Иванов Д.А.*, Рубцова Н.Е.**
* Всероссийский НИИ сельскохозяйственного использования мелиорируемых земель, г.Тверь, e-mail: vniimz@list.ru;
** Северо-Восточный научно-методический центр, г.Киров, e-mail: svnmc@ptlan.com
GIS “Agrogeographical patterns analysis”
Использование геоинформационных технологий в процессе исследования агрогеографических закономерностей позволяет глубже проникнуть в механизм функционирования агрогеосистем, определить возможности адаптации сельскохозяйственного производства к условиям природной среды.
Эрозия – один из основных процессов деградации почв, влияющий на продуктивность и экологическую устойчивость ландшафтов. Земледельческое освоение Северо-Востока Нечерноземной зоны России привело к значительной эрозионной деградации его почвенного покрова.
Выявление факторов, активизирующих эрозионные процессы в пределах столь обширной территории, возможно лишь на основе статистического анализа фондового материала, отражающего состояние ландшафтной среды и производства в ее пределах и последующей визуализации его результатов с помощью ГИС-технологий.
Массив данных для математического моделирования создавался на основе сбора статистических материалов, характеризующих состояние ландшафтной среды и производственные условия реальных хозяйств. Были обработаны данные по 600 землепользованиям Костромской, Кировской и Нижегородской областей, республик Удмуртия, Чувашия, Мордовия, Марий Эл, Коми и Пермского Края. Отбор хозяйств проводился по принципу учета их агроэкологической и производственной типичности. Расположение хозяйств фиксировалось на карте.
Каждое хозяйство характеризовалось по 35 параметрам, описывающим основные компоненты агрогеосистем: слой приземного воздуха, оролитогенную основу, культурную биоту, почвы. Антропогенный компонент отражался в виде параметров структурной организации производства. Весь массив данных состоит из 4 блоков, каждый из которых соответствует одному из компонентов агрогеосистемы.
В данной работе использовались мультирегрессионный линейный анализ и расчет парных нелинейных уравнений. Линейные мультирегрессионные модели позволили определить факторы, достоверно влияющие на изучаемое явление. Определение экстремальных (оптимальных или критических) значений факторов проводилось на основе анализа результатов нелинейных уравнений парной регрессии, описывающих вид зависимости интенсивности почвенного размыва от изучаемого фактора.
Важное значение при исследовании имеет процесс картографической визуализации как исходных материалов, так и полученных результатов. Наилучшим инструментом визуализации являются геоинформационные системы (ГИС). В данной работе использовалась программа ArcView с дополнительными модулями, которая позволила не только создать изолинейную карту изучаемого явления (рис. 1), но и выделить территории, характеризующиеся влиянием одних и тех же факторов на эрозию почв (рис. 2).
Рис. 1. Изменение доли эродированных пашен в пределах Евро-Северо-Востока РФ.
Рис. 2. Факторы эрозионной деградации пахотных почв в пределах Евро-Северо-Востока РФ: 1. Отсутствие факторов деградации; 2. Недостаток пастбищ; 3. Недостаток сенокосов; 4. Низкий уровень базиса эрозии; 5. Значительная расчлененность рельефа; 6. Низкий уровень базиса эрозии и значительная расчлененность рельефа, 7. Низкий уровень базиса эрозии, значительная расчлененность рельефа и недостаток сенокосов; 8. Низкий уровень базиса эрозии, недостаток сенокосов и пастбищ; 9. Значительная расчлененность рельефа, недостаток сенокосов и пастбищ; 10. Значительная расчлененность рельефа, низкий уровень базиса эрозии, недостаток сенокосов и пастбищ.
Алгоритм выявления таких территорий состоит из следующих операций:
- выявление, на основе мультирегрессионного анализа, факторов, достоверно влияющих на степень размытости почв;
- определение оптимальных (соответствующих максимальному значению доли эродированных пашен) или критических (соответствующих минимальному распространению размытых пашен) значений выявленных факторов;
- построение, с помощью инструментов пространственного анализа дополнительного модуля Spatial Analyst, изолинейных карт выявленных факторов;
- выявление, с помощью опции «калькулятора растра» модуля Spatial Analyst, территорий с оптимальными значениями отдельных факторов;
- выделение в пределах анализируемой территории, с помощью опции «комбинирование», ареалов, оптимальных для эрозии по нескольким факторам.
