Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ И ЦИФРОВАЯ МЕЛИОРАЦИЯ: МЕТОДИЧЕСКИЙ АСПЕКТ

Напрасников А.Т. 1
1 Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН
В современных условиях возникла необходимость обоснования эффективной цифровой мелиорации, приемлемой в периоды строительства мелиоративных систем – от выбора местоположения, проектирования, рекультивации до эксплуатации. Цифровая мелиорация обосновывается как модель оптимального и оперативного землепользования. Показана структура мелиоративной системы. Она содержит одновременно природные, хозяйственные и технические элементы. В мелиоративной системе ландшафты преобразуются, но сохраняют установленные человеком экологические ограничения. Обеспечивается формирование целевых природно-технических систем, не представляющих экологическую опасность природе, хозяйству и обществу. Задача решалась на положениях географии: физико-географическом процессе, как движущей природной силы; концепции сотворчества человека и природы, направленной на увеличение природного потенциала. Раскрыты статистические критерии формирования биологической продуктивности. Использовалась система «человек – мелиоративный объект», основанная на взаимодействии прямых и обратных связей. Уточнено понятие «мелиоративная система». Это не только комплекс взаимосвязанных сооружений и устройств, обеспечивающих создание благоприятных для растений воздушного и питательного режима. Они включают структуру и режимы почв, информационную сферу, в пределах ландшафта, приземной и свободной атмосферы, гидрогеологических горизонтов. Этим обосновывается принадлежность систем к природным и общественным объектам, функционирующих по согласованным географическим и социальным законам. Обосновано представление о «геоинформационной и цифровой мелиорации». Это система автоматического управления или саморегулирования мелиоративным процессом. Цифровая информация определяет передачу данных посредством цифр в форме уравнений, графиков, любых лингвистических и электронных средств или цифровых моделей. Географический информационный фактор представлен принадлежностью к земному пространству, географическим координатам. Необходимость геоинформационного и цифрового сопровождения современной мелиорации определена также анализом двух внешних мощных факторов: переходана рыночные отношения и наступившего глобального потепления климата. Россия располагает уникальным опытом экологического землепользования во всех природных зонах – от арктических до аридных.
геоинформация
цифровая мелиорация
мелиоративная система
природообустройство
экология
ноосфера
коэволюция
1. Основы природообустройства / А.И. Голованов, Т.И. Сурикова, Ю.И. Сухарев, Ф.М. Зимин. – М.: Колос, 2001. – 262 с.
2. Голованов А.И. Мелиорация земель / А.И Голованов, И.П. Айдаров. – М.: Изд-во Колос, 2012. – 824 с.
3. Айдаров И.П. Экологические основы мелиорации земель / И.П. Айдаров // Природообустройство. – 2012. – № 3. – С. 10–16.
4. Дубенок Н.Н. Мелиорация земель – основа успешного развития агропромышленного комплекса / Н.Н. Дубенок // Мелиорация и водное хозяйство. – 2013. – № 3. – С. 7–9.
5. Григорьев А.А. Закономерности строения и развития географической среды / А.А. Григорьев. – М.: Мысль, 1966. – 383 с.
6. Мезенцев В.С. Увлажненность Западно-Сибирской равнины / В.С. Мезенцев, И.В. Карнацевич. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 168 с.
7. Базилевич Н.И. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах / Н.И. Базилевич, А.А. Титлянова. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. – 380 с.
8. Михайленко И.М. Современные этапы развития теории мелиорации сельскохозяйственных земель / И.М. Михайленко // Агрофизика. – 2012. – № 1 (15). – С. 10–17.
9. Александровская Л.А. Формирование инструментально-структурного механизма управления мелиорацией земель / Л.А. Александровская, А.С. Чешев, Н.А. Шевченко // Экономика и экология территориальных образований. – 2015. – № 1. – С. 2–11.
10. Захарова Е.А. Мелиорация земель в системе управления развитием агропредприятий / Е.А. Захарова, Д.С. Линиченко // Экономика сельского хозяйства России. – 2015. – № 6. – С. 71–77.
11. Вильямс В.Р. Избранные произведения / В.Р. Вильямс. – М.: Колос, 1950. – Т. 1. – 790 с.
12. Вернадский В.И. Биосфера / В.И. Вернадский. – М.: Мысль, 1967. – 376 с.
13. Журавский П.П. Основные направления совершенствования методов оценки экономической эффективности инвестиций в мелиорацию сельскохозяйственных земель / П.П. Журавский, В.Н. Краснощеков // Природообустройство. – 2014. – № 3. – С. 87–92.
14. Черняев А.А. Проблемы мелиорации и экологии земель в Поволжье / А.А. Черняев // Аграрный научный журнал. – 2012. – № 5. – С. 97–99.
15. Кулик К.Н. Концепция адаптивного природопользования на юге России / К.Н. Кулик // Роль мелиорации земель в реализации государственной научно-технической политики в интересах устойчивого развития сельского хозяйства. – Волгоград: ВНИИОЗ, 2017. – С. 29–35.
16. Зайдельман Ф.Р. Генезис и экологические основы мелиорации почв и ландшафтов / Ф.Р. Зайдельман. – М.: КДУ, 2009. – 720 с.
17. Кирюшин В.И. Теория адаптивно-ландшафтного земледелия и проектирования агроландшафтов / В.И. Кирюшин. – М.: Колос, 2011. – 443 с.
18. Глазовский Н.Н. Устойчивость развития биосферы / Н.Н. Глазовский. – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2009 – Т. 2. – 386 с.
19. Моисеев Н.Н. Коэволюция человека и биосферы: кибернетические аспекты / Н.Н. Моисеев // Природа. – 1984. – № 1. – С. 59–67.
20. Тишков А.А. Российская Арктика: экологические ограничения хозяйственной деятельности // Россия и ее регионы: интеграционный потенциал, риски, пути перехода к устойчивому развитию / А.А. Тишков. – М.: Товарищество научных изданий КМК, 2012. – С. 425–454.
21. Глобальное изменение климата и прогноз рисков в сельском хозяйстве России. – М.: Россельхозакадемия, 2009. – 518 с.
22. Капустина Т.А. Информационные технологии планирования поливов как основа ресурсосберегающего орошаемого земледелия / Т.А. Капустина, Ф.К. Цекоева // Техника и оборудование для села. – 2015. – № 7. – С. 4–48.
23. Дубенок Н.Н. Роль мелиорации в реализации государственной научно-технической политики в интересах устойчивого развития сельского хозяйства / Н.Н. Дубенок. – Волгоград: ВНИИОЗ, 2017. – С. 25–29.
24. Напрасников А.Т. Континентально-океанические геосистемы: географо-гидрологическое единство и различие / А.Т Напрасников // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 64–71.
25. Напрасников А.Т. Географическое начало в гидрологии и мелиорации / А.Т. Напрасников // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 9. – С. 82–88.

