Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Картографический метод потоковых структур и его использование в земледелии

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Картографический метод потоковых структур и его использование в земледелии"

На правах рукописи

Степанова Вера Игоревна

КАРТОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОТОКОВЫХ СТРУКТУР И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ЗЕМЛЕДЕЛИИ

Специальность 06.01.01 - общее земледелие

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2?я"в2о „

Орел-2010

4842839

Работа выполнена на кафедре земледелия ФГОУ ВПО «Орловский государственный аграрный Университет» (г. Орел) и в лаборатории новых методов в биологии Института биологического приборостроения Российской академии наук (г. Пущино)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Лопачев Николай Андреевич

член-корреспондент РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Задорин Александр Дмитриевич

доктор биологических наук, профессор Мазиров Михаил Арнольдович

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-

исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии» г. Курск

)/ СЮ

Защита состоится «28» января 2011 года в ч. на заседании диссертационного совета ДМ 220.052.01 при ФГОУ ВПО Орел ГАУ по адресу: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Орел ГАУ

Автореферат разослан «28» декабря 2010 г. и размещен на сайте <referat vakg ministry.ru. orelsau.ru>; www.orelsau.ru

Ученый секретарь диссертационного совета доктор с.-х. наук, профессор Ч—V Ч-^Г 1И. .П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Мировое земледелие конца 20-го и начала 21-го в. ознаменовано парадигмой создания прецизионных систем земледелия. Известно, что решение тех или иных проблем, как и науки в целом определяется уровнем развитием методологий. Так попытка реализовать вышеуказанную парадигму на «техноцистской основе» (Жученко, 2004; Кирюшин, 2005 и др.) и традиционной уравнительной «лоскутной» методологии отображения структуры почвенного покрова привели США в 1999 году к созданию «высокотехнологического» земледелия, которое имеет мало прецизионными системами земледелия. Впервые экспериментально и теоретически было доказано, что построить прецизионные системы земледелия можно при выделении структуры почвенного покрова и его картографического отображения на основе точных количественных критериев (Лопачев, 2008). Поэтому совершенствование методологии математически обоснованного определения положения в пространстве и времени взаимодействия элементарных почвенных ареалов (ЭПА), как единой динамической системы - основы построения в обозримом будущем прецизионных систем земледелия.

Цель исследований - совершенствование методов построения математически точных почвенных карт, представляющих почвенные тела в форме образов геометродинамики - потоков, находящихся в непрерывном «движении», которые могут стать системами отсчета построения прецизионных систем земледелия.

Задачи исследований. Основная задача - показать возможности карт пластики рельефа в экспериментальном земледелии.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обнаружить и проанализировать публикации создателей ландшафтного земледелия, публикации ученых в которых горизонтали топографических карт изучались как геометрические и физические образы;

2. Перевести горизонтали, как знаковые системы рельефа, в геометрические образы;

3. Обосновать положение о том, что горизонтали являются континуальными структурами почвенной поверхности, которые можно геометрически преобразовать по их точкам нулевой кривизны в дискретные динамические почвенные потоки;

4. Изучить влияние движения почвенных потоков на формирование пестроты почвенного покрова;

5. Изложенные выше задачи проверить практикой на опытных полях экопоселения «Славный» Тульской области, учхоза «Лавровский»

Орловской области и владимирского НИИ сельского хозяйства путем крупномасштабного почвенного картографирования.

Научная новизна исследований состоит в том, что полученные точные картографические результаты на одном экспериментальном поле обеспечивают построение для него прецизионных систем земледелия, а также их можно интерпретировать на другую ей подобную территорию, с помощью теории физического подобия на основе критериев подобия, особенно критериев формы. Предпринята попытка сделать теорию подобия основой экспериментального и прецизионного земледелия, унифицировать геометродинамические критерии и создать в картографии точные понятия физического и натурного подобия, необходимые для построения теории и практики точных систем земледелия.

Впервые для опытных полей разработана технология составления потоковых карт с унифицированными границами (изолинии нулевой и ненулевой кривизны) и таксонами почв: выпуклостей (нормальные), вогнутостей (анормальные) с переходами между ними. Доказано, что карты потоковых структур являются геометрическим каркасом (почвенно-геологическим телом), к элементам которого можно привязывать все пространственно-временные экспериментальные и производственные данные. Этому способствует то, что структуры на потоковых картах подчи-. няются законам симметрии.

Основные положения, выносимые на защиту:

- свойство горизонталей на местности представлять поверхность почв в качестве континуума линейных структур.

- способ преобразования горизонталей по точкам нулевой или любой другой равной плановой кривизны в динамические потоковые образы почвенной поверхности, определяющих количественно во времени движение влаги и органо-минералъных веществ.

- древовидная форма почвенной поверхности потоковой системы имеет математические точки отсчета (на потоковых картах создаются объемные формы, сочетание выпуклостей - потоков и вогнутостей - подложки) - «неподвижной» монолитной подложки, что позволяет прецизионному земледелию использовать элементы ЭПА не только в традиционных представлениях их равновесия, но и реализовать их в динамике.

