Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,976
GEOECOLOGICAL ASSESSMENT AND OPTIMIZATION OF LAND USE IN STEPPE AGROLANDSCAPES UNDER CLIMATE CHANGE AND ANTHROPOGENIC LOAD
Введение
Сохранение почв включает в себя защиту освоенных почв от качественной деградации, предотвращение негативных структурно-функциональных изменений, сохранение и восстановление естественных почв как компонента биосферы [1; 2]. Процессы почвенной эрозии, потери гумуса, уплотнения почв, пастбищной дигрессии снижают продукционный потенциал агроценозов и ведут к системной утрате экологических функций и плодородия почвенного покрова [3; 4]. Проблемы деградации в степной зоне не являются разрозненными. Они представляют собой системное нарушение базовых экологических принципов. Антропогенная нагрузка, не адаптированная к естественной устойчивости ландшафта, через процесс физического уплотнения почвы запускает каскад взаимосвязанных негативных изменений (гидрологических, биологических, продукционных) [5; 6].
Для решения этих задач проведена геоэкологическая оценка плодородия почв действующего сельскохозяйственного предприятия на площади 4132 га за 2015-2025 гг. В качестве инструмента исследования экологической стабильности почв был применён разработанный нами коэффициент комплексного плодородия (Ккп) почв. Его методическая новизна заключается в интеграции комплекса агроэкологических параметров физического состояния почв в единый показатель, количественно отражающий основу функционирования системы «почва – растение – атмосфера». Структурно-функциональная конструкция состоит из встроенных друг в друга различных показателей. При этом в качестве базовых критериев выбраны прежде всего физические, гидрологические и биологические параметры состояния почв. Агрохимические показатели сознательно не были включены в интегральный расчёт, поскольку они в значительной степени являются результатом текущего антропогенного управления (внесения удобрений) и обладают высокой временной изменчивостью.
Данный подход позволяет моделировать продуктивность на основе биологических и физических параметров состояния почв, формирует основу для междисциплинарного взаимодействия на стыке геоэкологии, агрономии и климатологии.
В результате кластерного анализа показателей коэффициента комплексного плодородия (Ккп) почв были выделены и картографированы четыре статистически достоверные (p <0,05) типологические группы (ареалы землепользования), обусловленные режимом антропогенной нагрузки: «антропогенно-деградирующий», «антропогенно-стабильный», «антропогенно-восстановительный» и «адаптивно-ландшафтный». Данная классификация оказывает существенное влияние на выбор технологических типов воздействия на почвенные ресурсы, позволяет прогнозировать устойчивость агросистем к климатическим условиям и служит основой для оптимизации землепользования, обеспечивая баланс между сельскохозяйственной продуктивностью и долгосрочной экологической стабильностью [7; 8].
Цель исследования – проведение геоэкологической оценки состояния агроландшафтов с последующим зонированием территории для устойчивого землепользования; разработка научно обоснованных рекомендаций по агротехнологическим приемам исходя из анализа пространственных взаимосвязей между физическим состоянием почв, типами антропогенной нагрузки и их интегральными эффектами для сохранения почвенного плодородия, предотвращения негативных структурно-функциональных изменений почв.
Материалы и методы исследования
Основное внимание исследования уделялось анализу механизмов антропогенной трансформации почвенного покрова и регулированию микроклиматических условий в почве, повышению эффективности накопления влаги и оптимизации агрофизических свойств почв. Эти аспекты имеют ключевое значение для снижения деградации почвенного покрова, роста продуктивности агроландшафтов и повышения их устойчивости к аридным условиям Южного Урала и климатическим изменениям.
Методический аппарат
1. Агрегированная модель, на основе которой разработана формула расчета коэффициента комплексного плодородия (Ккп) почв [9]. Способ оценки комплексного плодородия почвы включает измерение фактических значений физических параметров почвы: запаса влаги в слое 0–100 см, мм (W), объёмной массы почвы в слое 0–30 см, г/см³ (D), твёрдости почвы в слое 0-50 см, МПа (H), содержания агрономически ценных агрегатов 0,25-10 мм, % в слое почвы 0-30 см (S) и количества сорных растений шт/м² (Z), и анализ предварительно заданных нормативных значений, после чего вычисляют комплексный показатель плодородия Ккп по формуле:
Ккп 
(1)
Для анализа значений показателя интегрального коэффициента комплексного плодородия (Ккп), разработанного с учётом положений физики почв и агроэкологических параметров, предложена следующая категоризация состояния агросистем:
• Ккп ≥ 0,6 – зона высокого плодородия и экологической стабильности. Данный диапазон соответствует оптимальному физическому состоянию почв, характеризующемуся благоприятными показателями структурно-агрегатного состава, условий для хорошей водопроницаемости и накопления влаги. Характеризуется высокой эрозионной устойчивостью;
• 0,4 ≤ Ккп < 0,6 – зона умеренного плодородия и повышенных рисков. В этом диапазоне наблюдается начальная стадия деградации физического состояния почвы. Основной задачей в данном диапазоне значений (Ккп) является выбор агротехнологий, направленных на сохранение почвенного плодородия и предотвращение уплотнения;
• Ккп < 0,4 – зона низкого плодородия и выраженной деградации. Низкие значения коэффициента являются индикатором критического ухудшения агрофизических параметров: переуплотнения, снижения пористости, ухудшения водопроницаемости и потери агрономически ценных агрегатов. Это ведёт к дисбалансу водного режима, усилению эрозионных процессов и резкому падению продуктивности агроценозов.