Мелиорация осуществляется практически во всех ландшафтах планеты, частично их преобразовывает. Однако все ее виды и способы традиционно однообразные, технические, не отражают природную системность. Эта проблема решалась в фундаментальных работах А.Н. Голованова с соавторами [1, 2], И.П. Айдарова [3], Н.Н. Дубенок [4]. Дополнительно проанализировано еще около 50 работ по мелиорации за последние 10 лет. Однако ни в одной из них не отражено главное свойство мелиорации планеты – ее системное единство с географией, выраженное посредством географической и цифровой информации. Поэтому объектом исследований данной работы явилась геоинформационная и цифровая мелиорация, предметом – теоретико-методическое направление в современной мелиорации. Основная цель работы – обоснование оптимизации экологических процессов и мелиоративной деятельности.

Основы географические и цифровые мелиорации

Основные положения географии отражают ее общность с мелиорацией. Так, все географические явления любых форм принадлежат планете Земля и определяются ее признаками. Географические системы – это переменные состояния природных комплексов, к ним относятся и мелиоративные объекты. Природно-технические системы функционируют по согласованным природным и социальным законам. Приведенные признаки отражают единство и различие мелиоративных и географических систем.

В ХХ веке выполнены фундаментальные исследования по интенсивности физико-географического процесса [5–7]. В них обосновано оптимальное развитие процесса с эквивалентным равенством ресурсов тепла и влаги. При нем формируется максимальная биологическая продуктивность растений. Здесь ресурсы тепла и влаги, продуктивность растений оказались оптимальными мелиоративными характеристиками. Они определяют не только вектор развития географического процесса, но и являются точкой отсчета норм орошения и осушения в мелиорации. Практически – физико-географический процесс определил географо-цифровую модель построения, эксплуатации и создания совершенных природно-технических системы с характерными свойствами управления, экологического и экономического сопровождения.