- математическое отображение динамики почв потоковых структур является альтернативной картой (цифровой, электронной или другие варианты на любых носителях) для построения экспериментальных инновационных прецизионных системам земледелия вместо трудоемких карг урожайности для «высокотехнологического» земледелия

Практическая значимость

При построении прецизионных систем земледелия, можно использовать не только результаты дорогостоящих целенаправленных опытов, но и, на основе строгой физико-математической базы потоковой системы (свойство каждой почвы предопределено ее положением - адресом в потоковой системе), можно значительно ускорить работы и снизить затраты по выбору экспериментальных участков и объективному переносу полученных на них данных в аналогичные производственные условия точного земледелия.

Реализация результатов исследований. Материалы исследований используются научно-производственным предприятием «Агроэкология», Институтом телекоммуникаций Академии инженерных наук (С.-Петербург), ООО «Гипрозем», Орловским ГАУ и другими организациями.

Личный вклад автора. Автор диссертации работает по данной теме со студенческих лет (с 1980-ых годов), представляя метод пластики в курсовых и дипломных работах на Кафедре географии почв Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. Эта же тема разрабатывалась в Институте физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. По теме диссертации выполнялись договорные работы с «Институтом геоинформационного анализа Земли» (Москва), Компанией «Гэдэрайн Холдинг Лимитед» (Кипр). Составлены тематические карты для ОАО «РОСНЕФТЬ», Института новых нефтегазовых технологий РАЕН Составлены областные среднемасштабные почвенные карт отдельных регионов России, в частности, карты Московской области М 1:300 ООО. Участвовала в полевом картографировании почв («Союзгипро-водхоз»). Участвовала в работах по составлению карт потоковых структур (КОСМ) ЗАО Института телекоммуникаций (С.- Петербург):

Договор от 2001 г. с ВТУ ГШ РФ «Разработка и применение карт обзорных свойств местности (КОСМ)». Рабочий проект по «БИОЛИТ М-КОСМ» с созданием «Инструкция по применению карт обзорных свойств местности в различных родах войск»;

Договор от 2008 г. с ИТ АИН РФ по теме «Составление крупномасштабных карт пластики рельефа территорий сельских поселений При-озерского района Ленинградской области»;

Провела самостоятельные почвенные работы в поселении «Славный» Тульской области, что составило основную творческую часть настоящей диссертации.

Часть работы выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 99-05-64383.

Апробация работы. Основные положения работы представлены в докладах:

1.Кризис почвенных ресурсов: причины и следствия. Межд. студ. конф. СПбГУ, 1997; 2. III Пущинская конф. молод, ученых. 1998; 3. Лекции VIII-IX Всерос. школ (1998-1999); 4. IV Межд. конф. «Математика, компьютер, образование». Пущино. 1999; 5. Геоботаника XXI века. Всерос. науч. конф., Воронеж: ВГУ. 1999; 6. Ресурсы ноосферного движения. Межд. конф. Москва ГЕОС. 2000; 7. Intern. Conference on Desertification. U.A.E. Dubai. 2000; 7. Проблемы эволюции почв. Четвертая Всерос. конф. Пущино. 2001; 8. 32nd International Geological Congress, Scientific Sessions . Florence, Italy. 2004; 9. 6-ая Междис. научн. конф. Москва. Дельфис. 2006; 10. Республик, научно-практич. конф. «Научно-методические основы создания национального атласа Узбекистана», Ташкент 2009; 11. Конф. «Математическое моделирование в экологии», ЭкоМатМод-2009, Пущино; 12. Всероссийская научная конференция, посвященной 40-летнему юбилею Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе в журналах «Доклады Российской академии наук», «Агрохимия», «Геоэкология», «Геодезия и картография», «Информация и Космос», в зарубежных изданиях и других журналах, входящих в список ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 113 страницах, включает 34 рисунка в виде фрагментов тематических карт и 9 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, включающего 106 отечественных и 11 зарубежных наименований.

Личное участие автора в проведенных исследованиях составляет

90%.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объекты исследований. Основным объектом исследования являются геометрические потоковые почвенные структуры, полученные путем математического преобразования горизонталей карт рельефа, как основы для построения прецизионных систем земледелия. Экспериментальные объекты для изучения вышеуказанных структур представлены на рис. 1.

Объекты исследований расположены на структурах разной направленности и разного геологического возраста и, как следствие, на разных типах почв.

В работе изучалось влияние мезо- и микрорельефа на формирование структуры почвенного покрова, что продемонстрировано на примере одного из объектов - экопоселение «Славное» (рис. 2).

