УДК 911.52:631.58
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1303-1308
ВЫЯВЛЕНИЕ И АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СОВРЕМЕННОГО АГРОЛАНДШАФТА БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ СОХРАНЕНИЯ СТЕПЕЙ
IDENTIFICATION AND ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF THE MODERN AGROLANDSCAPE OF THE BELGOROD REGION FOR THE PURPOSES OF STEPPE CONSERVATION
Тишков А.А.1,2, Белоновская Е.А.1, Игнатенко И.М.2, Кренке А.Н.1, Некрич А.С.1, Суховеева О.Э.1, Титова С.В.1, Царевская Н.Г.1, Чендев Ю.Г.2, Чвырев А.А.1
Tishkov A.A.1,2, Belonovskaya E.A.1, Ignatenko I.M.2, Krenke A.N.1, Nekrich A.S.1, Sukhoveeva O.E.1, Titova S.V.1, Tsarevskaya N.G.1, Chendev Yu.G.2, Chvyrev A.A.1
1Институт географии РАН, Москва, Россия
2Белгородский государственный университет, Белгород, Россия
1Institute of geography RAS, Moscow, Russia
2Belgorod National Research University, Belgorod, Russia
E-mail: 1tishkov@igras.ru, 2ignatenko_i@bsu.edu.ru
Аннотация. В рамках первого этапа исследований по договору Института географии РАН и Института наук о Земле НИУ БелГУ «Выполнение работ по агроэкологической оценке сельскохозяйственных земель Белгородской области …» (2023) сделана попытка оценить структуру современного агроландшафта Белгородской области и перспективы его оптимизации по «углеродному критерию» для сохранения и восстановления местных степей и реального перехода к адаптивно-ландшафтному природопользованию (земледелию). Использовались методы дистанционного мониторинга, материалы периодической кадастровой оценки и мониторинга земель сельскохозяйственного назначения, включая Единую федеральную информационную систему о землях сельскохозяйственного назначения. Они позволяют подробно выявлять тренды в динамике структуры агроландшафта региона, качественных и количественных характеристик его пространственных элементов, строить карты актуального землепользования, характеристик почв и др.
«Углеродный критерий» оптимизации агроландшафта складывался из пространственных сопоставлений депонирования и эмиссии углерода в разных элементах ландшафта и предложений по изменениям их площади в пользу более углеродоемких (например, зональные степи на черноземах или молодых лесов на послелесной пашне). Выделяется категория земель («реставрационный фонд»), которые приоритетно могут включаться в восстановительный цикл для расширения площади зональных степей Белгородской области.
Ключевые слова: Белгородская область, агроландшафт, структура, оптимизация, сохранение степей, черноземы, запасы гумуса, сукцессии, «углеродный критерий».
Abstract. As part of the first stage of research under the agreement of the Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences and the Institute of Earth Sciences of the National Research University of Belarus "Performance of works on agroecological assessment of agricultural lands of the Belgorod region ..." (2023), an attempt was made to assess the structure of the modern agricultural landscape of the Belgorod region and the prospects for its optimization according to the "carbon criterion" for the preservation and restoration of local steppes and a real transition to adaptive-landscape nature management (farming). The methods of remote monitoring, materials of periodic cadastral assessment and monitoring of agricultural lands, including the Unified Federal Information System on Agricultural Lands, were used. They allow us to identify in detail trends in the dynamics of the structure of the agricultural landscape of the region, qualitative and quantitative characteristics of its spatial elements, to build maps of current land use, soil characteristics, etc. The "carbon criterion" for optimizing the agricultural landscape consisted of spatial comparisons of carbon deposition and emission in different elements of the landscape and proposals for changes in their area in favor of more carbon-intensive ones (for example, zonal steppes on chernozems or young forests on post-forest arable land). A category of lands ("restoration fund") is allocated, which can be included in the restoration cycle as a priority to expand the area of the zonal steppes of the Belgorod region.
Key words: Belgorod region, agricultural landscape, structure, optimization, steppe conservation, chernozems, humus reserves, successions, "carbon criterion".
Введение. В нашей публикации [1], посвященной меняющейся структуре агроландшафта Белгородской области, было декларировано, что наблюдаемое «сужение» площади аграрного пространства пока никак не сказывается на территориальной охране зональных степей, способных эффективно сохранять степное биоразнообразие и накапливать углерод в черноземных почвах.