Имеется множество предложений по управлению такими системами. Более детально проанализированы приемы управления водными режимами мелиорируемых полей в работах И.М. Михайленко [8], Л.А. Александровской с соавт. [9], Е.А. Захаровой с соавт. [10]. Однако все они, локальные или региональные, могут быть некоторым примером функционирования систем будущего. Возникает необходимость в поиске единой стратегии управления мелиоративным процессов в разномасштабных системах. Предстоит строить мелиоративные системы с заранее установленным автоматическим или саморегулирующим управлением с необходимыми экологическими ограничениями. Это особый блок оптимального управления мелиоративными объектами, охватывающий практически все природные системы. Он должен быть подобен универсальному физико-географическому процессу. При решении данной задачи прекратятся споры о способах управления водными режимами почв. В науке уже известны подобные ситуации. Так, В.Р. Вильямс [11], несмотря на ряд ошибочных мелиоративных положений, четко сформулировал представление об эволюции органического мира, как главной движущей силы эволюции почв. Его концепция совпала с биогеохимическими идеями В.И. Вернадского [12]. Видимо, стратегическое (планетарное) решение задач управления географическими системами, их переменными мелиоративными состояниями следует соизмерять с эволюцией почв, с экологией ландшафтов.

Методической проблемой остается сравнительная оценка экологических и экономических затрат на эффективную деятельность природно-технических систем – безопасных для природы и человека. Данной проблеме посвящено много работ [3, 13–15]. Эти научно-практические исследования крайне необходимы. Однако в них односторонне и регионально освещаются приоритеты экологии или экономики. Нет масштабного сравнительного анализа – пределов ограничения экологических или мелиоративных эффектов, определения их равноценности, безвредного влияния на среду обитания человека. С этих позиций новую мелиорацию следует рассматривать как систему, в которой взаимодействие природы и общества осуществляется в пределах соразмерных экологических и экономических затрат, с экологическим приоритетом.

Проблема цифровой мелиорации появилась давно. Однако применялись математические приемы практически раздельно при выборе местоположения, рекультивации, строительстве, эксплуатации и сборе урожая. Это не всегда обеспечивало ожидаемый эффект. Возникла необходимость в создании единой математической модели всего мелиоративного процесса, как согласованных множественных взаимодействующих этапов мелиоративной деятельности. Задача определяется не только созданием стратегических приемов формирования для всех частей мелиоративной системы, но и обеспечением методических основ их взаимной согласованности и оптимизации. Современный научно-технический прогресс уже может решить данную задачу.

Важной проблемой остается поиск географической и цифровой информации не только в самих системах, в центрах, управляемых ими, но и в пределах географической оболочки и прилегающих к ней сфера, оказывающих прямое или косвенное влияние. Масштаб информационной среды оказывается планетарно-космическим, ограниченным тепловым излучением Солнца. В данных информационных пределах между составляющими природы, хозяйств и техники следует обосновывать решения целевых задач наземной мелиорации.

Таким образом, геоинформационная и цифровая мелиорация – это система мероприятий строительства и совершенствования мелиоративного объекта с информационной структурой. Информационное поле мелиоративной системы обширное: от элементарного наземного объекта, биосферы, географической оболочки до космического пространства. Здесь особенно следует знать сферу мелиоративного воздействия [16, 17].

В анализируемом мелиоративном пространстве важное место занимает «диалог» человека с мелиоративной системой. Потребность в нем возникла в связи с поиском управления человеком мелиоративным объектом, а также с совершенствованием его отдельных структур и режимов. Конкретно «диалог» определяется взаимодействием человека с элементами системы, основанным на прямых и обратных связях между ними.

Статистические пределы формирования мелиоративных и биологических систем

В мелиоративных системах сохранились многие экологические свойства прежней природы, но привнесены и новые. Состав культурных растений оказался с низким биоразнообразием, высокой продуктивностью, но с пониженной устойчивостью [18].

В природе имеют место несколько подобные естественные состояния географических систем – лесостепи, саванны, прерии, разделяющие влажные и аридные ландшафты. Определяются они как «экотон» – с максимальной продуктивностью. Это зоны равенства тепла и влаги с неустойчивым, переменным режимом отражают оптимальные сочетания тепла и влаги при наименьшей влагоемкости почв.