Рисунок 1 - Потоковые почвенные макроструктуры части Русской равнины - местоположение объектов исследований: Суздаль (1); Пушкино (2), Пуицино ПЭС (3); экопоселение «Славный» (4); Орел (5). Карта генерализована с карты потоковых структур М 1:200 ООО

Рисунок 2 - Универсум почвенной потоковой карта пос. «Славный». М 1:10000. Обозначения унифицированных почв потоковых систем: Нормальные почвы выпуклостей (относительных повышений): ! - верхних; 2 - средних и 3 - нижних частей системы. Переходные почвы от выпуклых к вогнутым частям: 4 - южной экспозиции; 5 - северной экспозиции. Анормальные почвы: понижений (6); наносные почвы речных долин (7)

Влияние микроструктуры почвенного покрова на продуктивность агроценозов рассмотрено на примере опытного поля учхоза «Лавровский» (рис.3).

Размещение опытного поля в потоковых структурах мезорельефа дано в диссертации. Изучаемые агроценозы на опытном поле были представлены четырехпольными и семипольными севооборотами с различным набором культур, системой удобрений и обработки почвы. (Н.А.Лопачев, 2008г.)

Рисунок 3 - Ареалы распределения гумуса в пахотном слое 0-30 см по элементам потоковых структур в границах семипольного полевого севооборота, %, М 1:20000. Опытное поле ОрелГАУ, учхоз «Лавровский», 1995-2002 гг. (по данным Н.А.Лопачева)

Методы исследований. В диссертации оцениваются два представления о почвенной поверхности для использования в экспериментальном и практическом прецизионном земледелии, как объекта научного исследования: 1 - структурного (традиционного) и 2 - системно-структурного (потокового).

Структурный метод основан на изучении морфологии ЭПА и ЭПС (Фридланд, 1965, 1972; Прохорова, 1993; Сорокина, 1975). Системно-структурный метод основан на изучении геометрии древовидной потоковой системы, структура которой затем определяется с помощью теории симметрии (Степанов 2003, 2006). В 1970-1980 годы метод ЭПС был прогрессивным, так как впервые позволил на опытных полях фиксировать почвенную неоднородность с помощью научного метода В.М. Фрид-ланда. Но в наш век компьютеризации, требующей точных методов и стандартизации технологий составления тематических карт, метод ЭПА и ЭПС

дополняется количественными характеристиками, в частности, выпуклыми и вогнутыми почвенными поверхностями.

Системно-структурный метод почвенной картографии является производным от базового метода пластики рельефа. Если прежде выделяли с помощью изолинии равной кривизны отдельные потоки, то нами показана возможность устанавливать целостные картины потоков, находящихся в постоянном движении, как системно организованных почвенных единств. Структурный метод (рис.1) был необходим на первых этапах картографического изучения структуры почв опытных полей. Метод потоков показывает, как можно в пределах древовидной системы отыскивать новые почвы по их местоположению. В новых почвах определяющим признаком является их адресное место в системе, отражающее специфику совокупности связей данной почвы со всеми остальными, расположенными упорядоченно в соответствии с законом образования древовидных почвенных форм, что показано на рис.2-3.

Горизонтали топографической карты содержат не только информацию о высоте земной (почвенной) поверхности, но и о характере ее кривизны (плановые выпуклости и вогнутости, отмеченные бергштрихами) (рис.4).

Геометрическое преобразование горизонталей делает методику достоверной и объективной. Некоторая субъективность, заложенная в технологию создания горизонталей при их генерализации, нивелируется морфоизографой - изолинией нулевой плановой кривизны.

Отбор почвенных и рас-

В К +

Рисунок 4 - Отличие горизонтали с бергштрихом как знака (А) от горизонтали как геометрической линии (В), где бергштрихи заменены точками максимальной положительной (+) и отрицательной (-) кривизны, а также выделены точки нулевой плановой кривизны (0)

тигельных проб для анализов при данном методе картографирования становится более объективным, чем, например, отбор проб по квадратной сетке. Анализы почв и растительных образцов проводились по общепринятым методикам.

Оценку продуктивности агрофитоценозов в севооборотах, в зависимости от способов их возделывания, проводили по традиционной (уравнительной) методике (Доспехов, 1979,1985; Прохорова, Фрид, 1993 и др.), как производные функционирования ЭПА (почвенных делянок), а также методом точечной оценки продуктивности агроэкосистем в преде-

