Ларионов Ю.С. Трубина Л.К. Стуканов А.А.
Некоторые аспекты применения информационных технологий в исследованиях плодородия почв
Докладчик: Ларионов Ю.С.
УДК 631/635
Ларионов Ю.С., Трубина Л.К., А.А. Стуканов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, г. Новосибирск
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В ИССЛЕДОВАНИЯХ ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ
В статье рассмотрены вопросы исследования плодородия почв, обоснована необходимость проведения мониторинга его на основе контроля синтеза общей биомассы (органического вещества) и продуктивности сельскохозяйственных культур с помощью современных информационных (в первую очередь) беспилотных технологий) для получения детальной информации о плодородии почвы, занятой сельскохозяйственными культурами. Обращается внимание на необходимость создания метода мониторинга баланса органического вещества почвы, отражающего его минерализацию, гумикацию и другие виды его трансформации.
Ключевые слова: плодородие почв, органическое вещество, агроэкологические условия, информационные технологии.
В современных условиях для успешного развития экологически чистого сельскохозяйст-венного производства необходим переход к биоземледелию, как эволюционно обоснован-ному управляемому человеком процессу возделывания культурных растений и повышения плодородия почвы в конкретных агроэкологических условиях, основанный на взаимодейст-вии почвы с другими видами растений, животными и микроорганизмами, обеспечивающим их защиту от болезней, вредителей и сорных растений биологическим путем, позволяющим получать экологически чистую продукцию[1-7]. Это концептуально отражает Закон плодо-родия почв [4,6,7] – создание, сохранение и повышение плодородия почв в любых экологи-ческих условиях осуществляется путем поддержания баланса органического вещества поч-вы, обеспечивающего круговороты элементов питания и водообмена между живой и косной материей экосистемы на основе регулирования корнеоборота растений, эдафитных и эпи-фитных процессов, т. е. в тесном взаимодействии с другими компонентами биоты (бактериями, грибами водорослями, почвенными животными).
Учет перечисленных принципиальных положений требует разработки новых техноло-гий, как производства сельскохозяйственной продукции, так и обеспечения мониторинга и охраны почв с использованием информационных технологий и данных дистанционного зондирования.
Важной задачей является поиск универсальных интегральных показателей качества почв, отражающий связь урожайности с плодородием почв. В агрохимии и практическом земледелии, принято считать, что урожаи культур формируются преимущественно за счет минеральных элементов самой почвы, значимость органического вещества определяется, прежде всего, его ролью в формировании питательного режима почвы, через минерализацию и гумификацию его. Обращает на себя внимание также общепризнанное мнение, что ухудшение баланса гумуса, содержание углерода в почве и отсутствие оптимального сочетания элементов минерального питания для каждой культуры, в конкретных почвенно-климатических и агроэкологических условиях, в определенные фазы роста и развития - главные причины недобора урожаев и низкой стабильности земледелия [7-14.]. Думается, что это очень общие и относительно условные представления, так как для каждой культуры и множества агроэкологических условий, причем в каждый конкретный момент и фазу развития растений, существуют свои оптимальные показатели соотношений и оптимумов в сочетании со всей биотой почвы и её агрофизическими свойствами.
Обобщение научных исследований влияния органических удобрений в агрономической практике за последние 20-25 лет [1,7-14] показывает, что на различных видах злаковых и многих других видах растений, в фазу кущения органические удобрения на гуминовой осно-ве обеспечивают закладку большого числа побегов. Определенное количество серы, азота, бора и других веществ поступает в растение через листья и корни. Чем быстрее развертыва-ется рабочая листовая и корневая поверхность, и чем большую площадь она будет состав-лять, тем эффективнее осуществляется корневое и воздушное питание растений и большее количество вышеизложенных питательных веществ будет освоено растением. Что, в свою очередь, ведет к увеличению урожая и его качества. Последующая минерализация расти-тельных остатков увеличивает в почве содержание легко растворимых в воде калийных, азотных и фосфорных соединений в несколько раз, что позволяет уменьшить дозу вносимого NPK от 50% до 80%. Биохимические преобразования органических веществ в гуминовые вещества обуславливает такое направление обменных процессов в растительном организме, которое приводит к стимуляции синтеза этих веществ (фитогормонов). Следует напомнить[7-14 ], что составляющими органического вещества в почве являются: гуминовые, гиметомелановые фульвокислоты. Основу последних составляет широкий спектр низкомолекулярных органических веществ: а) аминокислот; б) углеводов (глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза и другое); в) водорастворимых карбоновых кислот, среди которых преобладают янтарная, щавелевая, яблочная, фолевая, галловая, лимонная, бензойная, салициловая и другие; г) витамины ( В1, В2, В12, РР и другие); д) макро- и микроэлементы в форме биодоступных органических соединений и минерализованном, доступном для растений и других живых форм виде. Гуминовые вещества обладают также: ауксино-цитокинином подобным эффектом – стимулируют рост и деление клеток, антистрессовым эффектом – повышает устойчивость растения к климатическим, техногенным и прочим стрессам, повышает содержание витаминов в плодах и обладает другими стимулирующими эффектами.