Оказалось (см. рис. 1), что большая часть (61,5%) земледельчески-освоенной территории северо-востока Нечерноземной зоны РФ характеризуется преобладанием хозяйств, до половины площади пашенных угодий которых подвергается размыву. Только 16,4% площади изучаемого региона занимают хозяйства, где доля эродированной пашни не превышает 10%. Они располагаются в основном на юго-западе в зоне распространения песчаных пологоувалистых равнин. Предприятия, у которых размыта большая часть (до 80%) пашни, занимают около 15% территории Северо-востока и располагаются в основном на востоке и юге, где развитию эрозии способствует характер рельефа и подстилающих пород. Более 7% площади региона занимают хозяйства, у которых размыву подвергается подавляющая часть (более 80%) пашни – они, как правило, концентрируются на юге региона.
Выявлено несколько факторов, достоверно влияющих на степень эродированности пашни. Они в сумме объясняют около половины размаха всей ее пространственной вариабельности. Механизм влияния большинства факторов на эрозионные процессы не нуждается в подробном объяснении. Следует отметить только влияние доли переувлажненных пашен на их развитие – степень переувлажнения угодий, в большинстве случаев, зависит от высоты местности над уровнем водоема, который является базисом эрозии. Незначительная заболоченность угодий свидетельствует о низком уровне базиса эрозии, что при определенных условиях приводит к активизации плоскостного смыва.
Анализ регрессионной модели и парных полиномов выявил значительное влияние характера структуры посевных площадей на развитие эрозии, что не является неожиданным. Интересен факт равенства долей озимых и пропашных в структуре посевных площадей, оптимальных для развития эрозионных процессов. В случае озимых культур, результаты математического моделирования представляются весьма правдоподобными, так как увеличение площади их посевов способствует снижению напряженности смыва. Результаты по пропашным носят более формальный характер и объясняются тем, что увеличение их площадей происходит на легких почвах, которые меньше подвергаются эрозии.
Визуализации подлежат только факторы, прямо влияющие на процессы размыва пашен: доля переувлажненных пашен, пастбищ и сенокосов, а также максимальный перепад высот в пределах хозяйства. Ареалы пространственного распространения оптимальных значений этих факторов, а также их сочетаний показаны на рис. 2. В пределах территории, где доля переувлажненных пашен не достигает 3%, размытые почвы, как правило, занимают больше половины площади пашен. Это же происходит и на территориях, где доля сенокосов или пастбищ меньше 5%. Усиленный размыв почв наблюдается в местностях, где перепад высот превышает 80 м.
Сравнение рисунков 1 и 2 показывает, что в местах, характеризующихся минимальным распространением эродированных пашен, как правило, наблюдается отсутствие влияния вышеназванных факторов. Это косвенно подтверждает истинность полученной модели. Однако ряд мест, слабо подверженных эрозии, характеризуется присутствием определенных факторов риска, к которым относятся: недостаток сенокосов в Костромской области, недостаток сенокосов и низкий уровень базиса эрозии в Нижегородской. Здесь для предотвращения эрозии необходимо увеличивать площади луговых угодий, укреплять склоны оврагов и балок.
На юго-западе изучаемого региона основной причиной активизации эрозионных процессов является недостаток сенокосов, при этом в пределах Марийской и Чувашской республик и частично Мордовии он способствует очень интенсивному развитию эрозии. В центральных районах северо-востока Нечерноземной зоны РФ основным фактором активизации смыва является низкий уровень базиса эрозии, что обусловлено древностью этой территории и глубоким врезом речных долин. Здесь рекомендуется распахивать только плакорные пространства, всемерно укреплять склоны оврагов и балок. В Предуралье и в пределах Удмуртской республики на смыв почв в основном влияют низкий уровень базиса эрозии и значительная расчлененность рельефа. Недостаток сенокосов в ряде районов Удмуртии приводит к очень сильной деградации пашен.
Итак, использование геоинформационных технологий исследования агрогеографических закономерностей позволяет существенно расширить наши возможности комплексного изучения природной среды агроландшафтов и управления их компонентами. Однако применение новых методов исследования необходимо сопровождать компетентным анализом полученных результатов, творчески и критично подходя к осмыслению полученных результатов.
