Агроэкологической оценки земель

Базовое определение геоинформационной системы (ГИС) подразумевает аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий систематизацию, обра­ботку, отображение и распространение пространственно-координирован­ных данных. Для работы более удобно операционное определение ГИС: совмещение электронной карты и привязанной к ее выделам или координатам компьютерной базы данных, система уп­равления которой предусматривает возможности специализированной обработки и импорта-экспорта информации. Выделяются растровые и векторные виды ГИС – отличающиеся принятой в них системой координат и типом цифрового представления (оцифровки) информации. Оба вида ГИС могут активно применяться в геоинформационном обеспечении агроэкологической оценки земель, агроэкологического районирования и проектирования систем земледелия.

Растровые ГИСоснованы на одноименной системе координат – положенной на карту сплошной сетке (grid) со стандартным шагом опробования, каждая ячейка (пиксель) которой имеет две уникальные (в данной ком­бинации свойственные только ей) координаты (х и у). Как правило, эти ячейки имеют квадратную или прямоугольную форму и являются элементарным пространственным объектом, которому в однозначное соответствие поставлены определенные для него данные специализированной базы данных ГИС.

Растровые ГИС хорошо подходят для геоинформационного обеспечения адаптивно-ландшафтных систем земледелия на уровне от региона до хозяйства, поскольку они позволяют: (а) легко визуализировать на картах табличную информацию из связанных с ними баз данных; (б) проводить логические (если …, то …) и алгебраические действия (сложение, вычитание, …) различных тематических слоев карт ( например, почв и крутизны склона), часто имеющих различную пространственную организацию (несовпадение границ исходных картографических выделов) – с формированием новых тематических слоев оценочной или технологической информации.

Векторные ГИСоснованы на точечном (а не сеточном) представлении информации. В виде ее элементарных простран­ственных носителей выступают точки, линии и полигоны (или участки). Каждая точка обладает «точными» координатами (их точность определяется качеством исходной карты и компьютера). Точки объединяются в линии. Замкнутые линии образуют полигоны. В результате легко и с большой точностью определяется площадные и линейные измерения, что может использоваться в векторных пакетах геоинформационного обеспечения адаптивно-ланд­шафтных систем земледелия – для уточнения реальных площадей распространения агроэкологических групп земель, полей ( рабочих участков и севооборотов), планируемых объемов применения удобрений, мелиорантов и средств защиты растений, валового сбора урожая, общих и дифференцирован­ных затрат на его получение, рационального размещения лесополос, полевой дорожной сети и объектов производственной инфраструктуры хозяйства.

Мировой опыт использования геоинформационных систем (ГИС) для целей учета и оценки земель имеет уже сорокалетнюю историю. Первым примером эффективного использования ГИС для ведения практического учета земель принято считать (152) земельную информационную систему штата Миннесота, созданную в середине шестидесятых годов прошлого века. Система была растровой, с большим размером растра (около 0,16 км²), но убедительно показала свою эффективность при решении практических вопросов учета и анализа земель штата.

В это же время были начаты активные работы по формированию национальных компьютерных баз данных и геоинформационных систем земельного кадастра в Австрии, Англии, Швеции, Национальном институте географии во Франции и Национальном картографическом агентстве Германии. В настоящее время все экономически развитые страны и большинство ориентированных на эффективное сельскохозяйственное производство развивающихся стран и стран переходного типа экономики имеют хорошо развитые национальные геоинформационные системы земельных ресурсов, выполненные, как минимум, в мелком и, часто, даже в среднем масштабе (247, 278). Как правило, они успешно решают не только традиционные землеоценочные вопросы систематизированного учета земель, но и современные задачи их функционально-целевой и комплексной агроэкологической оценки – в соответствии с перечнем первоочередных задач, стоящих перед каждым государством.

В конце семидесятых годов стали активно развиваться крупные международные геоинформационные проекты в области почвоведения, экологии и земельных ресурсов. Среди них особое место занимают: «Мировая база данных для наук об окружающей среде» (WDDES), «Глобальная информационно-ресурсная база данных GRID» (265,266) и «Пространственно-координированная информация по окружающей среде стран ЕС» (CORINE – 289,290).

