ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Методологические основы оценки продукционного потенциала почв на федеральном, региональном и локальном уровнях.
The Russian Federation possesses tremendous soil resources of different levels in terms of fertility. The variety of natural and climatic conditions of the territories necessitates the use of regional approaches to rational land use and operational management of soil resources. In recent years, the country has witnessed an intensification of agricultural production and an increase in crop yields. However, the yield, in particular of grain, reaching record values in a number of regions, in many constituent entities of the Russian Federation and in the country as a whole, remains low. This testifies to the fact that the huge potential of Russia for the growth of crop yields is far from being fully realized. To solve this problem, it is necessary, drawing on a general conceptual approach, firstly, to assess the natural productivity potential of soils of both individual natural areas and the country as a whole, and, secondly, to substantiate and propose ways to effectively use the natural productivity potential of soils, as well as its increase due to the application of chemicals and innovative agricultural technologies. Evaluation of soils and, in a broader sense, of lands, has been present in scientific works since the very inception of genetic soil science. Over the past decades, numerous approaches to assessing the biological productivity of lands have been developed and proposed. All of them are based on the main climatic parameters and properties of the soil and, for the most part, are characterized by a predominantly agricultural orientation, the assessment of territories within the boundaries of administrative units, the use of non-public, labor-intensive to obtain, empirical, with various clarifying amendments, and/or economic parameters. The novelty of the proposed research lies, first and foremost, in the principles on which it will be performed: 1. An assessment of the natural productivity potential of soils is being developed without reference to their agricultural use. 2. Complexes of parameters for assessing the productivity potential of soils based on general criteria are being developed, with additional characteristics corresponding to the level of consideration (federal, regional, local). 3. Estimates will be obtained using digital maps, the results are presented in cartographic form within the boundaries of natural territorial units (at all levels of consideration). 4. Digital maps of scale 1: 2 500 000 are used as basic ones, which are part of the Information System "Soil-Geographical Database of Russia"(https://soil-db.ru/): Soil map of the RSFSR (Ed. by V.M. Fridland, 1988); Soil map of Crimea (I.S. Urusevskaya et al., 2019); Map of soil-ecological zoning of the Russian Federation (Ed. by G.V. Dobrovolsky and I.S. Urusevskaya, 2013); Map of organic carbon stocks in the 30-cm soil layer of Russia (O.V. Chernova et al., 2017). 5. The assessment complex will include soil and climatic parameters associated with the spatial units of the above maps, as well as data on the biological productivity of ecosystems and types of land use. 6. Through a lens of the natural productivity potential of soils and data on their modern use, recommendations will be given on the most effective use of the bioclimatic potential of the territory, its implementation in landscape-conditioned and climatically secured productivity, and approaches to crop yield management through the use of agrotechnological methods and innovative agricultural technologies will be analyzed: the effect of regulation of soil nutrition availability (nitrogen regime); the impact of water regulation; the influence of regulation of agrochemical parameters of effective soil fertility; the counterpoise of crop selection and crop rotations; introduction of elements of innovative agricultural technologies. 7. An algorithm will be developed and, on its basis, a software product will be created for assessing the productivity potential of soils, operating in real time as part of the Information System “Soil-Geographical Database of Russia”. The implementation of the project will make it possible to evaluate the need to take into account both potential and effective soil fertility through assessing the productivity potential of soils and the possibility of managing it in modern agricultural technologies. It will also allow specifying a set of soil indicators associated, on the one hand, with appraisal and assessment of soil quality, and on the other, with elements of agricultural technologies for the cultivation of specific crops, providing for the maximum implementation of added biological productivity. The results of the proposed work on the assessment and regulation of the productivity potential of soils are of considerable scientific interest. Concurrently, they will also be crucial for the planning of agricultural production at different levels of government administration and for ensuring the food security of the country.
