Агрохимия, 2021, № 3, стр. 15-21

ВВЕДЕНИЕ

Почвы, наряду с атмосферным воздухом и поверхностными и грунтовыми водами, признаны одним из компонентов, контролирующих качество окружающей среды [1]. Качество воды и воздуха определяется главным образом степенью загрязнения, которое непосредственно влияет на потребление и здоровье человека и животных или на природные экосистемы. Напротив, качество почв не ограничивается степенью загрязнения, а обычно характеризуется гораздо шире, как “способность почвы функционировать в пределах границ экосистемы и землепользования для поддержания биологической продуктивности, сохранения качества окружающей среды, обеспечения здорового развития растений и живых организмов, включая человека” [2]. Сложность понятия “качество почв” определяется полифазностью почв, включающих твердую, жидкую и газообразную фазы, а также их многофункциональностью, обеспечивающей многочисленные связи между функциями почв и почвенными экосистемными услугами [3]. Действительно, качество почвы с точки зрения сельскохозяйственного производства оценивается ее способностью производить продовольствие и сырье, в то время как с точки зрения экологии качество определяется способностью почв стимулировать рост растений, защищать водосборные бассейны путем регулирования инфильтрации и распределения осадков и предотвращения загрязнения воды и воздуха путем буферизации потенциальных загрязнителей, таких как сельскохозяйственные химикаты, органические отходы и промышленные химикаты.

Правительство РФ утвердило Постановление о проведении “ регуляторной гильотины”, которая предполагает к 1 января 2021 г. провести инвентаризацию всех действующих и обязательных норм охраны и использования почв с целью оценить их соответствие современным реалиям [4]. Согласно отмеченному выше Постановлению, ревизия должна учитывать разнообразие природных особенностей территории, а также целевое назначение и разрешенный вид использования земельных участков.

Основой пересмотра норм в области охраны и рационального использования почв выступает принятый МСХ РФ в 2014 г. и МПР и Экологии РФ в 2019 г. “Единый государственный реестр почвенных ресурсов России” (ЕГРПР) [5]. Отметим, что ЕГРПР является официальным почвенным информационным ресурсом страны новой цифровой генерации. Очевидно, что одним из направлений обновления существующих стандартов и норм использования и охраны почв является приведение их в соответствие с современной государственной почвенной информационной платформой ЕГРПР.

Обновление действующих и обязательных норм охраны и использования почв в рамках “регуляторной гильотины” должно быть гармонизировано с другими действующими государственными актами в отношении сельскохозяйственных земель. В частности, обновленные нормы должны быть согласованы с практикой государственной кадастровой оценки, которая должна осуществляться на основе ЕГРПР и модели расчета нормативной урожайности сельскохозяйственной культуры [6]. Обновленные нормы также должны отвечать требованиям мониторинга сельскохозяйственных земель, таким как использование современных информационных технологий, геоинформационных и программных средств [7].

Цель работы – описание цифровой базы данных индикаторов качества почв и демонстрация ее использования для ранжирования и построения карт качества почв сельскохозяйственных угодий РФ.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Индикаторы качества почв являются частью цифровой базы пространственно-распределенных данных “Почвы сельскохозяйственных угодий РФ” (БДСХ), которая разработана Почвенным институтом им. В.В. Докучаева. БДСХ является новой генерацией интегрированных отраслевых баз данных, имеющих целью обеспечение устойчивости систем сельскохозяйственного производства в части рационального использования и охраны почв. Семантическая часть БДСХ содержит агрегированные на платформе ЕГРПР разнообразные почвенные характеристики, включая данные IV‑го тура крупномасштабных (1:10 000 и 1:25 000) почвенных обследований и более поздние данные мониторинга земель сельскохозяйственного назначения. В дополнение к почвенным данным, БДСХ интегрирует агроклиматические параметры, природно-сельскохозяйственные условия и статистические данные, характеризующие сельскохозяйственную деятельность на уровне административных районов РФ. Геометрическая часть БДСХ состоит из 57 678 пространственных (территориальных) почвенно-оценочных полигонов, генерированных в среде QGIS.