Отдельно следует отметить многолетнюю деятельность ФАО по созданию и развитию рамочных методических руководств, международных баз данных и ГИС в области сельскохозяйственного землепользования, агроэкологического районирования и оценки земель (247,267,275).

В условиях быстрого нарастания информатизации и глобализации сельскохозяйственного производства ясно выражена общая мировая тенденция к повышению уровня методологической универсализации, технологической унификации и функциональной детализации создаваемого информационно-аналитичес­кого обеспечения для агроэкологической оценки земель различного территориального уровня. Высокое пространственно-времен­но­е варьирова­ние качества земель и задач землепользования способствовали формированию рамочных концепций агроэкологической оценки земель: с последовательной детализацией алгоритмов, нормативной базы и технологии оценки – по мере конкретизации ее задач и объектов с федерального на региональный, районный и хозяйственный уровень (259,260,269,277,289,292,296).

В соответствие с базовым пониманием качества земель как «их комплексной характеристики, которая определенным образом влияет на возможность (и уровень) выполнения ими конкретной функции их использования 259,276), большинство современных систем агроэкологической оценки земель нацелены на количественный анализ возможности выполнения ими своих основных агроэкологических функций (293,295,297).

Перечень даже наиболее часто рассматриваемых агроэкологических функций земель довольно велик и включает в себя функции различной степени детализации. С одной стороны, в него входят наиболее комплексные функции плодородия-продуктивности земель (66,128,276,293), с другой стороны – очень широкий спектр отдельных агрофизических (спелость для обработки, условия проходимости), гидрофизических (запас продуктивной влаги, формирование верховодки) и санитарно-экологических функций (связывания или разложения конкретного загрязнителя) (2,31,58,283,302,304). При их анализе используются различный методический инструментарий и в различной мере специализированные тематические и/или районированные стандарты данных (частных почвенных или земельных характеристик и их оценок).

По мере детализации оцениваемых функций все большее значение при­обретают провинциально-генетическое разнообразие почв, своеобразие конкретного агроландшафта, эколого-географическое положение и эколого-фун­к­циональное состояние земель – степень отклонения их устойчивых и лабильных характеристик от своих оптимальных (контрольных, или целинных) значений для рассматриваемой агроэкологической функции (78,91,117,128, 250,279,303).

Наилучшие условия для практического использования результатов агроэкологической оценки земель экспертами и специалистами исполнительных, законо­дательных органов власти и различных структур землеполь­зо­ва­ния достигаются при доведении ее до состояния аналитической информационной или геоинформационной системы, обладающей возможностями нормативного прогнозирования и настройки на меняющиеся характеристики и целевые функции анализа объекта оценки (20,78,81,248,251,286).

Агроэкологическая оценка количественных критериев физического и экономического соответствия земель различным вариантам и технологиям их использования обычно строится на основе «рамочных рекомендаций» ФАО (256,259,260,276,294,295,297,302). Информационную основу такой оценки составляет систематизированная в специализированных базах данных исходная расчетная информация:

а) агроэкологические требования районированных культур и сортов;

б) методические разработки по количественному анализу влияния основных лимитирующих факторов на продукционный процесс и урожайность;

в) районированные технологические карты по основным сельскохозяйственным культурам – с выделением обязательных и факультативных операций, ранжированием гибких элементов агротехнологии;

г) рациональная (минимально-достаточная) система нормативов производственных затрат, цен на основные статьи расхода и готовую продукцию.

В систему автоматизированного анализа агроэкологического качества земель частично или полностью входят следующие информационно-анали­ти­ческие процедуры:

§ проверка на абсолютные ограничения – возможность или невозможность применения рассматриваемого варианта землепользования в условиях конкретного участка;

§ качественная или количественная оценка прямых и косвенных, положительных и отрицательных результатов землепользования - например, урожай и затраты на последующую реабилитацию, соответственно;

§ прогноз вероятного недобора урожая или недостаточного уровня выполнения другой анализируемой агроэкологической функции - согласно применяемому набору критериев и алгоритмов оценки;

§ расчет, с различным уровнем детальности, планируемых технологических затрат - прямых, косвенных, стабильных, варьирующих;

§ сравнительный анализ показателей экономической эффективности разных вариантов землепользования - с учетом или без учета кредитной ставки.