В ходе реализации проекта будут разработаны основанные на общих критериях комплексы оценки продукционного потенциала почв, использующие наборы параметров, соответствующие уровню рассмотрения (федеральный, региональный, локальный). Картографической основой для расчётов и визуализации информации послужат низшие территориальные единицы таксономического деления Карты почвенно-экологического районирования Российской Федерации масштаба 1:2 500 000 – почвенные районы (первичная единица районирования) и почвенные округа. Для локального уровня рассмотрения – границы хозяйств, производственных объединений. Будут получены картографические оценки (построены ГИС-карты), характеризующие продукционный потенциал почв: потенциальной биологической продуктивности (или естественного продукционного потенциала почв) на территорию страны, Московского региона, модельных территорий отдельных хозяйств; добавленной биологической продуктивности (прибавки биологической продуктивности, на которую может быть увеличен естественный продукционный потенциал почв за счёт применения специальных агротехнологических мероприятий) для модельных территорий отдельных хозяйств. В рамках разработки рекомендаций по наиболее эффективному использованию биоклиматического потенциала территории, его реализации в ландшафтно обусловленной и климатически обеспеченной урожайности, а также анализа подходов к управлению урожайностью за счёт применения агротехнологических методов и инновационных агротехнологий, будут рассчитаны современные тенденции изменения климатически обусловленной урожайности и биоклиматического потенциала территории при наблюдаемых изменениях агроклиматических и почвенных ресурсов. Будут получены данные по воспроизводству современного состояния и изменчивости агроклиматических и почвенных ресурсов земледельческой зоны России, соответствующие уровню рассмотрения (федеральный, региональный, локальный). Будут построены ГИС-карты, характеризующие варьирование ландшафтно обусловленной и действительно возможной урожайности и возможность управления урожайностью при изменении интенсивности агротехнологий и почвенного плодородия для ряда культур (на региональном и локальном уровнях). Также будут разработаны подходы к управлению продуктивностью агроценозов методами предпосевной обработки семян новыми препаратами-стимуляторами, действие которых будет основано на устранении негативного влияния почвенных аллелотоксинов на семена при одновременном действии биологически активных веществ. Оценка продукционных характеристик почв в целях рационального и эффективного землепользования, обеспечение реализации функций почв и связанных с ними экосистемных сервисов – вопросы, актуальные для любого государства. Так, Европейским почвенным дата-центром (ESDAC) выполнена оценка продукционных функций почв (provisioning soil functions) на территории Европейского союза (Tóth et al., 2013). В частности, опубликованы данные в виде 3 х ГИС карт о продуктивности биомассы, определяемой почвой, (soil biomass productivity) отдельно для лугов и пастбищ, пахотных земель и лесных массивов. Для нашей страны, обладающей огромными и разнообразными по плодородию почвенными ресурсами, чрезвычайно важна оценка естественного продукционного потенциала почв, рациональное и эффективное его использование. Разработка методологических основ оценки продукционного потенциала почв в границах природных территорий и является целью предлагаемого проекта.