Выбор индикаторов качества почв определяется требованиями модели расчета нормативной урожайности сельскохозяйственной культуры (МРНУ) [8]. МРНУ разработана на основе анализа эмпирических данных сельскохозяйственных опытов, проведенных на 2500 госсортоучастках РФ. В результате были выявлены статистически значимые характеристики природных условий и показателей почв в совокупности, контролирующие продукцию основных сельскохозяйственных культур [9]. Рассматриваемая МРНУ утверждена МСХ РФ и рекомендована в качестве практических руководств по оценке земель, включая методику по классификации и пригодности земель для использования в сельском хозяйстве, кадастровую оценку земель сельскохозяйственного назначения [8] и др.

МРНУ зерновых культур представлена следующей формулой:

где Ун – нормативная урожайность зерновых культур, ц/га; АП – величина местного агроклиматического потенциала для зерновых культур; 10.0 – базовая величина АП; 33.2 – нормативная урожайность зерновых культур на эталонной почве, полученная при применении среднего уровня зональных технологий при базовой величине АП (10.0), ц/га; 1.4 – коэффициент пересчета на уровень урожайности при интенсивной технологии возделывания; К1–К4 – поправочные коэффициенты на показатели качества почв: К1 – содержание гумуса в пахотном слое, К2 – мощность гумусового горизонта, К3 – содержание физической глины в пахотном слое, К4 – негативные свойства почв.

МРНУ рассчитывает урожайность зерновых культур относительно таковой эталонной почвы. В качестве последней выбран чернозем, сформированный на лессе с содержанием 4% гумуса в пахотном слое, имеющий гумусовый горизонт мощностью 50 см и содержание физической глины 50%. Почвообразующий лесс обладает оптимальными тепловыми и водно-физическими свойствами (водопроницаемость 0.1–1.0 м/сут) и хорошим внутренним дренажом. Эталонный чернозем не имеет негативных свойств, таких как эродированность, избыточное увлажнение, уплотнение, засоление и др.

В перечень индикаторов качества почв, наряду с термо- и влагообеспеченностью, входящими в агроклиматический потенциал, включены консервативные характеристики почв, изменение которых затруднено или совсем не регулируется хозяйственной деятельностью. Агрохимические показатели плодородия почв, такие как содержание элементов питания растений, кислотность, состав поглощенных катионов и пр., обладают высокой пространственной волатильностью в пределах отдельных производственных участков. Эти показатели регулируются внесением удобрений и мелиорантов и в перечень индикаторов качества почв не включены. Также не включены свойства, проявление которых препятствует использованию почв в земледелии, например, содержание загрязняющих и радиоактивных веществ в количествах, превышающих допустимые нормы.

В число индикаторов качества почв входят: 1 – агроклиматический потенциал, 2 – содержание гумуса в пахотном слое по Тюрину, 3 – мощность гумусового горизонта (в дерново-подзолистых пахотных почвах соответствует мощности горизонта А1 или Апах, в серых лесных и бурых лесных пахотных почвах соответствует толщине поверхностного слоя, занимаемого горизонтами А1 и А1А2, в пахотных черноземах, лугово-черноземных и каштановых почвах включает горизонты А и В1), 4 – содержание физической глины в пахотном слое, 5 – суммарное процентное содержание фракций мелкозема размером <0.01 мм (%), 6 – легкий гранулометрический состав (преобладает песчаная фракция, частицы 0.05–1.0 мм), 7 – засоление почвы (содержание легкорастворимых солей), 8 – солонцеватость (содержание обменного натрия в почвенном поглощающем комплексе >5% от емкости обмена), 9 – переувлажненные минеральные почвы (содержание влаги превышает 85% от предельной полевой влагоемкости при тяжелом гранулометрическом составе и 95% – при легком гранулометрическом составе), 10 – водная эрозия (вынос, перенос и переотложение почвенной массы), 11 – каменистость и щебнистость (содержание в почве фракций, размер частиц которой превышает 3 мм и 1–3 мм соответственно), 12 – карбонатность (содержание в почве карбоната кальция в количестве, превышающем 2%), 13 – выщелоченность черноземных почв (промытость горизонтов (А+АВ) от карбонатов и других растворимых веществ), 14 – оподзоленность черноземов (наличие осветленной, мучнисто-белесой присыпки, покрывающей структурные отдельности в нижней части горизонта А и в верхней части переходного горизонта В; выщелоченность почвенного профиля от карбонатов (и других растворимых веществ) на глубину, превышающую 1.0–1.5 м) [10–12].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате выполненных работ разработана база данных пространственно-распределенных индикаторов качества почв (БДИКП). Полное описание состава, формата и источников данных приведено в табл. 1.