лах потоковых почвенных структур - системно-структурная методология построения прецизионных систем.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Основополагающие работы ученых Россельхозакадемии А.Н.Каштанова, В.И.Кирюшина, А.Л.Иванова, А.А.Жученко и др. определили сущность и отличительные признаки адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Стратегия такого подхода направлена на максимально полное использование различной информации для обоснования тех или иных решений на различных уровнях их принятия. Информация об использовании горизонталей рельефа, применительно к проблемам земледелия, была получена из работ известных физиков, математиков и ландшафтоведов. Это работы А. Кейли (Caylay А., 1859), давшего в терминах математики определения топографических точек, линий и поверхностей: вершин, седловин, возвышенности, котловин, линии спуска Дж. К. Максвелл (Maxwell J.C., 1870) анализирует горизонтали с позиций динамики. Установив среднее значение гравитации вдоль линии силы, Максвелл получил длину линии силы, которую назвал линейной высотой места. П.К. Соболевским (1932) система преобразованных горизонталей с помощью изолинии нулевой плановой кривизны представлена как силовое физическое поле, которое открывает путь к созданию геохимического поля земной коры. Он впервые вводиг важное для земледелия понятие об инвариантности линий тальвегов и водоразделов карт рельефа Б.П. Вейнберг (1934) дал исчерпывающие понятия по использованию линий кривизны при изучении ландшафтов, применив методы дифференциальной геометрии для построения форм земной поверхности. Ю.К. Ефремов (1949) создал понятие о гранях рельефа, используя комбинации вертикальной и горизонтальной кривизны земных поверхностей - выпуклых, вогнутых и прямых.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ КАРТ ФРИДЛАНДА В ОПЫТНОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ

Структурный подход в различных научных школах России в 1970-ых гг, в том числе и в Почвенном институте им. В.В. Докучаева (Н.П. Сорокина, Ф.И. Козловский, Г.И. Григорьев, Г.А. Шершукова, М.Г. Синицы-на, И.Г. Шубина, В.К. Кальван, З.А. Прохоровой, A.C. Фрид и др.), был не однозначным. Однако это был серьезный научный вклад в земледелие. Он исключал понятие почвенная «однородность» и представлял опыты как результат, полученный на почвенной «неоднородности», то есть он исключал уравнительную методологию в экспериментальном земледелии. Прогрессивный для того времени структурный подход получил дальнейшее

развитие в системно-структурном подходе, предложенном пущинскими почвоведами.

Различие между этими подходами в том, что школа Фридланда в качестве элементарного почвенного ареала (ЭПА) принимала такой участок (рис. 5,С), который имеет ровную поверхность и на всей его изотропной площади свойства почвы должны быть одинаковыми. То есть, почвенная неоднородность изучалась методологическими средствами, предназначенными для изучения почвенной однородности.

При таком определении ЭПА (ровный, однородный, изотропный) автоматически исключалась из числа важнейших факторов почвообразования сила земного тяготения, обуславливающая движение (динамику) почв.

Рисунок 5 - Два метода проведения почвенных границ по одним и тем же горизонталям карты рельефа (А) М 1:1000: В - пластики рельефа; С - Э17С, составлена Л.Л. Шишовым и др. 1989; Пд - дерново-подзолистые, Пдг- дерново-подзолистые

глеевые

Системно-структурный подход (рис.5,В) начинается с преобразования горизонталей в целях получения в камеральных условиях потоковой почвенной системы. Потоки имеют всегда древовидную форму, образованную в результате упорядоченного движения почвенной массы в поле земного тяготения. В качестве ЭПА в древовидной системе принимается поток, который имеет не ровную, а искривленную поверхность (выпуклую или вогнутую). Тело потока (рис. 5В), в отличие от ЭПА Фридланда (рис. 5,С), неоднородное, т. е. на его поверхности будут представлены почвы с разными свойствами, а сам поток анизотропен, так как он ориентирован полем земного тяготения от самой высокой точки - репеллер к самой низкой - аттрактор, при этом ветвится в точках бифуркации. Однородность потоков

выражена в однообразии приуроченности почв к геометрическим поверхностям - выпуклостям и вогнутостям, как было установлено В.В. Докучаевым (Докучаев В.В.,1949г). По классификации почв Докучаева все почвы ровных водоразделов принадлежат классу нормальных почв, а все почвы нижних частей склонов и понижений - к классу анормальных почв. Именно такое представление структуры почвенного покрова наиболее полно удовлетворяет методологии построения точных систем земледелия.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ ПОТОКОВЫХ СТРУКТУР В ЗЕМЛЕДЕЛИИ НА ПРИМЕРЕ ОТДЕЛЬНЫХ ОПЫТНЫХ ПОЛЕЙ

Метод системно-структурного подхода апробирован на опытных полях учхоза «Лавровский» ОрелГАУ, Пущинской почвенно-экологической станции ИФХБПП РАН, Владимирского НИИСХ (г. Суздаль), экопоселении «Славное» и других (рис. 1).

Для выше указанных опытных участков нами составлены карты потоковых структур и на их основе почвенные карты, необходимые для построения систем земледелия.

Методы составления карт и полученные результаты по ним описаны в публикациях (Степанова, 1997, 1999, 2000, 2001, 2002, 2004, 2007, 2009; Stepanova V.l., 2004; Степанова в соавторстве, 1998, 1999,200, 2004, 2006,2007; Stepanova V.l. et al, 2000,2004).

