Тян-Шанской [1949, 1966], Н. Ф. Комарова [1951], В. М. Чупахина [1970, 1989], Ф. Н. Милькова [1977, 1973, 1978], В. А. Николаева [1979,1987, 1990, 1992, 1992 а, 1999, 2000, 2004, 2008 ], А. Г. Исаченко [1980, 1991], В. Б. Михно [1984, 1995, 2002], А. А. Чи-билева [1991 а, 1991 б, 1992, 1993 а, 1998 а], Г. В. Гельдыевой [1992], А", И. Климентьева [1997, 2000], А. В. Елизарова [1999] и др.
В настоящее время величина антропогенной нагрузки превысила по-Т6 нт ттт эл естественной устойчивости ландшафтов, что привело к возникновению целого комплекса экологических проблем, связанных с истощением птэиродно-ресурсного потенциала. В условиях мощного антропогенного ПП6ССЭ. (сплошная распашка, перевыпас скота и деградация сенокосно-пастбищных угодий, вырубка степных лесов и кустарников), накладывающе 144 естественный процесс смещения границ ландшафтных зон на север [Мильков, 1977 б; Чибилев, 1998 б], отмечаются процессы опустынивания степной зоны, проявляющиеся, в первую очередь, в росте континентальности климата и проникновении полупустынных элементов флоры и фауны. Ценные же в кормовом отношении виды степных злаков (ковыли (красный, или Залесского (Stipa zalesskii), Лессинга (S. lessingiana), Коржинского (S. korshinsky), перистый - (S. pennatd), киргизский (S. kirghisorum), сарепт-ский, или тырсик (S. sareptana), узколистный {S. stenophila), волосатик, или тырса (S. capillata), овсяницы - Беккера (Festuca becker), бороздчатая (валис-ская или типчак (Festuca valesiacd), тонконог гребенчатый (Koeleria cristatd) подвергаются физическому уничтожению и замене малоценными или вообще неприхотливыми не поедаемыми скотом сорняками (преимущественно полынью австрийской, или полынком {Artemisia austriaca)).
Рассматривая эволюцию географических представлений и идей, Н. К. Мукитанов [1985, с. 7] говорит об изменившемся характере взаимоотношений общества и природной среды в конце XX в.: «Долгое время челове-общество беззаботно относилось к среде своего обитания, наивно полагая что возможности природы безграничны и она без особого напряжения способна ликвидировать любые негативные последствия человеческой деятельности. Однако такое отнощение оказалось глубоко ошибочным ...». Воз-хозяйственной деятельности общества, до сих пор ограниченные, прежде всего его производственным потенциалом, с этого момента начинают лимитироваться экологическим состоянием ландшафтной среды, предъяв-ляющим новые, более жесткие требования.
В связи с этим, с конца XX в. особое значение приобрело решение таких актуальных и взаимосвязанных проблем, как разработка принципов стратегии восстановления и сохранения естественного биоразнообразия степных ге осистем обеспечения их устойчивого развития в условиях разных режимов и за функционирования, управления сформировавшимися антропогенными поведными ландшафтами [Мордкович, 1982; Мордкович и др., 1997; Чиби-лев, 1990, 1991 а, 1991 б, 1992, 1993 а, 1993 б, 1998 а; Климентьев, 1997, 2000; Заповедные территории..., 1997; Тишков, 1998; Елизаров, 1999 и др.].
В современных рыночных условиях, при интенсификации сельского хозяйства с целью повышения экономической эффективности, наибольшее внимание уделяется производствам, обеспечивающим более высокую окупаемость. В ситуации с гораздо большей себестоимостью продукции стойлового животноводства по сравнению с продукцией растениеводства (зерна пшеницы), главной причиной которой является условия содержания и кормления скота, можно прогнозировать дальнейшее увеличение антропогенной нагрузки на агроландшафты региона и ухудшение и без того напряженной экологической обстановки.
В этой связи особое значение приобретают задачи экологической оптимизации, изучения и инвентаризации биологических ресурсов степных ландшафтов, создания региональных стратегий и программ по сохранению и устойчивому использованию биоразнообразия степных биомов, создания сети ООПТ [Грошева, 2002].
Очевидно, что в условиях нестабильной обстановки мирового экономического кризиса существенную роль играет объективное действие выявленной более 35 лет назад закономерности; достижение удвоения урожайности требует десятикратного увеличения сырьевых и энергетических затрат [Одум, 1975]. Однако при этом абсолютно недопустимо забывать, что агроландшафты не только выступает в качестве средства производства в сельском хозяйстве, но и выполняет как минимум две важнейшие экологические функции - ресурсовоспроизводящую и средозащитную. В условиях достижения предела хозяйственной освоенности территории, неуклонно возрас-тающие потребности в сельскохозяйственной продукции при дальнейшей интенсификации производства, усиливая антропогенные нагрузки на природную среду, могут спровоцировать резкое обострение и без того напря 146 женной экологической обстановки и нарушение эколого-ресурсного баланса и сложившегося хрупкого экологического равновесия, углубление агроланд-шафтных и агроэкологических проблем, приводящих к природно-хозяйственным конфликтным ситуациям разной степени сложности-и остроты. Значительные площади агроландшафтов выпадают из хозяйственного оборота по причине их нерационального освоения и использования, потери пахотных земель в результате дефляции, эрозии, засоления, сброса промыш-ленно-бытовых отходов в конечном итоге так же приводят к нарастающему антропогенному загрязнению природной среды. Увеличиваются масштабы загрязнения почв, изменения их химического и механического состава, водно-физических свойств. Ухудшение экологического состояния и свойств природного блока агроландшафтов в конечном счете приводит к отмеченной выше ситуации: резкому снижению количества и качества сельскохозяйст / венной продукции при тенденции к росту основных элементов ее себестоимости на фоне ухудшающегося экологического состояния в регионе, обострения существующих и возникновения новых экологических проблем, обра-ЗУЯ тем самым замкнутый круг. В современном земледелии АП применяется целый комплекс агротехнических мероприятий, в идеале направленных на оптимизацию различных компонентов ландшафта и повышение его биологической продуктивности, но на деле нередко вызывающих нарушения сложившегося экологического равновесия. При этом особую актуальность приобретают проблемы оценки современного эколого-хозяйственного состояния, выявления негативных антропогенно-стимулированных процессов и разработки комплекса мероприятий по их нейтрализации, изучения современных состояний и структуры природных комплексов, их трансформации под влиянием хозяйственной деятельности человека, а так же поиск путей стабилизации и оптимизации возникающих при этом экологических ситуаций.
Обоснование путей гармонизации взаимоотношений природного и производственного блоков агроландшафтов целесообразно проводить на основе разработки моделей различных типов их организации применительно к тому или иному исходному ландшафту. Эффективность использования есте ственного потенциала сельскохозяйственных ландшафтов связана и с зада чами оптимизации взаимоотношений земледелия и животноводства, земле дельческих и пастбищных ландшафтов. Величина поголовья и структура ста-да определяющие уровень пасторальной нагрузки на геосистемы, должны в значительной степени зависеть от состояния полевого кормопроизводства и доли полевых кормов, получаемых на основе рационального использования агроландшафтов.
Похожие диссертации на Исследование процессов агроландшафтогенеза районов интенсивного сельскохозяйственного освоения (Акмолинское Приишимье) с использованием ГИС-технологий