У научного коллектива имеется существенный научный задел по предлагаемому проекту. На протяжении многих лет члены научного коллектива занимаются исследованиями, связанными с вопросами эффективного и рационального использования почв и земельных ресурсов, охраны почв и восстановления почвенного плодородия, влияния удобрений на урожайность культур и предпосевной обработки семян стимуляторами на их прорастание и дальнейшее развитие проростков, реализацией методик оценок эффективного использования земель, запасов органического углерода в почвах, нормативной урожайности зерновых культур. Были получены предварительные результаты по снижению негативного влияния почвенных аллелотоксинов на растения и разработаны методики по изучению влияния на развитие растений сорбционных стимуляторов. Коллектив располагает значительным количеством цифровых карт, в том числе, авторских, составляющих картографический блок Информационной системы «Почвенно-географическая база данных России» (https://soil-db.ru/), многолетним опытом аналитической работы в геоинформационных системах, исследовательских работ в научных лабораториях. За это время результаты неоднократно докладывались на международных и российских съездах и конференциях, были опубликованы, защищены авторскими свидетельствами.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 13 мая 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Первый этап |
Результаты этапа: Исходя из заявленных подходов к оценке продукционного потенциала почв как функции от параметров климата, почвенных свойств, экосистемных характеристик с использованием геоинформационных систем для расчётов и отображения результатов на картах, в отчётном году провели инвентаризацию имеющихся пространственно распределённых данных и дополнение Информационной системы «Почвенно-географическая база данных России» (ИС ПГБД РФ) новыми показателями. Создана геореференсированная база данных параметров многолетних (с 1951 г.) наблюдений за температурой воздуха и почвы, всего 1576 метеорологических станций на территории России. 1469 станций обеспечены данными по температуре воздуха, позволяющими рассчитать ежемесячные, сезонные, ежегодные и другие показатели, в частности, суммы активных tº; период с tº воздуха с заданными пределами и другие, 667 станций обеспечены данными годового и месячного разрешения о tº почв на разных глубинах, включая среднюю tº почвы и годовую амплитуду tº почвы; суммы tº почвы; продолжительность периода с tº почвы выше 0, 5, 10ºС и ниже 0ºС; глубину проникновения tº выше 10ºС в почву, глубину проникновения tº 0ºС в почву при промерзании и при оттаивании. Опробована работа с данными в границах зон/подзон почвенно-экологического районирования (Карта ПЭР РФ, М 1:8 млн, 2019). Для Западной Сибири оценены изменения атмосферного и почвенного климата в условиях современного потепления. Построены карты изолиний среднегодовых температур десятилетних рядов данных, климатической нормы (1961-1990), сезонной динамики температуры атмосферного воздуха в 2011-2020 гг. относительно климатической нормы в пределах зон/подзон. В состав ИС ПГБД РФ включена геореференсированная база данных «Продуктивность экосистем Северной Евразии» по материалам, собранным и обобщённым в 70-90-ые гг. XX в. БД включает свыше 2600 точек на территории бывшего СССР, в том числе, в РФ более 1500 пробных площадей. БД содержит следующую атрибутивную информацию: название растительной ассоциации и перечень основных видов растительности; данные о фитомассе, продукции и мортмассе (наземных и подземных) в экосистеме, о подстилке. На основе цифровой Карты лесов СССР (М 1:2.5 млн, 1990) построены карты общей фитомассы и карты общей продукции растительных ассоциаций Московского региона. Для отдельного хозяйства Воронежской обл. провели оценку продуктивности почв (эффективного плодородия) на основе крупномасштабной почвенной карты. В качестве параметра для оценки использовали среднюю продуцированную биомассу культур за 7 лет с учётом севооборота. Выполняются работы по обобщению характеристик почв, занесённых в ПГБД РФ, подбору педотрансферных функций и коэффициентов для расчёта продукционно-важных характеристик, позволяющих повысить точность региональных оценок, проводятся расчёты для построения карты запасов органического углерода в метровом слое на территорию РФ на основе аналитических характеристик геореференсированных почвенных профилей. II. Разработана методика привязки почвенных свойств, коррелирующих с почвенными