3.1. Потоковая методология оценки агроэкосистем учхоза «Лавровский»

Вне севооборота трудно решать многие задачи земледелия - продуктивность, качество, баланс питательных веществ и гумуса, почвоутомление, эрозия почв и т.д. (Лобков, 1994; Кирюшин, Иванов и др., 2005; Задорин, 2007 и др.). Поэтому разработка точных систем земледелия вне севооборотов не имеет перспективы. Поэтому продуктивность агрофитоце-нозов рассмотрим на примере четырехпольных (табл.1) севооборотов с позиций традиционного и потокового подходов в отображении структуры почвенного покрова. При оценке продуктивности четырехпольных (табл.1) севооборотов по уравнительной методологии (среднее значение-Q) определяем эффективность изучаемого фактора без привязки к конкретным почвенным условиям каждой точки опытной делянки. Использование потоковой методологии позволяет проводить оценку продуктивности агроэкосистем в каждой точке с увязкой плодородия почвы по элементам рельефа (повышениям - ишас и понижениям - и).

Таблица 1 - Продуктивность четырехпольных севооборотов по элементам потоковых структур в зависимости от системы удобрений и состава культур, учхоз «Лавровский» 1985-1989 гг. (по данным Н.А.Лопачева, 2008)

Севообороты Удобрения и - КПЕ ц/га В,%

и Иггип ^шас

1. Пар, оз. пшеница, кукуруза, ячмень ^тоРг^Кгад+Ндог/г 183,7 166,1 201,3 80,9

Иб^РбоКбО+Н 1 От/га +С1.75т/га 45,9 41,5 50,3

2. Клевер, оз. пшеница, кукуруза, ячмень ^85Р255Кг55 + ^7т/га 211,8 184,0 239,5 74,6

^71,25РбЗ,75КбЗ,75 + С1.75т/га 52,9 46,0 59,9

3. Донник, оз. пшеница, кукуруза, ячмень 1^285Р255К-255 + ^7,71 а 237,3 209,7 264,8 78,4

^|,25РбЗ,75КбЗ,75 +Си5т/га 59,3 52,4 66,2

4. Вика-овес, оз. пшеница, кукуруза, ячмень ^зоРзооК-зоо + 190,0 161,5 218,5 72,1

1*^82,5Р75К.75 + С1.75т/га 47,5 40,3 54,6

Примечание: КПЕ - кормопротеиновые единицы. Верхняя строка - за ротацию севооборота, нижняя — за 1 год. й - средняя продуктивность по уравнительной методологии. ипШ1 - на понижениях. итас - на повышениях. В - коэффициент выравненное™. Н - навоз. С - солома.

Отсутствие такой привязки продуктивности и плодородия почвы к конкретной точке не позволяет конструировать точные математические модели в прецизионных системах земледелия, где математическим критерием может служить коэффициент выроненности - В. Таким же закономерностям, отображенным в табл. 1, подчиняются накопление гумуса и основных питательных элементов почвы.

3.2. Потоковая методология оценки распределения гумуса экопоселения «Славное»

Перед началом исследований агроэкосистему экопоселения «Славное» мы проанализировали потоковым и традиционным методом ЭПС (рис.6)

Рисунок 6 - Карта размещения производственных земельных участков и опытного поля (красный прямоугольник) пос. «Славное»: А- на карте рельефа с горизонталями; В - на карте потоков. М 1:10000

Для метода пластики горизонтали карты 2,А являются первичными двумерными структурными единицами почвенной поверхности, однако они не отражают реальную картину привязки каждого отдельного участка к рельефу, тогда как на карте пластики рельефа (рис.6,В), являющейся производной карты 6, А, видно не только распределение земельных и опытного участков по элементам рельефа, но и видна направленность движения потоков в пространстве и во времени.

По карте рис. 6,В, нами составлен формализованный каркас почвенной карты , целиком состоящий из геометрических точек, линий и площадей, которые, будучи универсальными, легко унифицируются, т. е. рационально сокращается число почвенных границ и ареалов одинакового функционального назначения. Это позволяют построить на современном уровне науки и техники единое унифицированное знание в картографической теории почвоведения и земледелия.

На основе карты (рис.6) составлена специальная почвенная карта с серыми лесными почвами на пашнях и под лесом, разного механического состава, эродированности, гидроморфности, мало - и высокогумусны-ми, болотными и полуболотными почвы, как это принято в традиционной картографии почв (рис.2).

На этой карте унификация заключается в том, что прежнее множество границ традиционных почвенных карт сведено к одной-единственной границе - морфоизографе; она объединила все многообразие почв в целостное единство - потоковую систему, которая выступает как унифицирующий элемент. На этом основании стандартизированы

основные классы почв по способу их одинакового залегания и функционирования по выпуклым (область дивергенции) и вогнутым (область конвергенции) поверхностям, а также переходам между ними. Это может стать инструментом (эталоном, образцом, нормой) упорядочения почв.

Как видно из рис. 7А,В, каждый формализованный поток карты 2А имеет общий уклон от начальной точки потока репеллера (Л) к аттрактору (А), а также линию максимальной положительной кривизны (водораздельную), определяющие ориентацию частей потока по отношению к странам света. Выпуклая поверхность потока (коричневый) возвышается над вогнутой поверхностью (зеленый фон), образуя барельеф.

