Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В конце XX в. человечество осознало ограниченность ресурсов Земли, международное сообщество выбрало в качестве стратегии дальнейшего существования «устойчивое развитие». Этот путь предполагает удовлетворение потребностей настоящего времени, не ставя под угрозу обеспеченность будущих поколений ресурсами необходимыми для жизни [1]. Почвы – это фундамент, обеспечивающий продовольственную безопасность, поэтому важность контроля и поддержания хорошего состояния почвенного покрова несомненна. Сохранение качества почвенного покрова – это одна из приоритетных целей устойчивого развития и одно из обязательных условий дальнейшего выживания человечества.

Серьезная заинтересованность науки в понимании механизмов возникновения и развития почв возникла в 70-е гг. XIX в., уже тогда начали отмечать первые признаки снижения плодородия. Основоположник почвоведения В.В. Докучаев писал: «Почвы и грунты есть зеркало и вполне правдивое отражение, результат векового взаимодействия между водой, воздухом, землей, с одной стороны, растительностью и животными организмами и возрастом страны – с другой» [2]. На протяжении всего XX века на почвы помимо природных активно влияли другие факторы: интенсификация сельского хозяйства, промышленность, коммунальное хозяйство и транспорт. В данной работе будет оцениваться изменение состояния почвенных ресурсов черноземно-степной зоны, на примере Липецкой области для последующего анализа устойчивости развития данного региона.

Липецкая область является одним из староосвоенных регионов России, с преобладанием промышленности и сельского хозяйства в структуре ВВП – 55,5 % (2017 г.). В настоящий момент отмечается рост доли сельского хозяйства в структуре ВВП области с 7,1 % в 2005 г. до 12,5 % – 2017 г., что не может не сказаться на состоянии почвенного покрова [3].

При этом регион обладает выдающимся почвенным богатством и разнообразием: 82 % площади занимают черноземы степные и их гидроморфные аналоги, 11,3 % – лесостепные серые лесные, 1,1 % – пойменные почвы, и только 1 % – пески и песчаные почвы, 4 % – почвы балочных склонов. Земли сельскохозяйственного назначения составляют 80 % области [4]. Необходимость сохранения качества почвенного покрова в данном регионе делает необходимым постоянный контроль за его состоянием.

Цель исследования: выявление и оценка степени изменения состояния почв Липецкой области под действием растущей антропогенной нагрузки по материалам агрохимического обследования и историческим данным о состоянии почв.

Материалы и методы исследования

В данной работе проводится исследование при помощи геоинформационных методов изменения состояния почв Липецкой области по ряду агрохимических показателей: кислотность (pHKCl), содержание в пахотном горизонте органического вещества, подвижных фосфора и калия, а также загрязнение радиоактивным изотопом цезия Cs-137.

В качестве исторических данных о состоянии почв области нами использовались карты-схемы, отражающие состояние пашни на 01.01.2006 из монографии «Почвы Липецкой области». Схемы, иллюстрирующие кислотность (pHKCl), содержание в пахотном горизонте органического вещества, подвижных фосфора и калия, а также загрязнение Cs-137, не имеют масштабной линейки, их масштаб, определенный по расстоянию между населенными пунктами, примерно соответствует 1:1000000.

Состояние пашни отображается на схемах цветовыми шкалами с градациями. Обеспеченность почв гумусом на территории Липецкой области подразделяется на три градации: низкая (2,1–4,0 %) занимала по состоянию на 2006 г. 9 % от площади пашни, средняя (4,1–6,0 %) – 52 %, повышенная (6,1–8,0 %) – 39 % по состоянию на 01.01.2016. По степени кислотности почв пашню Липецкой области делят на три группы: близкая к нейтральной (pH 5,6–6,8) – 35 % площади пашни, слабокислая (pH 5,1–5,5) – 45 % и среднекислая (pH 4,6-5,0) – 20 %. Средневзвешенное значение фосфора в пахотных почвах области на 01.01.2006 г. составляло 99 мг/кг, территория пашни со средней обеспеченностью фосфором составила 40 % площади пашни, с повышенной – 20 %, с высокой – 20 %, и на 20 % площади пашни отмечался дефицит этого элемента. Обеспеченность пахотных почв Липецкой области подвижным калием в 2006 г. подразделялась на высокую, занимающую 25 % площади пашни, повышенную и среднюю в сумме составивших – 74 %, низкую – 1 % от площади пашни [4].

Для моделирования текущего состояния почвенного покрова Липецкой области использовалась информация по контурам сельскохозяйственных угодий из «Единой федеральной информационной системы земель сельхозназначения» относящаяся к 11-му туру агрохимического обследования почв (2014–2017 гг.) [5]. Данные по агрохимического обследования покрывают Липецкую область не полностью: в доступном покрытии полностью представлены Краснинский, Елецкий, Долгоруковский и Задонский, остальные районы покрыты данными частично, полностью отсутствуют данные на Данковский и Грязинский районы (рис. 1). Для сравнения столь различных источников была разработана методика, основанная на объединении данных из двух источников с помощью использования регулярной сетки квадратов-кластеров с площадью 1 км2. Реализация методики состоит из трех этапов:

1. Этап подготовки данных к обработке.

2. Анализ данных по состоянию почвенного покрова по отдельным элементам.

3. Комплексный анализ состояния почвенного покрова.

Этап подготовки данных состоит из комплекса работ по занесению информации из используемых источников в кластеры для дальнейшего анализа. Подготовка исторических данных заключалась в геопространственной привязке (по населенным пунктам и устьям рек) и векторизации карт-схем в программе ArcGIS. Результаты векторизации были перенесены на сеть кластеров в виде классов.

Данные агрохимического обследования были переведены в растровое покрытие с разрешением 30 м и с помощью инструмента извлечения значений растра в таблицу, по векторной сети получены значения показателей. Нами не использовались инструменты интерполяции модуля ArcGIS Geostatistical Analyst, так как в дальнейшем планируется исследование взаимосвязей между агрохимическими показателями, рельефом и другими свойствами ландшафта. Последующая обработка полученных таблиц производилась с помощью скриптов на языке Python 3, в результате которой получено медианное значение показателя для каждого кластера. Результат был экспортирован в xls., объединен с вектором кластеров и разделен на градации (табл. 1). Кластерам с историческими данными также присвоены классы в соответствии с их значениями.

Для оценки состояния почв по пяти показателям из современного значения класса (Cсов) вычитается историческое значение (Сист) и получаем индекс изменений показателей (Iизм).

Iизм = Cсов – Cист.

В результате получены значения индекса изменений, позволяющие оценить степень изменений для пяти показателей. Выделены следующие градации изменений состояния: катастрофическое снижение качества, сильное снижение качества, умеренное снижение качества, незначительное снижение качества, качественные изменения отсутствуют, незначительный рост качества, умеренный рост качества, резко выраженный рост качества (табл. 2).

Рис. 1. Доступные данные агрохимического обследования, характеризующие современное состояние почв. 1 – Воловский район; 2 – Грязинский район; 3 – город Грязи; 4 – Данковский район; 5 – город Данков; 6 – Добринский район; 7 – Добровский район; 8 – Долгоруковский район; 9 – Елецкий район; 10 – Задонский район; 11 – Измалковский район; 12 – Краснинский район; 13 – Лебедянский район; 14 – Лев-Толстовский район; 15 – Липецкий район; 16 – Становлянский район; 17 – Тербунский район; 18 – Усманский район; 19 – Хлевенский район; 20 – Чаплыгинский район; 21 – город Липецк; 22 – город Елец