В процессе использования земель, создаваемая в процессе фотосинтеза биомасса обеспе-чивает не только образование и накопление гумуса в почве, но и содержит в своем составе целый ряд ценных микроэлементов (медь, цинк, бор, марганец, молибден, кобальт), которые при разложении образует с гуминовыми веществами комплексы, легко усваиваемые расте-ниями. Даже достаточно краткое обобщение роли органического вещества синтезируемого растениями и видами, обитающими в почве, показывает огромное значение биомассы (орга-нического вещества) и биоты почвы в существовании самой почвы, биосферы и экологии планеты.
В состав растительных и животных организмов входят, как утверждает современная био-логическая и сельскохозяйственная наука все известные (или еще не известные) прикладные стабильные и не стабильные химические элементы. В настоящее время насчитывается свыше 80 постоянно обнаруживаемых в растениях химических элементов, так или иначе участвующих в жизненных процессах. В этой связи следует отметить, что растения используют для своего роста и развития весь спектр химических элементов неживой природы, используя физико-химические свойства каждого из них для своих нужд, но лишь 27 из них имеют вполне установленное значение и встречаются в живых организмах постоянно. Причем, соотношение этих элементов в живых организмах совсем иное, чем в земной коре.
При этом все организмы имеют очень близкий химический атомный состав, в котором, углерод выступает важнейшим «строительным» элементом. Например, в глюкозе содержа-ние углерода достигает более 30 %. Это сходство не мо¬жет быть объяснено распространени-ем элемента в земной коре, где со¬держание углерода не превышает 0,32-0,35 %. Из извест-ных к настояще¬му времени 108 элементов лишь немногие входят в достаточно больших ко-личествах в состав биологических молекул. Об этом можно судить по содержанию основных биофильных элементов в биосфере, которая отражает молекулярно-химическую специфику живой материи в сравнении с косной. Так необходимые для всех биоло¬гических объектов являются макроэлементы: Н, С, О, N, S, Р, Са, Mg, К, Na, С1. Регулярно, но в меньших количествах, встречаются столь же необходи¬мые для жизни микроэлементы: Си, Mn, Zn, Mo, Со, у животных также F, J, Fe, а у растений - В, Cd. Большинство же элементов таблицы Д. Менделеева не обнаруживаются современными методами аналитической химии или их содержание в живой материи в очень мало.
Таким образом, исследование химического состава живых и неживых объектов природы показывает, что распространенность отдельных элемен¬тов среди них различна. Живые орга-низмы способны избирательно погло¬щать и накапливать необходимые для них химические элементы из окружающей среды. В живых организмах накапливаются главным образом эле-менты с низкими атомными массами. Однако для не¬которых жизненных процессов необхо-димы и элементы с высокой атом¬ной массой, например, молибден, но содержание их ни-чтожно.
Изучив все вышеперечисленные процессы и свойства, излагаемые в различных науках – биологии, биофизике, биохимии, физколлоидной химии, физиологии растений и животных, микробиологии, геологии, почвоведении, земледелии, растениеводстве и др. науках, которые раскрывают физико-химическую, почвоведческую и агрономическую сущность синтезируемой в процессе фотосинтеза биомассы (органического вещества) можно сделать вывод, что органическое вещество в почве является основой её плодородия и существования в процессе эволюции и на основе баланса позволяет поддерживать её плодородие. Органическое вещество, поступающее в почву, а это в основном продукт фотосинтеза растений, являясь одновременно источником энергии для биоты, трансформируется ею, обеспечивая различные стороны её плодородия. Органическое вещество, подвергнутое разнообразной биотой биохимическим преобразованиям, обеспечивает плодородие и регулирует фактически все биохимические процессы растительной клетки и многих живых организмов, обитающих в почве и возделываемых на ней культур. Оно активизирует поглощение ультрафиолетового излучения растениями и ускоряет процесс фотосинтеза в листьях. Листья приобретают интенсивную зеленую окраску и мн. др.