Понятно, что в таких староосвоенных аграрных регионах, как Белгородская область, только оптимизация структуры степного агроландшафта с высвобождением части площадей неэффективной пашни для инициации восстановительной сукцессии позволит региону приблизится к решению задач восстановления зональных степей и формирования «углеродного нейтрального земледелия», при котором восстанавливающиеся степи на черноземах компенсируют за счет аккумуляции углерода его вековые потери на пашне [2-5]. Актуальность этого возрастает и с наблюдаемым снижением продуктивности природных и полуприродных травяных экосистем Северной Евразии на фоне климатических изменений и роста засушливости климата в семиаридных зонах на – 6% за 10 лет [6]. В Белгородской области эффект роста засушливости, особенно в южных районах области, отмечен нами в числе реальных угроз стабильности регионального развития и аграрного производства. Поэтому, даже в рамках адаптации сельского хозяйства региона к изменениям климата уже на настоящем этапе важно определить набор механизмов пространственной оптимизации агроландшафта, повышающих его устойчивость и продуктивность. А возможности в ее процессе для дополнительного решения и проблем территориальной охраны зональных степей будут зависеть от того, как методически правильно использовать для этого «углеродный критерий».
«Углеродный критерий» конкретно для сохранения степей и создания новых степных ООПТ предложен нами как механизм территориальной защиты сохранившихся степных участков староосвоенных черноземных регионов и стимулирования их восстановления на послестепных участках пашни через залежную сукцессию. Этот критерий позволит в перспективе не только расширить площади действующих степных ООПТ до устойчивых, полноценных и репрезентативных в отношении сохранения степной биоты территорий, но и аргументированно ляжет в обоснование создания новых крупных степных ООПТ на эродированных низкопродуктивных, выведенных из производства участках степной пашни.
В настоящей статье рассмотрены подходы к оценке структуры современного агроландшафта Белгородской области и перспективы его оптимизации по «углеродному критерию» для целей сохранения и восстановления местных степей.
Материалы и методы. Для оценки изменчивости агроландшафта Белгородской области используется комплекс мониторинговой дистанционной информации, получаемой на платформе Европейского Космического Агентства (European Space Agency (ESA)) на основе снимков Sentinel с разрешением 10 м (с начала 2000-х годов). А также цифровые модели рельефа. Первая – ALOS Global Digital Surface Model "ALOS World 3D – 30m (AW3D30)". Этот набор данных представляет собой глобальную цифровую модель поверхности (DSM) с горизонтальным разрешением приблизительно 30 метров (в основном 1 угловая секунда), созданную панхроматическим прибором дистанционного зондирования для стереокартирования (PRISM), который был оптическим датчиком на борту усовершенствованного спутника наблюдения за сушей "ALOS". Вторая – коллекция миссии по радиолокационной топографии шаттла (SRTM, The Shuttle Radar Topography Mission). Разрешение также составляет примерно 1 угловую секунду (около 30 м).
Изменчивость элементов агроландшафта – пашни, лесных насаждений, пойм, сохранившихся степей и др. фиксируется с помощью материалов глобальной платформы LandCover (рисунок 1). Интерпретация данных подтверждает, что плакоры, ранее занимаемые степями, остаются эталоном географической зональности, отражая основные черты лесостепного ландшафта юго-востока Русской равнины. Приурочены к приводораздельным пространствам и представлены хорошо дренированными возвышенностями междуречий. Плакорные ландшафты, в целом по области, занимают около 30% от общей площади территории (рисунок 2). Избранная верификация показала, что любой слой (пашня, степь, лес) можно использовать для такого староосвоенного региона как Белгородская область, как вполне достоверный. Не отображены в основном изменения, касающиеся последних лет, где произошла распашка заросших древесно-кустарниковой растительностью залежей.
Рисунок 1. Образ Белгородской области, полученный на платформе LandCover.
Рисунок 2. Распространение плакорных ландшафтов Белгородской области [7].