Рисунок 7 - Характеристики потоковых систем и их элементов - отдельных потоков (см. описание в тексте)

На рис. 7,А показан поток, развивающийся в нормальном режиме по прямой линии от точки Я (репеллер) к А (аттрактор). Под № 1 - мор-фоизографа, линия нулевой кривизны, отделяющая выпуклость (№2) почвенного тела от вогнутости (№ 3). Буквой Ь показаны точки бифуркации. На рис. В показано, как под влиянием флуктуаций поток начинает «ветвиться», создавая древовидную систему.

Как видим на картах (рис.1, 2В, ЗВ, 5, 6, 7) описываемые нами древовидные образования отвечают определениям понятия «система», как формы организации почвенной поверхности. Но показ системы - это определение почв через причинно-следственные связи, тогда как общая теория систем требует более глубокого понимания природы через структурные связи и отношения.

На примере древовидной почвенной системы пос. «Славное» (рис. 8) показана технология поиска структурных связей. Сначала потоки идеализируем путем скелетизации (черные фигуры в верхнем правом углу). Структуры этих и иных фигур, согласно теории симметрии (Шубников, Копцик, 2004), можно количественно охарактеризовать с помощью преобразований: отражений, вращений, поворотов, сдвигов, инверсий (рис.9). Сравнивая эти идеальные структуры (рис. 9) с относительно реальным отображением потоков на почвенной карте (рис. 5), получим про-

странственную и временную разницу потенциалов, т.е. асимметрию, которая и творит почвенные явления в условиях далеких от равновесия природной среды.

Тонкие горизонтальные линии - оси переносов (а); толстые линии - обыкновенные

плоскости ш, проходящие перпендикулярно к чертежу; штриховые линии -плоскости скользящего отражения; двоеточие (:) в символах означает перпендикулярность, одна точка (•) - параллельность.

После проведения вышеуказанных технологических преобразований горизонталей, установления причинно-следственных структурных связей и определения показателей структур на опытных или производственных полях, можно приступать к полевым опытам или проектированию систем земледелия. Такая процедура проведена автором на опытном участке пос. «Славное» (см. на рис. 6 красный прямоугольник), что позволило с высокой точностью привязать результаты полевых наблюдений к элементам потоковой системы (рис.10).

Рисунок 8 - Почвенно-экологические потоковые структуры и их скелетные формы: А,В, О - бассейн реки Восьма в границах экопоселения «Славное»; С - часть поймы Оки в районе Приокско-Террасного заповедника Московской области М 1: 10 000

Рисунок 9- Почвенные структуры (фигуры Г'1.5)

и характеризующие их символы симметрии в виде сочетания фигур по элементам симметрии и формул симметрии (внизу)

Рисунок 10 - Распределение гумуса (%) в гор. А серых лесных среднесуглини-стых почв на экспериментальном участке пос. «Славный». М 1:5000. Красные цифры - элементы рельефа: 1- водораздел; 2- верхняя часть склона; 3- нижняя часть склона; 4- понижение

На исследуемом участке площадью около 10 га были отобраны образцы на содержание гумуса по методу потоковых почвенных структур.

Таблица 2 - Распределение гумуса в серых лесных почвах по элементам рельефа в границах потоковой структуры на экспериментальном участке пос. «Славное»

Часть потоковой почвенной структуры Мощность гумусового горизонта А1, см № разреза Гумус в % (по Тюрину)

В данном образце Среднее значение по элементам рельефа

1 Водораздельная часть (нормальные почвы) 25 1 3.2 ЗД

2 3,0

2 Склоновая часть (переходные почвы) 18 3 2,9 2,8

4 2,7

3 Подложка-понижение (анормальные почвы) 16,5 5 2,2 2,3

6 2,4

Данные по химическим, биологическим, водно-физическим свойствам почв и их продуктивности, можно переносить на аналогичные участки в том случае, если будут соблюдены условия теорем физического подобия (Кирпичев, 1953). По третьей теореме подобными могут быть те почвенные явления, которые протекают симметрично, подчиняются одним и тем же уравнениям связи, условиям однозначности, и находятся в численно постоянном отношении. Потоки, как физико-геометрические тела, позволяют единичные агрохимические, водно-физические и другие

показатели опытных участков интерпретировать на всю группу подобных производственных территорий и представить их в функциональной зависимости между критериями подобия.

ВЫВОДЫ

1. Парадигма развития земледелия XXI века (высокотехнологическое, координатное, точное и др.) базируется на объективном, математически точном отображении почвенного покрова каждой физической точки поля.

2. Планирование полевых и производственных экспериментов для проектирования точных систем земледелия рекомендуется начинать с построения карт потоковых почвенных систем, где динамический поток выступают в качестве таксономической классификационной единицы.