2. Геоинформационное картографирование и пространственный анализ. Методами интерполяции построены серии тематических картосхем, визуализирующих пространственное распределение ключевых параметров состояния почв.
3. Метод экспертных оценок и синтеза. На заключительном этапе проведена интегральная оценка и разработана схема зонирования территории по экологическому статусу и коэффициенту комплексного плодородия (Ккп) почв (рисунок).
Результаты исследования и их обсуждение
Для выявления пространственных закономерностей и взаимосвязей применен кластерный анализ, позволивший выделить типологические группы полей (ареалы землепользования) со схожим экологическим статусом на основе рассчитанных значений (Ккп) и ключевых почвенных показателей. Статистическая достоверность кластеров была подтверждена дисперсионным анализом (p<0,05). В результате были идентифицированы четыре устойчивые группы, характеристика которых представлена в таблице. Выделенные группы отражают градации геоэкологического состояния почв, обусловленные различным уровнем и характером антропогенной нагрузки, что позволяет рассматривать их в качестве основы для пространственной дифференциации территории на ареалы землепользования.
Значения коэффициента комплексного плодородия (Ккп) почв и сопутствующих параметров для типологических групп агроландшафтов (ареалы землепользования)
|
Показатель |
Типологические группы агроландшафтов |
|||
|
Антропогенно- деградирующий |
Антропогенно- восстановительный |
Антропогенно- стабильный |
Адаптивно- ландшафтный |
|
|
Запас влаги в почве, мм |
18-26 |
80-112 |
55-65 |
98-105 |
|
Твердость почвы (сопротивление проникновению), МПа |
6,03-6,52 |
2,32-5,07 |
4,98-5,83 |
1,68-1,98 |
|
Коэффициент комплексного плодородия почвы |
0,43-0,44 |
0,58-0,70 |
0,51-0,56 |
0,69-0,73 |
|
Количество рудеральных видов растений, шт./м² |
33,2-35,8 |
7,8-17,2 |
26,2-31,0 |
6,3-8,0 |
|
Содержание гумуса в почве, % |
3,2 |
2,8-3,9 |
3,3-4,0 |
3,7 |
|
Содержание агрономически ценных агрегатов в почве, % |
67,2 |
69,4 |
67,0-71,1 |
67,0 |
|
Объемная масса почвы, г/см³ |
1,20-1,21 |
1,16-1,18 |
1,16-1,19 |
1,15 |
Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Геоэкологическое зонирование территории по значениям коэффициента комплексного плодородия (Ккп) почв Примечание: составлено авторами по результатам данного исследования
Выявленные структурно-функциональные зависимости отражают характер ответных реакций почвенной системы на антропогенную нагрузку и служат индикаторами её устойчивости. Полученные временные ряды служат основой для прогнозирования состояния почвенного покрова и обоснования адаптивных стратегий землепользования, направленных на сохранение экологических функций почв.
Кластерный анализ и последующая верификация методами описательной статистики позволили дифференцировать всю совокупность полей на четыре статистически достоверные (p < 0,05) типологические группы (рис.).