Для интеграции «углеродного критерия» в предложения по оптимизации агроландшафта и сохранению зональных степей Белгородской области использовалась широко распространенная углеродная модель RothC (Rothamsted Long Term Field Experiments Carbon Model, Углеродная модель Ротамстедского длительного полевого опыта, версия 26.3), подходящая для любых автоморфных почв. Ранее она была успешно верифицирована на примере пахотных почв Курской области [8]. Модель сейчас настроена для условий Белгородской области в соответствии с разработанной методикой [9]. В настоящем исследовании были проведены модельные эксперименты для воспроизведения основных потоков углерода – динамики почвенного органического углерода (Сорг) и эмиссии СО2 из почвы (дыхание почвы).
В качестве объектов для рассмотрения «углеродного критерия» были выбраны целинная некосимая степь, залежь возрастом 5-10 лет и пять наиболее распространенных в Белгородской области культур – озимая и яровая пшеница, кукуруза на зерно, соя и подсолнечник, совокупная площадь которых превышает 70% пахотных земель области (более 1 тыс. га ежегодно за 2000-2020 гг.). Сведения о посевных площадях, урожайности культур и вносимых под них органических удобрениях были взяты базы данных Росстата (ЕМИСС, https://www.fedstat.ru/). В почвенном покрове Белгородской области преобладают типичные и выщелоченные черноземы (Haplic Chernozems). Запасы Сорг в почве и микробной биомассе пашен, залежей и степей были взяты из работы Кургановой с соавт. [10]. Расчет строился на основе средних многолетних метеоданных по станциям Валуйки и Готня за 1991-2020 гг. (ВНИИ ГМИ – МЦД, http://meteo.ru/data). В целом углеродные характеристики ландшафта (запасы и скорости депонирования Сорг и эмиссии СО2) относятся к важным энергетическим параметрам, которые могут быть рассчитаны и по мультиспектральной дистанционной информации, например при анализе материалов сканерной съемки Landsat 8 OLI TIRS. Для степных ландшафтов Белгородской области и соседних областей в последние годы эти методы применяли Ю.Г. Пузаченко, А.Н. Кренке и Р.Б. Сандлевский [11, 12]. Несомненно, углеродный критерий позволяет не только выявлять актуальную структуру агроландшафта, т.к. он коррелирует с показателями продуктивности, но и мониторить ее изменчивость.
Результаты и их обсуждение. Известно, что степные экосистемы России выступают стоком углерода атмосферы, и с учетом залежных земель они ежегодно могут поглощать по разным оценкам до 100-150 Мт С-СО2. Однако, староосвоенные черноземные регионы с высокой долей распашки и эродированных земель, как это наблюдается в Белгородской области, имею преобладание эмиссии и ежегодные потери, накопленного почвенного гумуса. Не все особенности динамики углерода здесь можно выявить дистанционно. Поэтому прямое определение баланса углерода (суммарно и отдельно для элементов агроландшафтв) является сегодня одним из самых перспективных и надежных методов оценки способности степных ландшафтов к поглощению и чистому депонированию углерода. Поскольку, величина углеродного баланса в естественных и аграрных элементах агроландшафта сильно варьирует, то для получения надежных оценок роли первых (степей) в бюджете углерода регионального агроландшафта необходимо расширять сеть прямых наблюдений за потоками СО2 и их длительность, а главное – анализировать структуру агроландшафта для поиска направлений ее оптимизации. Наши оценки, полученные для настоящего исследования, являются экспертными и в процессе будущей работы будут уточнены на основе новых экспериментальных данных и на основе модельных расчетов.