разностями, выделенными на цифровой версии почвенной карты, в качестве входных данных влажностного и почвенного блоков системы Климат-Почва-Урожай (КПУ) при моделировании в заданной географической точке. Для Ростовской обл. определён состав и объём входных данных для проведения агроклиматических расчётов в системе КПУ – локальные почвенные характеристики и данные агрогидрологических свойств почвы, а также данные наблюдений метеорологических параметров за период не менее 20 лет. Отработана методика интерполяции значений метеорологических и агрометеорологических показателей в отдельных точках наблюдений/расчётов в узлы нерегулярной сетки методом обратно взвешенных расстояний, позволяющая восстанавливать показатели при отсутствии данных наблюдений в отдельных районах области. Определён минимальный радиус охвата точек для интерполяции (~70 км). Разработанная методика позволяет увеличить точность расчётов средней по районам Ростовской обл. урожайности озимой пшеницы (относительная ошибка 6-10%). Рассчитаны относительные оценки климатически обусловленной урожайности и значения агроклиматических показателей по Южному ФО по отдельным десятилетиям с 1991 по 2020 гг. на основе разработанной методики. Прослежена тенденция к снижению климатически обусловленной урожайности озимой пшеницы за последние два десятилетия на 8-16% относительно базового периода, вызванному изменением агроклиматических условий на фоне изменения климата. Отработана методика построения региональных и локальных верифицированных карт урожайности сельскохозяйственных культур с использованием данных почвенных карт разного масштаба в информационно- аналитической системе обеспечения агротехнологий (ИАС). Определён состав входных почвенных данных для проведения расчётов в ИАС по следующим почвенным свойствам: гранулометрический состав, содержание гумуса, кислотность, содержание подвижного фосфора. Предлагаемая методика позволила учесть почвенное плодородие с учётом сильно варьирующих в пространстве и времени показателей. На её основе рассчитаны матрицы характеристик урожайности сельскохозяйственных культур для Тверской обл. и отдельных хозяйств Московской обл. Проведена оценка ландшафтно обусловленной и действительно возможной урожайности, а также потенциала управления добавленной биологической продуктивностью для набора основных сельскохозяйственных культур Тверской обл. (озимая рожь, овёс, ячмень, картофель, однолетние травы, многолетние травы). Выходными данными являлись среднемасштабные ГИС карты различных уровней урожайности и их приращений при ведении агротехнологий различной интенсивности, при управлении почвенным плодородием. На основании полученных моделей проанализированы ведущие факторы управления ландшафтно обусловленной и действительно возможной урожайностью для указанных культур. Проведена оценка влияния динамики наблюдаемых и ожидаемых изменений климата на продуктивность отдельных культур. Показано, что существующие пространственные различия, имеющие значение при оценке и планировании потенциальных посевных площадей в настоящее время, становятся ещё более выраженными к 2050 г. за счёт смещения микроклиматических зон, обусловленных рельефом. На примере отдельных хозяйств Московской и Тверской обл. для зерновых культур получены оценки урожайности при современном уровне плодородия и возможного прироста урожайности при оптимизации почвенного плодородия на уровне поля. Расчёт проведён с использованием данных сплошного агрохимического обследования ГЦАС «Тверской» и ГЦАС «Московский». Оценки могут использоваться для обоснования выбора оптимальной технологии возделывания сельскохозяйственных культур. III. Разработана методика определения аллелотоксичности почв, основанная на измерении суммарной длины проростков массива семян (1000-1200 штук). Обнаруженная закономерность между насыпным объёмом семян в цилиндре с водой и длиной их проростков позволила более чем в 40 раз повысить производительность измерений по сравнению с измерением проростков семян вручную. Оценка скорости развития семян относительно инертного субстрата – отмытого речного песка – позволяет определять значения почвенной аллелотоксичности. Разработанный метод позволяет также проводить сравнения эффективности действия стимуляторов для предпосевной обработки семян, используя в качестве контроля семена, проращиваемые на почве без обработки стимулятором. При помощи этого метода была проверена эффективность действия гормонов роста растений, субстратов дыхательного метаболизма. Показано, что эффективность действия данных веществ стимуляторов не превышает 4-9%, в то время как при использовании данных веществ с сорбционной смесью (бентонитом кальция и гуматом натрия) и автолизатом пивных дрожжей, который избирательно блокирует активные центры сорбента, эффективность перечисленных индивидуальных веществ возрастает до нескольких десятков процентов для различных сельскохозяйственных культур. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Второй этап |