Выделенные кластеры отражают не только текущий уровень почвенного плодородия, но и различную степень антропогенной трансформации агроландшафта, а также их потенциальную способность к самовосстановлению. Пространственная дифференциация полученных групп позволяет рассматривать их как самостоятельные геоэкологические ареалы, различающиеся по характеру и интенсивности природно-антропогенных процессов:
• группа I. Антропогенно-деградирующие угодья (поля 2, 3, 5, 6, 13). Данный кластер характеризуется критическими значениями по комплексу показателей. Средний запас влаги в почве составляет 21,2±3,5 мм, что свидетельствует о нарушении водного режима. Объемная масса почвы (1,21±0,01 г/см³) и твердость почвы (6,27±0,24 МПа) достигают максимумов, указывая на выраженное физическое переуплотнение, соответствующее III-IV стадии пастбищной дигрессии [10]. Фитосанитарное состояние оценивается как неудовлетворительное (количество рудеральных видов растений 34,6±1,3 шт./м²). Интегральный коэффициент плодородия минимален (0,44±0,01);
• группа II. Антропогенно-стабильная пашня (поля 7, 8, 9, 11). Угодья этой группы демонстрируют условно равновесное состояние. Запас влаги в почве 57,2±1,9 мм, твердость почвы 5,62±0,09 МПа. Относительно стабильное содержание гумуса (3,5±0,3%) и количество сорняков (26,3±0,4 шт./м²) позволяет классифицировать данную систему как устойчивую при текущем уровне антропогенной нагрузки. Участки соответствуют чернозёму южному плакорному, находящемуся под посевами яровых зерновых и характеризующемуся относительно равновесным водным режимом [11];
• группа III. Антропогенно-восстановительный режим землепользования (поля 1, 10, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22). Кластер объединяет участки с признаками активного почвообразования и восстановления экологических функций. Наблюдается статистически значимое улучшение всех параметров: максимальный запас влаги в почве (95,3±13,1 мм), оптимальный показатель объемной массы почвы (1,16±0,01 г/см³) и твердости почвы (3,20±1,07 МПа,), минимальная засоренность (9,0±2,7 шт./м²). Коэффициент плодородия достигает высоких значений (0,65±0,05). Особенно показательна динамика на полях, находящихся в залежи шесть лет (1, 10, 16, 17), что эмпирически подтверждает восстановление чернозёмных почв, улучшение их структуры и водопроницаемости после снятия антропогенной нагрузки. Выявленная эффективность залежей согласуется с наблюдениями о формировании вторичных степей на постагрогенных землях [12];
• группа IV. Адаптивно-ландшафтная система землепользования (поля 4, 12, 14, 15,). Данный кластер демонстрирует оптимальные агрофизические показатели: запас продуктивной влаги в почве (101,5±4,9 мм), оптимальную твёрдость почвы (1,81±0,18 МПа) и высокий коэффициент плодородия (0,69±0,05). Система является наиболее стабильной в среднесрочной перспективе. Высокие текущие показатели достигнуты за счет технологического типа воздействия (глубокое рыхление без оборота пласта с сохранением пожнивных остатков на поверхности почвы), которое поддерживает хорошее физическое состояние почвы. Участки расположены на плакорных чернозёмах, применяемые щадящие обработки соответствуют принципам природоподобных технологий и рекомендациям по концентрации ресурсов на элитных пахотных землях [13]. Но важно учитывать и контролировать дальнейшее развитие почвенных процессов для избегания интенсификации процессов минерализации органического вещества [14; 15].
Выводы
Методами многомерной статистики впервые для территории исследования осуществлена объективная классификация, позволившая выделить (p < 0,05) типологические группы (ареалы землепользования), обусловленные режимом антропогенной нагрузки для принятия взвешенных решений в рамках устойчивого землепользования и в условиях нарастающей аридизации климата. Классификация детализирована с учётом региональных особенностей почвенного покрова и структуры. Установлено, что наиболее деградированные состояния ассоциированы с комплексами солонцеватых слабосмытых почв.
1. Средствами ГИС-аналитики схематически отражено пространственное расположение полей, формирующих ареалы с определенными видами антропогенной нагрузки (деградации и восстановительных процессов почвенной системы), в условиях исторически сложившейся организации землепользования. Предложенная схема геоэкологического зонирования на основе коэффициента комплексного плодородия (Ккп) позволяет объективно картографировать малопродуктивные участки.
2. Установлена фундаментальная роль физического уплотнения почвы в процессах деградации. Наиболее значимой является сильная обратная корреляция между твердостью почвы и запасом продуктивной влаги (r = -0,87) и прямая связь с количеством рудеральных видов растений (r = +0,79). Данный результат подтверждает, что механическое и другое уплотнение почвы является основным фактором деградации, запускающим каскад негативных процессов. Выявленная зависимость особенно критична для солонцовых и солонцеватых комплексов, где высокая плотность сложения изначально лимитирует продуктивный запас влаги и усиливает зависимость агроценозов от засух.
3. Подтверждена высокая агроэкологическая эффективность восстановительных режимов, в частности длительной залежи, что подтверждается статистически значимым улучшением комплекса почвенных физических свойств. Полученные данные (Ккп = 0,65 после 6 лет залежи) служат количественным подтверждением эффективности консервации деградированных земель и согласуются с концепцией формирования вторичных степей на постагрогенных территориях.
4. Разработана и научно обоснована схема геоэкологического зонирования территории, представляющая собой практический инструмент для планирования агротехнологических приемов. Проведенное исследование является реализацией принципов адаптивно-ландшафтного подхода и адаптивного стратегического планирования для сельскохозяйственного предприятия. Результаты подтверждают, что пространственно-дифференцированное управление, основанное на комплексной геоэкологической оценке и соотнесенное с региональной агроэкологической группировкой земель, есть необходимое условие для преодоления деградации и перехода к устойчивому землепользованию в условиях нарастающей аридизации климата.
Conflict of interest
Financing
Библиографическая ссылка
Гринцов Д. А., Нестеренко М. Ю., Соломатин Н. В. ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ЗЕМЛЕПОЛЬЗОВАНИЯ СТЕПНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ В УСЛОВИЯХ КЛИМАТИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЙ И АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ // Успехи современного естествознания. 2026. № 4. С. 15-20;URL: https://natural-sciences.ru/en/article/view?id=38495 (дата обращения: 03.05.2026).
DOI: https://doi.org/10.17513/use.38495