В Белгородской области уже разработаны и внедряются проекты адаптивно-ландшафтных систем земледелия [13], позволяющие с позиций аграрного производства рекомендовать технологии, повышающие устойчивость ландшафта, поддержание плодородия почв и сохранение степей. Внедряются и некоторые элементы методологии ландшафтно-экологической оптимизации природопользования в целом [14], и агроландшафта староосвоенных регионов черноземных областей. Мы полагаем, что ключ к этому в условиях староосвоенного степного региона Европейской России лежит в совершенствовании самой структуры агроландшафта, Она выявляется на основе рядов мультиспектральной информации, цифровых моделей рельефа и пр., имеющихся в системе ЕФИС ЗСН картографических материалов, с использованием методов машинного обучения и непараметрического анализа для построения моделей с задачей выявления свойств агроландшафта и его отдельных элементов, а также базируясь на результатах ретроспективного анализа и пространственного синтеза изменчивости агроландшафта. Имеющиеся системы периодической кадастровой оценки и мониторинга земель сельскохозяйственного назначения, включая Единую федеральную информационную систему о землях сельскохозяйственного назначения (https://efis.mcx.ru/landing/) позволяют достаточно подробно выявлять тренды в динамике структуры агроландшафта региона, качественных и количественных характеристик его пространственных элементов, в т.ч. пашни, строить карты землепользования, характеристик почв и содержания в них разных элементов питания, выявлять сохранившиеся степные участки. Исследования Института географии РАН, особенно дистанционные, дополняют такие материалы и способны количественно оценивать некоторые тренды, например, в продуктивности зональных ландшафтов. Для Белгородской области в целом тренд последнего десятилетия в продуктивности растительного покрова составил 6% [6].
Ожидаемо, запасы Сорг в пахотных почвах Белгородской области убывают со скоростью от 0,31 до 0,59 т С га-1 год-1, прежде всего за счет отчуждения фитомассы при уборке урожая. Полученные результаты сопоставимы с потерями углерода из пахотных черноземов Курской области – 0,20-0,50 т С га-1 год-1 [8]. Полученные данные акцентируют внимание на возможности при составлении севооборотов увеличить количество культур, способствующих наименьшему снижению запасов Сорг. Накопление Сорг возможно только на некосимой степи, углеродный цикл которой замкнут, а отмирающая фитомасса вовлекается в почвенные процессы деструкции. Таким образом, второй способ восполнить недостаток углерода в пахотных почвах состоит в засеве их многолетними травами или сидератами, фитомасса которых будет запахиваться. Потери углерода из почвы молодых залежей объясняются постепенным ростом фитомассы, количества которой пока недостаточно для восполнения дефицита Сорг, образовавшегося в результате сельскохозяйственного использования.
Наиболее интенсивная эмиссия СО2 из почвы отмечается в природных экосистемах – более 5 т С га-1 год-1. Это обусловлено как наибольшими запасами Сорг и микробной биомассы, так и активным развитием корней, дыхание которых является одним из важнейших компонентов дыхания почвы. Эмиссия СО2 из пахотных почв колеблется в интервале 3,44-4,58 т С га-1 год-1.
Одной из ключевых проблем Белгородской области является отсутствие или недостаточное внесение органических удобрений на пашню (5-8 т/га), что в пересчете на углерод составляет примерно 400-660 кг С/га. При таком их количестве потери Сорг из почвы сокращаются лишь на 0,02-0,04 т С га-1 год-1, а эмиссия СО2 незначительно увеличивается на 0,05-0,10 т С га-1 год-1. Таким образом, есть возможность восполнить пул Сорг в пахотных почвах, в том числе и за счет увеличения количества вносимых органических удобрений, но в целом для оптимизации агроландшафта по «углеродному критерию» возможно использование выведения из оборота малопродуктивной пашни с ее зацеливанием и в перспективе включением в этих участков в ООПТ. Скорости накопления углерода в восстановительной сукцессии позволят решать эту проблему эффективно.
Заключение. В заключении отметим, что использование двух рассмотренных в докладе подходов для сохранения и восстановления зональных степей в староосвоенных черноземных регионах европейской России – оптимизации структуры агродандшафта и применение «углеродного критерия» – наиболее перспективные и для расширения площадей степных ООПТ и для сохранения пуля степного биоразнообразия. Белгородская область – идеальный модельный регион для решения этих проблем.
Работа выполнена в рамках договора Института географии РАН и НИУ БелГУ
«Выполнение работ по агроэкологической оценке сельскохозяйственных земель Белгородской области и разработке методов управления гидролого-геохимическими процессами и восстановления водного режима» (2023) и по теме Государственного задания Института географии РАН №№ FMGE-2024-0007.
Список литературы
Smelansky I.E., Tishkov A.A. The Steppe Biome in Russia: Ecosystem Services, Conservation Status, and Actual Challenges // Eurasian Steppes. Ecological Problems and Livelihoods in a Changing World, Plant and Vegetation. 2012. Vol. 6. P. 45-101.