Результаты этапа: 1. Геореференсированная БД дополнена параметрами для количественной характеристики естественного продукционного потенциала почв. На равнинную территорию Европейской России и Западной Сибири в границах почвенных провинций ПЭР в единой процентной шкале построены карты отдельных характеристик для оценки естественного продукционного потенциала почв. В БД включены следующие показатели: запас органического вещества в 30 ти см слое почвы; средняя t июля; суммы активных t воздуха; продолжительность периода с активными t воздуха; продолжительность безморозного периода; средняя t января; осадки за год; годовой коэффициент увлажнения по Высоцкому Иванову; суммы активных t в почве на глубине 20 см. На основе тех же методических подходов построены карты опубликованных оценок продукционных характеристик: биологическая продуктивность климата (Природно-сельскохозяйственное районирование земельного фонда СССР, 1984) и бонитет почвенного покрова (Карта ПЭР РФ, 2013). На основе набора параметров в ГИС прорабатываются варианты картографических оценок потенциальной биологической продуктивности с использованием применения характеристик в разных сочетаниях и с разными весовыми коэффициентами, составляется и уточняется алгоритм для создания прототипа программного продукта. Разработан и готовится к регистрации программный комплекс автоматического расчёта запасов органического углерода в слое почвы произвольной мощности до глубины 100 см в Информационной системе «Почвенно--географическая база данных Российской Федерации». Реализована возможность визуализации содержания и удельных запасов органического углерода в профилях репрезентативных почв ИС ПГБД РФ средствами пакета Embarcadero Delphi XE7. На сайте Почвенного дата--центра МГУ результаты расчётов запасов органического углерода для целевых слоев почв (30, 30--50 и 50--100 см) репрезентативных разрезов ИС ПГБД РФ выводятся online в виде таблиц на подложке интегрированных в информационную систему карт. Для получения экономико--экологической оценки земельных ресурсов Тверской области рассчитан состав почвенного покрова и бонитет почвенного покрова в границах административных районов. Полученные данные о составе почвенного покрова и его бонитете были сопоставлены с площадью посевов за последние 10 лет и урожайностью ряда культур. Определены районы с наилучшими показателями урожайности. Перечень возделываемых культур сопоставлен с рекомендованными (Карманов и др., 2011), согласно карте Агроклиматических ареалов с набором ведущих сельскохозяйственных культур. Установлено, что районы, имеющие наиболее высокую оценку потенциального плодородия почв, не отличаются наибольшей площадью посевов. Также отсутствует корреляция существующей структуры посевов с рекомендованным к возделыванию перечнем культур. 2. Произведена серия численных экспериментов на основе имитационной системы “Климат--почва--урожай” для анализа тенденций изменений климатически обусловленной урожайности (КОУ) яровой пшеницы и биоклиматического потенциала (БКП) по отдельным десятилетиям за новый климатический период 1991--2020 гг. в сравнении с базовым периодом 1961--1990 гг. Оценка изменений агроклиматических ресурсов и продуктивности выполнялась на примере Тверской области при сравнении с результатами расчётов по соседним областям –– Вологодской, Псковской, Новгородской, Московской, Смоленской и Ярославской. Снижение КОУ составило 3--10%, при изменении 5--10 % на севере региона до 13--14 % на юге (Московская и Смоленская области). Оценки близки к средним оценкам по федеральным округам в целом, где снижение КОУ составило 7--8 %. Наблюдаемое изменение агроклиматических ресурсов в меньшей степени затронуло БКП. Можно видеть, что снижения БКП не наблюдается в Тверской области и в целом в Северо--Западном ФО, при незначительном снижении по областям Центрального ФО на 2--3 % на большей части территории. Получены сравнительные оценки эффективности методов управления КОУ при улучшении почвенного плодородия и внедрении влагосберегающих агротехнологий на примере отдельных районов Тверской области. При достаточном увлажнении она увеличивается от 4 до 6 ц/га, т.