Введение к работе
Актуальность работы. Поволжье – зона рискованного земледелия, в которой стабильное производство растениеводческой продукции стало возможным в результате широкой ирригации, развернутой во второй половине ХХ века. Однако орошение, как один из наиболее интенсивно воздействующих на природные экосистемы видов человеческой деятельности по масштабам изменений естественных потоков вещества и энергии, вызвало развитие многих деградационных процессов, среди которых наибольший вред наносят подъем уровня грунтовых вод, вторичное засоление и осолонцевание, водная эрозия, загрязнение, дегумификация и снижение эффективного плодородия зональных почв. К 2004 г. площадь орошаемых земель с хорошим почвенно-мелиоративным состоянием в поволжских областях уменьшилась на 35-40%, а с неудовлетворительным увеличилась на 20%. При этом засолено 112, осолонцовано 84,8 тыс. га орошаемых земель. На 1.01.2008 г. мелиоративно неблагополучные земли занимали 286,6 из оставшихся на балансе 809,8 тыс. га или 35,4% всей орошаемой площади, в том числе в Самарской области 13,1 тыс. га (9,3%), Саратовской 49,6 (19,3%), Волгоградской 58,3 (29,8%) и Астраханской 165,6 (76,9%). Площадь эродированной пашни ежегодно увеличивается на 400-500 тыс. га, ежегодные потери плодородного слоя почв сельскохозяйственных угодий составляют более 1,6 млрд. тонн. Значительные площади сельскохозяйственных угодий в регионе загрязнены, в том числе и таким опасным поллютантом как кадмий. Серьезным явлением стал процесс дегумификации почв региона. За последние 25-30 лет содержание гумуса в почвах Самарской области уменьшилось на 1,2-3,2; Саратовской – 0,24-0,7; Волгоградской - на 0,2-0,9; Астраханской на 0,3%. В результате недостаточного внесения минеральных и органических удобрений в почвах Поволжья сложились дефицитные балансы питательных веществ, возросла площадь поливной пашни с низкой обеспеченностью калием и фосфором. Все это обусловило невысокую продуктивность орошаемых агроландшафтов региона, которая за все годы эксплуатации оставалась ниже потенциально возможной, не превышая 3,7 т/га к.е.
Одной из главных причин отмеченных явлений стало нарушение принципов рационального природопользования и применения недопустимых нагрузок на экосистемы в результате низкого качества управления орошаемым земледелием, вызванного неучетом свойственной орошаемым территориям Поволжья пестроты почвенного плодородия, пространственной изменчивости гидрологических и мелиоративных условий, недостаточностью информации о протекающих в экосистемах процессов и низкой научной обоснованностью принимаемых управленческих решений. Постоянно декларируемый принцип необходимости гибкой трансформации систем земледелия и их соответствия экологическим условиях конкретного орошаемого поля, позволивший бы обеспечивать мягкое природопользование, не мог быть реализован вследствие отсутствия необходимых инструментов для управления мелиоративным комплексом региона.
Таким инструментом могут и должны стать современные информационные технологии, вырабатывающие рекомендации для лиц принимающих решения по сохранению природного потенциала орошаемых земель на базе результатов комплексного ландшафтного мониторинга, опыта специалистов и всего комплекса научных разработок отрасли.
В настоящее время в Российской Федерации геоинформационные системы мониторинга мелиорируемых земель разрабатываются для применения на федеральном и региональном уровнях. Компьютерные геоинформационные технологии в этих системах направлены на визуализацию с помощью электронных карт различных отчетных данных, а не на задачи управления почвенным плодородием при производстве растениеводческой продукции, которые могут решаться только на локальном уровне, в отдельных орошаемых хозяйствах. Созданные ранее автоматизированные технологии управления мелиоративным комплексом были рассчитаны на применение в организациях уровня оросительной системы, административного района или области. Программно-информационные средства, направленные на организацию рационального природопользования на локальном уровне – в рамках отдельных землепользователей на установленных в хозяйствах персональных компьютерах – практически не разрабатывались. Недостаточно учитывались в созданных ранее компьютерных программах и программных комплексах достижения мелиоративной науки и техники, экологические требования к агротехнологиям, необходимость интеграции систем поддержки принятия решений и программно-информационных средств мониторинга мелиорируемых земель.