В мелиоративном почвоведении наименьшая влагоемкость рассматривается как средняя арифметическая величина оптимального увлажнения почв, обеспечивающая оптимальную (максимальную) биологическую продуктивность растений. Крайние отклонения от нее – это критические состояния увлажнения, при которых продуктивность растений минимальная или совсем не воспроизводится. Так, в условиях избыточного увлажнения полная влагоемкость почв превышает наименьшую (НВ) в 1,33 раза, а влажность завядания составляет 0,68–0,72 НВ. В обоих случаях отклонения от НВ находятся в пределах 30–34 %.

В статистике при стандартной (квадратической) величине, равной ±1, двухстороннее отклонение от среднего арифметического значения, охватывает 68 % всех отклонений. Одностороннее составляет 34 %. С большим приближением коэффициент парной корреляции в диапазоне ±σ (68 %) возможно принять за предел максимальной вероятности развития растений суши. Однако в природе даже после катастрофических климатических изменений растительность, благодаря сохранившейся корневой системе, быстро восстанавливается [7]. В данном случае растительность выступает мощнейшим стабилизирующим фактором.

Приведенные мелиоративные изменения влажности почв следует оценивать как пределы применения геоинформационной и цифровой мелиорации. За данными пределами имеют место естественные проявления катастрофических природных процессов и рисков.

Географические пределы пространственных изменений ресурсов тепла и влаги

В Иркутской области, Республике Бурятия и Забайкальском крае выявлено от 4 до 9 пространственных корреляций температур и осадков с высотами местности. Это внутриконтинентальные региональные географические системы дисперсные, но с единым функционированием в пределах 90000 до 150000 км2. Их информация представлена локальными данными метеорологических станций, изолированных в географическом пространстве.

Формирование в одном природном объекте нескольких дисперсных систем осуществляется наличием в нем независимых инвариантных структур, ограничивающих пространственное распределение влаги и тепла. Такими являются формы рельефа, которые по-разному прогреваются солнечным теплом и обеспечиваются разным количеством атмосферной влаги. Подобное явление возможно объяснить процессом диффузии – ограничивающим взаимодействие природных систем с разными энергетическим и вещественным потенциалами. В них интенсивность взаимодействия обеспечивается температурами и завершается установлением их равновесия. С высотами местности воздух расширяется, температуры понижаются, взаимодействие между географическими системами уменьшается и на определенных высотах полностью прекращается, сравнивается. Начинает формироваться единый тепловой фон приземной атмосферы.

Диффузия совместно с адиабатическим процессом существенно понижают процесс формирования осадков высоких облаков. Эти процессы с испарением капель дождя не только ограничивают приземное увлажнение, но и его прекращают. К подобным дисперсно-адиабатическим системам относятся субконтинентальные физико-географические области и природные зоны. Обусловлены они особым строением земной коры и круговоротом «континент – океан». Если множественные типы увлажнения планеты разделить по ландшафтным признакам, то суммарная величина переувлажненных почв составит 68 млн км2 (46 %), сухих – 61 млн км2 (44 %), оптимального увлажнения – 4,4 млн км2 (3 %). Их планетарный баланс подтверждает однотипное независимое увлажнение и в то же время нахождение в единой дисперсно-адиабатической географической системе.

Главное свойство дисперсно-функционирующих географических и мелиоративных систем – это сетевое распределение элементов природы земной поверхности. Составляют они специализированный класс природных объектов, которые не охватывают все пространство. Если по каким-то причинам естественный процесс замещается иным более мощным пространственным явлением, дисперсно-функционирующие системы разрушаются, приобретают иные экстремальные свойства.

Экстремальные природные явления

Геоинформационная и цифровая мелиорация сформировалась из недр хозяйственной деятельности человек. Выявлено, что любое природопользование трансформирует географическую оболочку. Возникла проблема сохранения экосистем планеты. Истории известен факт гибели ассиро-вавилонской цивилизации. В шестом веке до новой эры была осуществлена попытка расширения ирригационной системы в бассейне Тигра и Евфрата за счет вод гор. Мощные водные потоки выносили много горных пород на поля. Мелиоративные системы перестали выполнять хозяйственные функции, что привело к гибели цивилизации.

Н.Н. Моисеев [19] осуществил моделирование глобальной окружающей природной среды применительно к разным сценариям развития мира и выявил, что угроза ядерной войны является не военной, а антропогенной, глобальной экологической катастрофой планетарного масштаба, выраженной «ядерной ночью» или «ядерной зимой».