3. Адресное положение каждой точки почв в потоковой динамической классификационной системе определяет все закономерные диагностические свойства, выступающие главным аргументом выравненно-сти продуктивности агрофитоценозов - главной проблемы точных систем земледелия.

4. Закономерности формирования свойств почв в каждой физической точке потоковых структур позволит математически элиминировать их для любого состава агрофитоценозов в отличие от монокультурного высокотехнологического земледелия.

5. Рассмотрение почвенных потоковых систем в динамическом аспекте раскрывает механизм передвижения почвенных веществ по земной поверхности, что помогает построению прецизионных систем земледелия.

6.На основе литературных материалов и экспериментальных данных установлено, что структура потоковых систем отображает свойства почвенного плодородия, которые определяют характеристики урожая с.-х. культур.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

В соответствии с инструкцией «Сборник цен и общественно необходимых затрат труда (ОНЗТ) на изготовление проектной и изыскательской продукции землеустройства, земельного кадастра и мониторинга земель. Приказ Комитета Российской Федерации по земельным ресурсам и землеустройству от 28 декабря 1995 г. N 70», на 1 гектар исследуемой территории положено 10 образцов почв (1 разрез, 4 полуямы и 5 прикопок). Используя метод потоковых почвенных структур, при полевых исследованиях достаточно взять 6 образцов (полуям) с различных

частей потока. Очевидно, сокращение количества образцов почв и соответственно расходов на их лабораторные анализы на 40%.

Таблица 3 - Расчет экономической эффективности затрат (по цене лабораторных анализов образцов почв) на число анализируемых образцов взятых традиционным квадратно-гнездовым методом и картографированием по методу пластики рельефа

Расценки на метод картографирования Карбонатные и нейтральные почвы Солонцы и солончаки Кислые почвы Торфяные почвы

а в а в а в а в

Цена в тыс. рублей по традиционному методу 43.90 283.30 43.90 457.70 43.90 207.50 43.90 92.30

Цена в тыс. рублей по методу пластики рельефа 26.34 169.98 26..34 274.62 26.34 124.50 26.34 55.38

Расчет экономической эффективности (по разнице) затрат 17.56 113.32 17.56 183.08 17.56 83.00 17.56 36.92

Примечание: Единица измерения: "а" - объект; "в" - 1 тыс. га. Нормы и цены рассчитаны для территорий, где заложено 10 почвенных разрезов на 1 тыс. га обследованной площади.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

Применение методологии потоковых структур (физико-геометрический каркас), как универсальной математической системы отсчета для адресной привязки экспериментальных данных и объективной интерпретации их на основе теорий физического подобия в аналогичные производственные условия обеспечит быстрый и дешевый путь построения инновационных прецизионных систем земледелия в нашей стране. В таком случае можно будет управлять силовыми полями, влияющими на плодородие почв и урожай.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Степанова В.И. Отображение кризисных процессов на почвенно-эколотической карте Центральной России//Кризис почвенных ресурсов: причины и следствия. Тез. докл. Межд. студ. конф. - СПбГУ, 1997.-С. 121-122.

2. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И. К выходу в свет областных почвенных карт России: проблема границ/'/Геодезия и карто-графия.-1998.-№ 12.-С. 29-36.

2. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И. К выходу в свет областных почвенных карт России: проблема границ //Геодезия и карто-графия.-1998.-№ 12.-С. 29-36.

3. Степанова В.И. Карта потоковых структур как основа для оценки природных кризисных процессов//Ш Пущин, конф. молод, учен. Тез. докл.-1998.-С. 39-10.

4. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И., Ананян М.А., Са-ниев К.Б. Отражение идей точных наук на почвенных картах//Экология и почвы. Избр. лекции V1II-IX Всерос. школ (1998-1999). Том III.-M., 1999.-С. 117-130.

5. Степанов И.Н., Мироненко Л.М., Степанова В.И. и др. Топографические карты как поле приложений математических методов описания окружающей среды//Экология и почвы. Избр. лекции VIII-IX Всерос. школ (1998-1999 гг.). Т. III.-M.: ПОЛТЕКС, 1999.-С.261-271.

6. Степанова В.И. Отражение корпускулярно-волнового дуализма на почвенных картах//Тез.1У Межд. конф. «Матем., компьютер, образов».-Пущино, 1999.-С. 264.

7. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И. О новом способе эколого-геоботанического картирования//Геоботаника XXI в. Мат. Всерос. научной конф.-Воронеж: ВГУ, 1999.-С. 37-40.

8. Степанова В.И. Роль человека в разрушении морских бере-гов//Ресурсы ноосферного движения. Вып. I. Мат. Международ, конф. Тез. докл.-М.: ГЕОС, 2000.-С.ЗЗ.

9. Stepanov I.N., Loshakova N.A., Stepanova V.l. The use new maps as an information basis//Intern. Conference on Desertification.-U.A.E., Dubai, 2000-P 21.

10. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И., Федорчук В.В. Картографическое основание системной геологии//Геологическое изучение и использование недр. Информ. сб. Вып. I.-M., 2000.-С. 30-40.