Рассмотренная выше МРНУ соответствует требованиям [1], предъявляемым к оценке качества почв, которая должна включать, наряду с показателями почв, также характеристику разнообразия природных особенностей и целевое использование земель. Разработанная база пространственно-распределенных индикаторов качества пахотных почв, обработанная средствами МРНУ, демонстрирует способность ранжировать качество почв и построить карту его географического размещения по 57 678 пространственных почвенно-оценочных полигонов (рис. 1).

Анализ карты качества почв сельскохозяйственных угодий показал, что площадь лучшего качества черноземных почв с нормативной урожайностью, превышающей 40 ц/га, составляет ≈10% площади пахотных земель. Более 74% площади почв, представленных черноземами оподзоленными и выщелоченными в северной части и черноземами южными в южной части ареала сельскохозяйственных угодий РФ, характеризуются выше среднего и средним качеством для выращивания зерновых – соответственно 30–40 и 20–30 ц/га. Площади почв ниже среднего качества, включающие в северной части дерново-подзолистые и светло-серые почвы и каштановые почвы в южной части ареала пахотных земель РФ с нормативной урожайностью зерновых 10–20 ц/га занимают ≈14%. Почвы низкого качества (нормативная урожайность <10 ц/га) занимают ≈10% площади пашни страны. Анализ вклада (относительной значимости) отдельных индикаторов в географическое размещение земельных угодий по качеству почв контролируется, в значительной мере, неблагоприятными особенностями агроклиматических условий. Вместе с тем определенное влияние на снижение качества пахотных почв оказывает в отдельных регионах распределение индикаторов негативных показателей.

МРНУ и использованные индикаторы качества почв, в принципе, соответствуют аналогичным моделям, применяемым в США, ЕС, Канаде, Китае и др., включая подход ФАО “Глобальное агроэкологическое зонирование [10]. В основе МРНУ, так же как и других моделей, лежит использование специфических для каждой культуры зависимостей (рейтингов) “фактор/свойство/урожай” и их агрегация на основе какого-либо интегрирующего алгоритма. Этот вывод важен с позиции понимания того, что рассмотренный в статье подход, реализованный в МРНУ, находится на современном уровне развития цифровых информационных технологий в области анализа качества почв сельскохозяйственных угодий.

ВЫВОДЫ

1. Разработана цифровая база данных пространственно-распределенных индикаторов качества почв сельскохозяйственных угодий РФ (БДИКП). Выбор индикаторов качества почв соответствует требованиям модели расчета нормативной урожайности сельскохозяйственной культуры. БДИКП связана с 57 678 пространственных/территориальных почвенно-оценочных полигонов, созданных на основе ГИС-технологий.

2. БДИКП соответствует требованиям, предъявляемым к оценке качества почв, которая должна включать показателями почв, характеристику разнообразия природных особенностей и целевое использование земель. БДИКП также отвечает целям проводимой правительством РФ политики “регуляторной гильотины”, в части приведения в соответствие норм охраны и рационального использования почв. Кроме того, БДИКП является частью определения качества почв в целях кадастровой оценки земель сельскохозяйственного назначения.

3. БДИКП, интегрированная с моделью расчета нормативной урожайности сельскохозяйственной культуры, позволяет ранжировать качество почв и построить карту его географического размещения, учитывая данные 57 678 пространственных почвенно-оценочных полигонов сельскохозяйственных земель РФ.

4. Показано, что площадь черноземных почв лучшего качества, с нормативной урожайностью зерновых культур, превышающей 40 ц/га, составляет ≈10% площади пахотных почв. Более 74% площади пахотных почв, представленных черноземами оподзоленными и выщелоченными в северной части и черноземами южными в южной части ареала сельскохозяйственных угодий РФ, характеризуются выше среднего и средним качеством для выращивания зерновых с урожайностью соответственно 30–40 и 20–30 ц/га.