к. количество выпадающих осадков на территории Тверской области удовлетворяет потребностям набора сельскохозяйственных культур во влаге. По этой причине близкое к оптимальному увлажнение не дает значительного эффекта. Достижение высокого уровня минерального питания, когда обеспеченность растений азотом не является лимитирующей для их развития, может дать значительный эффект. Территория области подразделяется на 5 агроклиматических районов, в которых БКП увеличивается от северо--восточных до юго--западных районов. Нелимитированное минеральное питание растений позволяет достичь увеличения потенциала урожайности в 2,8-3 раза. Проведено пространственно--явное моделирование и получены оценки ландшафтно--обусловленной и действительно возможной урожайности (ДВУ) на основе взаимосвязи урожайности ячменя, овса, картофеля, озимой ржи, многолетних трав с почвенными, мезорельефными и климатическими условиями. Оценка ДВУ проведена как потенциал роста биологической продуктивности при различной интенсивности технологий растениеводства. На основе рассчитанных матриц характеристик урожайности сельскохозяйственных культур и системы поправочных коэффициентов, разработанных на основе результатов краткосрочных и длительных полевых опытов с удобрениями Агрохимслужбы и Геосети, при определении которых учитывались гранулометрический состав почв, почвенная кислотность, содержание гумуса; обеспеченность почвы подвижными фосфором, а также биологические особенности возделываемой культуры с использованием ГИС MapInfo, АгсView и ГИС Эко построены карты урожайности и добавленной биологической продуктивности для территории Тверской области. Карты визуализируют максимальную добавленную продуктивность и урожайность зерновых культур в интенсивных технологиях при оптимизации доз удобрений. На основании расчетной информации о действительно возможной урожайности (ДВУ), максимальной для существующего уровня плодородия поля, полученной на основе моделирования ландшафтно--обусловленной урожайности с использованием понижающих коэффициентов, оценена возможность выбора набора сельхозкультур и оптимальной технологии их возделывания. Приведены данные о рекомендуемых дозах удобрений для получения ДВУ зерновых культур по отдельным районам Тверской области в расчёте на планируемую урожайность. Даны примеры рекомендуемых доз удобрений для получения ДВУ для отдельных полей хозяйств при использовании экстенсивной технологии возделывания сельскохозяйственных культур, среднем уровне технологической интенсивности и при интенсивной технологии возделывания. 3. Проведена проверка влияния совместного применения выбранного сорбционного препарата на основе бентонита кальция и гумата калия и стимуляторов широкого спектра действия (парааминобензойной кислоты и триаконтанол) на стимуляцию развития семян яровой пшеницы. Проведена проверка влияния совместного применения выбранного сорбционного препарата на основе бентонита кальция и гумата калия и одновременно нескольких биологически активных веществ-стимуляторов –– комплекса стимулирующих веществ (6-бензиламинопурин, брассинолид, гиббереллин) на стимуляцию развития семян яровой пшеницы разных сортов. В большинстве случаев эффекты стимуляции от отдельных биологически активных веществ, вводимых в сорбционный препарат не суммируются. Проведена проверка совместимости с фунгицидами (Тебу-60, Раксил Ультра, Ламадор, Баритон, Иншур перформ, Фитоспорин-М, Алирин, Гамаир, Глиокладин) наиболее перспективных препаратов--стимуляторов на основе бентонита кальция и гумата калия, содержащих дополнительно автолизат пивных дрожжей, полиэтиленгликоль и гиббереллин в опытах на яровой пшенице. Также оценена возможность подбора компонентов препарата без использования фунгицидов. Были проведены полевые испытания наиболее перспективных найденных стимуляторов на основе бентонита кальция и гумата калия, содержащих дополнительно автолизат пивных дрожжей, полиэтиленгликоль и гиббереллин на яровой пшенице сорт «Гранни». Для полевой всхожести значимая разница по критерию НСР (наименьшая существенная разность) отмечена при 95% доверительной вероятности, для проективного покрытия – при 90% доверительной вероятности. | ||
3 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Третий этап |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".