Таким образом, для сохранения потенциала орошаемых земель путем повышения качества управления поливным земледелием необходимо разработать научные основы создания и ведения современных систем локального мониторинга мелиорированных массивов и прилегающих территорий, а также интегрированных с ним информационных технологий управления компонентами агроландшафтов.
Целью диссертационной работы является сохранение потенциала орошаемых агроландшафтов Поволжья на основе разработки научных основ и создания программно-информационного обеспечения комплексного геоинформационного мониторинга мелиорируемых земель региона и информационных технологий по управлению плодородием почв и производством растениеводческой продукции. Для достижения поставленной цели предусматривалось решение следующих задач:
-
Разработать структуру, принципы создания и ведения комплексного локального мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья на основе геоинформационных технологий.
-
Создать комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта - почв, грунтовых, оросительных вод, а также техногенных объектов.
-
Разработать способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорируемых земель, адаптированные к почвенно-климатическим условиям Среднего и Нижнего Поволжья.
-
Создать информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов для репрезентативных хозяйств региона.
-
Создать комплекс автоматизированных технологий выработки систем агромелиоративных мероприятий экологически обоснованного природопользования поливными землями Поволжья, базирующийся на результатах комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых агроландшафтов региона.
Методы исследования. В работе использованы теоретические методы: системный анализ, геоинформационное моделирование и геоинформационный анализ, математическая статистика и условная логика; экспериментальные – полевой опыт по изучению влияния элементов систем земледелия на почвенное плодородие и продуктивность поливных культур, полевые обследования пашни репрезентативных хозяйств. При разработке программ применялись эвристические методы, структурное и модульное программирование.
Научная новизна. Впервые созданы научные основы и инструментарий адаптации систем поливного земледелия экологическим к условиям конкретного орошаемого поля в виде комплекса информационных технологий, обеспечивающего сохранение почвенного плодородия, благоприятной мелиоративной обстановки, получение планируемой урожайности при экономном расходовании ресурсов в хозяйствах поволжских областей, в том числе:
разработаны принципы создания и ведения комплексного локального ГИС-мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья;
разработаны способы применения геоинформационных технологий для оценки мелиоративного и агроэкологического состояния мелиорируемых земель, адаптированные к почвенно-климатическим условиям Среднего и Нижнего Поволжья;
создан комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта - почв, грунтовых, оросительных вод и техногенных объектов, включающий в себя информационно-советующую систему (ИСС) оценки мелиоративного, агрохимического и экологического состояния орошаемых участков, автоматизированный банк данных гидромелиоративных наблюдений за химическим составом грунтовых вод и засоленностью почвы.
разработано информационное обеспечение локального мониторинга орошаемых агроландшафтов для репрезентативных хозяйств региона.
создан комплекс автоматизированных технологий выработки технологического процесса мягкого природопользования поливными землями Поволжья, базирующийся на результатах комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых агроландшафтов региона, состоящий из информационно-советующих систем по управлению плодородием орошаемых почв, их водным режимом и применению сидератов.
Практическая значимость. Использование комплекса автоматизированных технологий выработки технологического процесса мягкого природопользования поливными землями позволяет значительно повысить обоснованность и качество принимаемых технологических решений по режимам орошения поливных культур и системам органических, минеральных и сидеральных удобрений; эффективность и экологическую безопасность агротехнологий путем обеспечения предотвращения дегумификации орошаемых почв и ликвидации пестроты эффективного почвенного плодородия, снижения непродуктивных потерь поливной воды с инфильтрацией и поверхностным стоком, исключения ирригационной эрозии, роста рентабельности возделывания полевых культур за счет применения оптимальных видов, доз, сроков внесения органоминеральных удобрений и режимов орошения, дифференцированных по глубине расчетного корнеобитаемого слоя и предполивной влажности почвы.