Еще раз подчеркнем, что, несмотря на многочисленные научные исследования, земледелов, агрохимиков, почвоведов и других ученых, а также практиков четкого и однозначного ответа, что такое почвенное плодородие и чем оно определяется - нет. Наши исследования[1-7 и др.] однозначно показывают, что основой плодородия почв является синтез биомассы в конкретных агроэкологических условиях. В связи с этим встает проблема как организовать и методически четко осуществлять мониторинг земель сельскохозяйственного назначения. Согласно Методике расчета почвенного плодородия (приказ МСХ РФ от 6июля 2017г. №325) показатель плодородия рассчитывается как среднее от суммы соотношений фактических значений четырех агрохимических показателей к их оптимальным значениям по всем типам почв посевных площадей сельскохозяйственных культур в субъекте Российской Федерации. В расчете учитываются следующие агрохимические показатели:
кислотность почв (pH, ед.);
содержание гумуса (%);
содержание подвижных форм фосфора (P2O5, мг/кг почвы);
содержание обменного калия (K2O, мг/кг почвы).
Показатель кислотности для щелочных почв pH(H2О) рассчитывается как соотношение оптимального значения показателя к фактическому, для кислых почв pH(KCl) - фактического к оптимальному.
Как видим ни о каком учете баланса органического вещества речи не идет. Для Новоси-бирской области проведены исследования связи урожайности зерновых культур и плодородия почв, приведенные в табл.1и 2.
Таблица 1
Оценка корреляционной связи урожайности зерновых культур Новосибирской области
с типом почв и рядом показателей их плодородия и агроэкологических условий (1993-2012гг.)
Коэффициент чернозмы корреляции гидросферой урожайности с показателями биотических плодородия, типом почв и целью бонитета обеспечивать
Коэффициент парной высокий корреляции
Характер связи
согласно Урожайность урожайности:
– запас гумуса которые;
0,444 слабая
– костычева балл пескование бонитета;
0,625 каждом заметная
– кол-во осадков; источник 0,333 плодородия
слабая
– ГТК (гидро производных-термический коэффициент;
используется 0,146 почва
практически
отсутствует
– плодородием чернозёмы, %;
0,175 практически связанно отсутствует нами
– серые оподзоленные корреляции,%;
0,341 слабая
– урожаи болотные которые, %;
-0,265 отрицательная
– способность луговые, %;
-0,255 отрицательная
– исходя солонцы состоянии, %.
-0,341 отрицательная тесно
Таблица 2
Корреляционная зависимость между урожайностью зерновых культур и показателями
плодородия почвы, агроэкологическими условиями в районах Новосибирской агломерации (2014 -2017 гг.).
Наименование показателя Значение
корреляции
Калий 0,864
Кислотность солевая 0,837
Фосфор 0,803
Сумма активных температур 0,643
Медь 0,462
Кобальт 0,297
Молибден 0,286
Гумус 0,22
Гранулометрический состав 0,201
Солонцеватость -0,186
Запасы гумуса в метровом слое -0,228
Балл бонитета -0,252
ГТК -0,542
Кислотность водная -0,552
Цинк -0,66
Марганец -0,926
Установленные коэффициенты связи корреляции необходимо (табл.1) между нормы урожайностью посевов зерновых являющееся культур молекул и типами почв естественных, различающихся по агрохимической оценке плодородия, показывают, что эдафитных степень таким влияния плодородия на свои урожайность у большинства почв незначительная обеспечения. Это может быть связано с тем, что на урожайность влияют ряд других не химико рассматриваемых биоземледелия нами (запасы баланса продуктивной влаги в метровом интегральным слое почвозащитное почвы, наличие лываемых подвижных элементов режимы питания солонцеватость, биологическая активность почвы, её водно-физические свойства, сумма активных растительного температур и мн. др.). Известно также, что на урожайность влияют технологические отличие приемы возделывания сегодняшняя зерновых счет культур, такие как: говорит нормы посева, сроки проблемы посева удобрений, внесение удобрений производных и др. болотные Поэтому зерновых парные коэффициенты которые корреляции не высокие и, следовательно, значимость используемых агрохимических и агроэкологических показателей в принятой системе государственной оценки плодородия и бонитета почв не высока. В тоже время корреляционная связь между общей надземной биомассой (ц/га) и оставляемой в виде сидеральных удобрений или пожнивных остатков и урожайностью зерновых культур в районах Новосибирской агломерации составила 0,78, т.е. высокая. Наиболее значимыми (табл.2) из принятых показателей плодородия почв и агроэкологических условий являются - содержание подвижных форм фосфора и калия, кислотность солевая (pHKCl), а также агроэкологический показатель суммы активных температур.
Таким образом, исследования показывают, что для оценки потенциального плодородия поч-вы необходимо учитывать показатель синтеза биомассы и агроэкологические условия. Это возможно реализовать при проведении мониторинга на основе данных дистанционного зон-дирования. С помощью мониторинга можно определить потребность растений в элементах питания, составить прогноз и разработать оперативные меры предотвращения негативных почвенных процессов, наиболее рационально использовать средства химизации. Наиболее перспективным является переход от работы с космическими снимками, по которым можно получить лишь общую информацию (в региональном масштабе), к получению и обработке точных данных, полученных с помощью беспилотных летательных аппаратов, поскольку современное техническое обеспечение, такое как мультиспектральные камеры, делают беспилотные технологии более информативными [15]. Их применение позволит получить детальную информацию о плодородии земельных участков, занятых сельскохозяйственными культурами, в частности: вычислять индекс влажности и вегетации; индекс листовой поверхности, синтез биомассы возделываемых сельскохозяйственных культур и сортов, химический состав и содержание микроэлементов в почве и т.п.