11. Степанов И.Н., Лошакова H.A., Степанова В.И. Картографическое приложен, к ж. «Лик». Вып. I. Гравит., магнит, поля, энергетика почв, потоков. М 1:400 000.2001.

12. Степанова В.И. К эволюции почв Таманского полуострова в плиоцен-плейстоцене//Пробл. эволюц. почв. IV Веер. коиф. Тез. докл-Пущино, 2001.-С. 214.

13. Степанов И.Н., Филатов В.Н., Лошакова Н.А., Степанова В.И. Характеристика рельефа дна Баренцева моря по КОСМ//Геодезисть. -2002.-Ш2.-С.34.

14. Карта «Пущино - город науки». Ред. И.Н. Степанов. Составители: Степанова В.И., Баранов И.П., Мнроненко Л. М., 2002

15. Степанов И.Н., Лошакова Н.А., Степанова В.И. О структурировании почвенных ландшафтов//Философ. осмысление судеб цивилиз.-М.: РАН, 2002, Ч.З.-С. 130-133.

16. Самвелов Р.Г., Степанов И.Н., Баранов И.П., Степанова В.И. К созданию геолого-геометрической модели объемного прогноза нефтегазоносное™ Славянско-Темрюкского лицензионного участка Краснодарского края//Сб. науч. тр. по результатам науч.-техн. работ за 2003 г.-М.: ОАО «Роснефть», 2004.-С.95-111.

17. Mitusova О., Sokolova К., Stepanova V., Baranov I., Mitusov A., Strelkov A. Preliminary forecast of oil - and gas - field on land surface and surface of stratigraphy layers//32nd Internat. Geolog. Congress, Scientific Sessions abstracts part 2-Florence, Italy, 2004.-P.1003-1004.

18. Stepanova V.I. Reliefs plasticity as a new method for the search of fresh water deposits//32nd International Geological Congress - Scientific Sessions abstracts part 2.-Florence, Italy, 2004.-P. 1005.

19. Степанов И.Н., Степанова В.И., Баранов И.П. Деконцентрация и концентрация энергии в почвенно-геологических потоках Зем-ли//Дельфис. Матер. 6-ой междисциплин., научной конф.-М., 2006, С. 181-188.

20. Степанов И.Н., Степанова В.И., Баранов И.П. «Использование карт пластики рельефа на уроках географии на примере карты «Московская область. Карта пластики рельефа»//География в школе.-2007.-№2.-С. 77-78.

21. Баранов И.П., Степанова В.И. Москва на семи холмах//Геодезия и картография.-2007.-№ 8.-С. 28-31.

22. Степанов И.Н., Баранов И.П., Степанова В.И. Использование метода пластики рельефа при изучении дна Северного Ледовитого океа-на//Организация почвенных систем. Сборник статей, Т. If—Пущино, 2007 - С.364-369.

23. Степанова В.И. Составление крупномасштабных почвенных карт методом пластики рельефа/Юрганизация почвенных систем. Т.Н.- Пущино, 2007.-С.373-377.

24. Присяжнюк С.П., Степанова В.И., Степанов И.Н. Системный подход при изучении рельефа дна Северного Ледовитого океа-на»//Информация и Космос.-2008.-№ 1.-С. 5-12.

25. Степанов И.Н., Баранов И.П., Степанова В.И. Опыт картографического изучения пластики рельефа дна Северного Ледовитого океана// Доклады АН.-2008, Т. 423.-№2.-С. 257-261.

26. Степанова В.И. Использование метода пластики рельефа при составлении почвенных и агрохимических карт//Мат. респуб. научно-практ. конф. «Научно-методические основы создания национал, атласа Узбе-кист» -Ташкент, 2009.-С.73-74.

27. Степанова В.И. О новом геоинформационном содержании поч-венно-агрохимических карт//Агрохимия.-2009.-№7.-С. 81-84.

28. Степанов И.Н., Степанова В.И., Баранов И.П., Голубчиков Ю.Н. О малоизвестной почвенной карте Московской губернии М.М.Филатова//Геоэкология.-2009.-№4.-С.358-370.

29. Баранов И.П., Степанова В.И. Опыт применения симметрии для повышения информативности почвенно-экологических структур//Конф. «Математическое моделирование в экологии», ЭкоМатМод-2009-Пущино, 2009,- С.20.

30. Степанов И.Н., Степанова В.И., Баранов И.П., Винокуров И.Ю. Потоки карт пластики рельефа - физико-математические экологические системы // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2009, Том "11 .-№ 1(7).-2009,-С.1609-1616.

31. Степанова В.И. Планирование полевого эксперимента в земледелии на основе применения карт потоковых почвенных структур// Материалы Всероссийской научной конференции, посвященной 40-летнему юбилею Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 2010 г., С. 288-289.

Подписано в печать 24.12.2010г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Заказ 319. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2010, Орел, Бульвар Победы, 19