Суммарный экономический эффект от использования информационно-советующей системы по управлению плодородием орошаемых почв в ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского района Саратовской области на площади 1949 га составил 820 руб./га в год за счет проектирования индивидуальной системы удобрения для каждого отдельного поля с учетом его агрохимических и мелиоративных особенностей. Внедрение автоматизированного банка данных гидромелиоративных наблюдений в Саратовской гидромелиоративной партии при ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз» на площади 257,3 тыс. га снизило трудозатраты на обработку данных химических анализов и составление отчетных документов на 75%. Применение комплексного локального геоинформационного мониторинга орошаемых земель ЗАО «Агрофирма «Волга» Марксовского и ОПХ ВолжНИИГиМ Энгельсского районов Саратовской области на площади 1665 и 358 га за счет повышения качества управления плодородием почв обеспечило экономический эффект 1200 и 540 руб./га в год соответственно.
Положения, выносимые на защиту.
-
Принципы создания и ведения комплексного мониторинга орошаемых агроландшафтов Поволжья, ориентированного на локальный уровень применения, основанного на геоинформационных технологиях и сопряженного с автоматизированными системами контроля состояния мелиорируемых сельскохозяйственных угодий и управления поливным земледелием на них.
-
Комплекс автоматизированных технологий оценки состояния основных компонентов агроландшафта, включающий в себя: основанную на эвристических методах информационно-советующую систему оценки агромелиоративного состояния орошаемых полей и автоматизированный банк данных гидромелиоративных наблюдений, позволяющий организовать ввод, обработку и хранение в реляционных файлах результатов солевой съемки и контроля уровня и минерализации грунтовых вод.
-
Информационное обеспечение комплексного локального геоинформационного мониторинга мелиорируемых земель для репрезентативных хозяйств сухостепного Поволжья, включающее цифровые карты орошаемых угодий с 20 слоями и атрибутивные базы данных.
-
Комплекс автоматизированных технологий выработки системы агромелиоративных мероприятий, обеспечивающий рациональное природопользование на поливных землях Среднего и Нижнего Поволжья, интегрированный с локальным геоинформационным мониторингом орошаемых агроландшафтов региона, состоящий из основанных на эвристических методах информационно-советующих систем по управлению плодородием, водным режимом орошаемых почв и применению сидератов.
Апробация результатов. Основные положения диссертации докладывались на научной сессии РАСХН (Саратов, 2000); международных научно-практических конференциях: посвященной 100-летию М.Н. Багрова (Волгоград, 2001); «Устойчивое землепользование в экстремальных условиях» (Улан-Удэ, 2003); «Агроэкологические проблемы сельскохозяйственного производства» (Пенза, 2005); «Проблема производства продукции растениеводства на мелиорированных землях» (Ставрополь, 2005); «Агрохимические приемы повышения плодородия почвы и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Москва, 2006); 36 Международной научной конференции в ВИУА им. Д.Н. Прянишникова (Москва, 2002); международном совещании посвященном 10-летию Саратовского филиала ИПЭЭ им. А.Н. Северцова РАН (Саратов, 2005); всероссийских научно-практических конференциях посвященных 117, 118, 119-летию со дня рождения Н.И. Вавилова (Саратов, 2004-2007), всероссийских научных конференциях МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2003-2005); научно-практических конференциях посвященных 85-летию НИИСХ Юго-Востока и 100-летию В.Н. Мамонтовой (Саратов, 1995); 100-летию со дня рождения И.А. Кузника (Саратов, 1998); семинаре-совещании МСХ РФ (Саратов, 2000); научных конференциях профессорско-препода-вательского состава и аспирантов Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова (Саратов, 2001-2009); заседаниях ученого совета ВолжНИИГиМ (Энгельс, 1993-2000); 4 Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 50 научных работы, из них 1 монография, 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 40 статей в сборниках научных работ, в том числе по материалам сессии РАСХН, международных и всероссийских научно-технических конференций и семинаров.
Личный вклад. Доля личного участия автора в выборе направления и проведении исследований, обработке полученных результатов, создании информационных технологий составляет 75%.
Автор благодарен своему научному консультанту Н.А. Пронько за поддержку идей, консультации и совместное выполнение отдельных полевых обследований и исследований, вклад в создание баз данных и знаний программных продуктов. В разработке баз данных и знаний по режимам орошения участвовали В.Т. Морковин и В.В. Иванов, автоматизированного банка О.Ю. Холуденева, ГИС-мониторинга Т.В. Корнева, которым автор признателен за помощь и содействие в работе.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, списка использованных источников, включающего 418 наименований, в том числе 32 на иностранных языках, 15 приложений. Основная часть работы изложена на 332 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок и 77 таблиц.