Известны и «вулканические зимы», которые порождаются мощными извержениями вулканов, накоплением пыли в атмосфере, сокращением притока солнечного тепла. Сопровождаются сильнейшими холодами и снегопадами. Ряд ученых утверждают, что извержение вулкана Тобо на о. Суматра сократило численность людей планеты до 10 тыс., а землетрясение в Карпатах стало причиной вымирания неандертальцев. В настоящее время в Америке предсказывают извержение супервулкана Иеллоустона. Его последствия могут погубить природу и человечество всего северного континента. В этой связи проанализируем явление – «черные ландшафты». Имеется в виду превращение земель суши в агроландшафты. Вспаханная земля, как черное тело, получает максимальное количество тепла. В естественных ландшафтах приток тепла меньший. При их мелиорации разница в притоке тепла может увеличиваться на 10–20 %. Это не столь огромные изменения. Распаханные земли составляют около 10 % площади суши Земли. Они быстро зарастают, покрываются снегом в умеренных и арктических широтах [20]. В итоге «черные ландшафты» не представляют угрозу человечеству. Однако региональные изменения могут быть существенными: увеличится испарение с полей, уменьшится сток, возрастет водная эрозия во время ливней.

Мелиоратор преобразовывает не только почву, но с ней изменяет бесчисленные связи между компонентами природы. Необходимо учитывать экологические процессы в любой мелиоративной деятельности. Мелиорация не улучшает природу, не охраняет ее, а лишь преобразует отдельные ее составляющие. В улучшении природа не нуждается, она естественно эволюционирует. При достижении предельных воздействий они могут трансформироваться и формировать планетарные катастрофы.

Формирование мелиорации в новой России

Проанализированные положения геоинформационной и цифровой мелиорации рассмотрены на фоне хозяйственной деятельности России. На протяжении последних трех десятилетий природа и общество России существенно трансформировались. Мелиорацию России преобразовали два фактора – переход на капиталистический путь развития и глобальное потепление. Мелиорация оказалась в государственно-хозяйственной неопределенности. Что касается климата, то вопрос остается дискуссионным: чего ждать – глобального потепления или ледникового периода [21]?

В данной неопределенности наука и практика отреагировали обоснованием не переменных, а более обоснованных инвариантных факторов развития новой мелиорации [22, 23]. Ее сдвиг произошел в предсказуемые информационные поля законов множественных фундаментальных наук: физики, географии, биологии, климатологии, почвоведении. Началась формироваться мелиорация как фундаментальная наука о природно-технических системах, включающих элементы природы, общества, информационную сферу. При этом обоснование объекта мелиорации, установление его функциональных, информационных основ стало главным. С таким содержанием сформировалась мелиоративная матрица России – «Геоинформационная и цифровая мелиорация». Прежняя мелиорация выполнила историческое назначение, а новая начала формироваться на эколого-экономических и географических основах [17]. Ряд её положений были опубликованы автором работы ранее [24, 25].

Заключение

Обосновано новое направление – географическая и цифровая мелиорация на положениях оптимального географического и эколого-хозяйственного функционирования мелиоративных систем. Запрограммированы они на сохранение экосистем и эффективную мелиоративную деятельность.

Дано определение новой мелиорации – геоинформационной и цифровой, как системе с мелиоративным объектом (ядром), информационной сферой и механизмом, управляемой человеком. Обоснована информационная среда мелиоративного объекта, которая изменяется от элементарного природного комплекса до планетарно-космического. Установлена структура мелиоративной системы. Она содержит согласованное единство географических, биологических, социальных и технических свойств системы. На данной согласованности проанализирован ряд мелиоративных аспектов, обеспечивающих формирование оптимизированных природно-технических систем.

Концепции ноосферы, коэволюции, природообустройства явились определяющим вектором современного научного познания мелиоративного единства природы и общества. Началось формирование прогрессивного научно-производственного направления – геоинформационная и цифровая мелиорация. Это взаимодействие природных и технических систем направлено на решение проблем продовольственной безопасности и эффективного жизнеобеспечения человека.


Библиографическая ссылка

Напрасников А.Т. ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ И ЦИФРОВАЯ МЕЛИОРАЦИЯ: МЕТОДИЧЕСКИЙ АСПЕКТ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 7. – С. 209-214;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36827 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674