При автоматизированной оценке уровня соответствия земельного участка рассматриваемому варианту землепользования обычно применяются алгоритмы дерева решений, мультипликативной оценки и/или жесткого ограничения (66,90,117,294,295,297,300). Поэтапный количественный анализ завершается ранговым отнесением земельного участка к одному из трех-пяти классов соответствия данному варианту землепользования или сравнительным анализом эффективности использования одного (нескольких) участков земель под несколько (один) вариантов их использования (20,293).

При агроэкологической типизации земель на уровне хозяйства и функционально-целевом микрозонировании землепользования особое внимание уде­ляется степени внутрипольного варьирования плодородия почв, тепловому и влажностному режиму земель, их зависимости от экспозиции и крутизны склона, преобладающих форм микрорельефа (67,70,78,204,205,250,285, 305).

Для количественной оценки агроэкологических рисков сельскохозяйственного землепользования используются адаптированные к условиям конкретного агроландшафта компьютерные модели продукционного процесса (62,190,191,263,299). Количественная оценка экологичес­ких рисков загрязнения получается с помощью адаптированных к местным условиям педодинами­ческих моделей миграции и трансформации растворов (293,301,304). Применение динамических моделей позволяет имитировать дискретно-не­пре­рывный характер природных явлений, с выявлением «критических точек» нарушения непрерывности (например, иссушение почвы до уровня неподвижной влаги). С их помощью проводятся оценочные расчеты основных составля­ющих балансовых моделей – учитывая процессы перемещения и трансформации веществ в почве и экосистеме (вода, углерод, азот, соли, пестициды и т.п.).

Различного рода модели и автоматизированные системы оценки агроэкологического качества почв и земель, динамического моделирования их основных агроэкологических, гидрофизических и геохимических функций находят все более широкое применение. В последние годы их число удваивается примерно каждые пять лет, и очень остро стоят вопросы пространственно-временной и функционально-целевой верификации различных моделей – для их адаптации и использования в новых условиях и объектах (62,250,251,301).

Для лучшей ориентации в большом множестве разрабатываемых и используемых моделей агроэкологической оценки почв и земель Д. Росситером (293) была предложена их рабочая систематика – с многофакторной координацией моделей по 11 основным признакам (табл. 7.1). В последние годы отмечается повышенное внимание к разработке динамических моделей оценки, учитывающих пространственное варьирование земель и нацеленных на количественный анализ основных диагностических параметров оценки. На их основе формируются автоматизированные системы агроэкологической оценки земель открытого типа – с возможностью настройки их на условия конкретного объекта для создания региональных и локальных информационно-справочных и геоинформационных систем агроэкологического состояния земель анализируемого хозяйства, района или региона.

Анализ разработанных в разных странах и для различных уровней анализа автоматизированных систем агроэкологической оценки земель позволяет говорить о следующих основных тенденциях их современного развития:

а) повышение роли базовых почвенных и ландшафтных характеристик;

б) учет влияния провинциально-гене­тического разнообразия почв и земель;

в) активное использование функциональных моделей с количественным описанием основных закономерностей поведения агроэкологических функций;

г) широкое применение геостатистически обоснованных трансферных функций, оперативно рассчитывающих значения трудно определяемых переменных по массово или легко определяемым данным;

д) универсализацию основных применяемых алгоритмов анализа данных;

е) построение гибких систем анализа с элементами самонастройки используемых алгоритмов на различных этапах оценки;

ж) применение современных программных средств визуализации данных и диалогового режима работы информационно-аналитических модулей;

з) совместное использование автоматизированных систем оценки, пространственно-организованных баз данных и базовых ГИС (рис. 7.1);

и) внедрение информационно-аналитических модулей агроэкологической оценки земель в специализированные системы производственного мониторинга земель, автоматизированного проектирования базовых элементов адаптивно-ландшафтных систем земледелия, экономической оптимизации сельскохозяйственного производства на уровне отдельного хозяйства или целого региона.