Библиографический список
1. Ларионов Ю.С. Управление адаптивностью сорта / Ю.С. Ларионов, Л.М. Ларионова, Е.П. Новокрещинов – Челябинск: Челябинский ГАУ, 2004. – 301 с.
2.Ларионов Ю.С. Пути повышения продуктивности и стабильности функционирования агроэкосистем /Ю.С. Ларионов, Н.А. Ярославцев, А.А. Косов, О.А. Ларионова – Сб. материал. II межд. науч.-практ. конф. «Эколого-экономическая эффективность природопользования. На современном этапе развития Западносибирского региона» Омск, ОмГПУ, 2008 – С.100-104.
3. Ларионов Ю.С. Основы общей экологии и устойчивости биосферы / Ю.С. Ларионов, Л.М. Ларионова, Ю.П. Логинов – Тюмень: Тюменская ГСХА. Омск: Омский ГАУ, 2009. - 441 с.
4. Ларионов Ю.С. Закон плодородия почвы биологического земледелия. Сб. материалов межд. практ конф. посвящ. 75-лет. Ю.И. Ермохина /Ю.С. Ларионов/, Омск, Омский ГАУ, 2010. – С.138-147.
5.Ларионов Ю.С. Основы эволюционной теории (концепции естествознания и аксиомы современной биологии в свете эволюции материи)./Ю.С. Ларионов, РГТЭУ, Омский институт (филиал), Омск, 2012 – 233с.
6. Ларионов Ю.С. Биоземледелие – новая парадигма сельскохозяйственного производства и повышения плодородия почв/Ю.С. Ларионов, О.А. Ларионова, Е.И. Баранова, Б.В. Селезнев/. Монография в 2 томах. 1т. – 288с. 2 – 209 с. Новосибирск, СГУГиТ. 2016.
7. Ларионов Ю.С. Биоземледелие и закон плодородия почв. Сибирская гос. геодез. академ., Омский ГАУ, Омск, 2012.- 207с.
8.Каштанов А.Н.Основы ландшафтно-экологического земледелия. /А.Н. Каштанов, Ф.Н. Лисецкий, Г.И. Швебс/ - М.: Колос, 1994. – 383с.
9. КирюшинВ.И. Теория адаптивно-ландшафтного земледелия и проектирование агроландшафтов. /В. И. Кирюшин, М. «Колос С» 2011. – 443с.
10. Конев А.А. Система биологизации земледелия. Новосибирский ГАУ, Новосибирск, 2004. – 51с.
11. Яшутин Н.В., Дробышев А.П., Хоменко А.И. Биоземледелие (научные основы, инновационные технологии и машины)./ Н.В. Яшутин, А.П. Дробышев, А.И. Хоменко – Барнаул, изд. АГАУ, 2008. – 191с.
12.Курдюмов Н.И. Мастерство плодородия /Н.И. Курдюмов. – Ростов на Дону: Изд. Дом «Владис», 2007. – 512с.
14. Овсянников Ю.А. Теоретические основы эколого-биосферного земледелия./Ю.А. Овсянников, - Екатеринбург, изд. Уральского ГУ, 2000. – 263с.
14. Штерншис М.В. Биологическая защита растений./М.В. Штерншис. М.: «КолосС» 2004.- 264с.
15. Железова С.В., Ананьев А.А., Вьюнов М.В., Березовский Е.В. Мониторинг посевов озимой пшеницы с применением беспилотной аэрофотосъемки и оптического датчика GreenSeeker RT200 // Вестник Оренбургского государственного университета. 2016 № 6 С. 56-61.
Larionov, Yu.S., Trubina, L.K., A.A. Stukanov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, Novosibirsk
SOME ASPECTS OF THE APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGIES
IN RESEARCH OF SOIL FERTILITY
The article examines the issues of soil fertility, substantiates the need for monitoring it based on monitoring the synthesis of total biomass (organic matter) and crop productivity using modern information (first and foremost) unmanned technologies to obtain detailed information on soil fertility of agricultural crops.Ddraws attention to the need to create a method for monitoring the balance of soil organic matter, reflecting its mineralization yu, gumikatsiyu and other forms of its transformation.
Keywords: soil fertility, organic matter, agro-ecological conditions, information technology.
К списку докладов