ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF LANDSCAPES PRODUCTIVITY OF NORTHERN KAZAKHSTAN

Адильбектеги Г.А.¹, Мустафаев Ж.С.²

¹ ORCID: 0000-0002-1521-0145, Кандидат географических наук, Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева, г. Астана, Казахстан, ² ORCID: 0000-0003-2425-8148, Доктор технических наук, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы, Казахстан

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОДУКТИВНОСТИ ЛАНДШАФТОВ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

Аннотация

На основе законов экологии и биологии разработана интегральная модель экологической оценки продуктивности ландшафтов, включающая преимущественно оценку продуктивности растений и почвы, которые позволяют определить закономерности функционирования и районирования природных систем в зависимости от широтной зональности и высотной поясности.

Ключевые слова: закон, продуктивность, растения, почвы, ландшафт, природа, система, прогноз, модель, моделирование, оценка, экология, биология.

Adilbektegi G.A.¹, Mustafayev Zh.S.²

¹ ORCID: 0000-0002-1521-0145, PhD in Geography, Eurasian National University named after L.N. Gumilyov, Astana, Kazakhstan, ² ORCID: 0000-0003-2425-8148, PhD in Engineering, Kazakh National Agrarian University, Almaty, Kazakhstan

ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF LANDSCAPES PRODUCTIVITY OF NORTHERN KAZAKHSTAN

Abstract

On the basis of the laws of ecology and biology, developed an integrated model of efficiency environmental assessment landscape, including primarily an assessment of plant productivity and soil that can determine patterns of functioning of natural systems and zoning depending on latitudinal zonation and altitudinal zones.

Keywords: law, productivity, plants, soil, landscape, nature, system, forecast, model, modeling, assessment, ecology, biology.

Актуальность. Решение ряда важных вопросов географии - ландшафтно-географическое районирование, связано с необходимостью надежного количественного прогноза продуктивности ландшафта. К числу таких проблем относятся: ландшафтно-экологическое районирование природной системы; рациональное размещение производительных сил агропромышленного комплекса;  эколого-экономическая оценка земель.

Как известно, компоненты ландшафта образуют такую неразрывную, взаимосвязанную геосистему, что управление или изменение одного из них неприемлемо. В связи с этим комплексная экологическая оценка продуктивности ландшафтов должна включать частные оценки составляющих его компонентов: почвы и растений.

В связи с этим  наиболее актуальной задачей оценки экологического состояния природных ландшафтов является необходимость разработки методов экологической оценки продуктивности ландшафтов, которые должны включать частные оценки продуктивности его составляющих, лежащие в основе комплексной или интегральной характеристики климатических, почвенных и других факторов, оказывающих влияние на продуктивность природных систем

Цель исследования.Разработка интегральной модели экологической оценки продуктивности ландшафтов, включающая преимущественно оценку продуктивности растений и почвы, что позволяет определить закономерности функционирования и районирования природных систем в зависимости от широтной зональности и высотной поясности.

Методика исследования.Решение сложных задач моделирования экологической продуктивности ландшафтов базируется на методологии системных исследований в области географии и экологии, а также на методах математического моделирования продукционного процесса в биологии. На основе законов экологии и биологии, а также системы интегральных критериев и дифференциального уравнения ростовой функции растительного покрова Ж.С. Мустафаевым и Г.А. Адильбектеги разработана методика экологической оценки продуктивности ландшафтов [1-2].

Результаты исследования. Современные достижения в области географии, экологии, экологической биоэнергетики и метеорологии позволяют на основе системного изучения эколого-функциональных характеристик компонентов природной системы разработать методы надежной количественной и качественной оценки продуктивности ландшафтов.

Моделирование экологической оценки продуктивности ландшафтов. Живые организмы и их сообщества в природной системе представляют собой адаптивные саморегулирующиеся системы. Осуществление ими своих биологических функций сопровождается расходованием энергии, полученной из окружающей среды. Все процессы, протекающие в организмах или их сообществах, связаны с использованием энергии, с преобразованием ее из одного вида в другой и с ее неизбежным рассеянием. При этом продуктивность или интенсивность биологического процесса в ландшафтах, во многом определяется значением коэффициента использования свободной энергии () системой данного трофического уровня, в которую он входит:

- продуктивность растений может быть определена по условию [3]:

- энергия, затрачиваемая на почвообразование [4]:

где ПУ – потенциальная продуктивность растений; С - калорийность единицы урожая органического вещества;  - энергия, затрачиваемая на почвообразование, кДж/см²;  - коэффициент, учитывающий состояние поверхности почвы;  - коэффициент использования свободной энергии:

здесь  - коэффициент использования растениями активной фотосинтетической радиации.

Продуктивность растительного сообщества ландшафтов (ПУ) зависит не только от энергетических ресурсов природной системы (R) и коэффициента использования свободной энергии (), а также от коэффициента влагообеспеченности территории (), то есть [5]:

где  - экологическая продуктивность растительного сообщества с учетом естественной влагообеспеченности ландшафтов.

В природной системе принцип энергетической сбалансированности тепла и влаги наблюдается в природных условиях, где радиационный индекс сухости равен 1.0. Поэтому, в качестве критериального уровня радиационного индекса сухости можно принять лимит в пределах 0.9-1.0.

Тогда, потенциально возможная энергия, затраченная на почвообразовательный процесс, может быть определена по выражению:

Таким образом, экологическая продуктивность ландшафтов () определяется соотношением таких осредненных индикаторных величин, как коэффициент продуктивности растений () и почвы ():  , где  - коэффициент, характеризующий экологическую продуктивность растительного сообщества: ;  - коэффициент, характер-изующий экологическую продуктивность почвы: [1-2].

В соответствии с вышеприведенной методикой выполнен расчет экологической продуктивности ландшафтов Северного Казахстана (таблица 1).

Таблица 1- Экологическая оценка продуктивности ландшафтов Северного Казахстана

Таким образом, разработанная модель экологической оценки продуктивности ландшафтов позволяет, во-первых, придать количественные значения качественным изменениям ареалов; во-вторых, моделирование трансформации природных систем при изменении климата; в-третьих, ландшафтно-экологическое районирование природных систем бассейна рек.

Моделирование экологической оценки продуктивности ландшафтовна основе биоэнергетических ресурсов природной системы.Для оценки эффективности использования ФАР сельскохозяйственными культурами можно применить коэффициент использования биоэнергетических ресурсов растений: , где БП - биоэнергетический потенциал растений, 2500 ккал/(м² год);  - коэффициент использования свободной энергии, который в естественных условиях равен 0.005.

Оценка влагообеспеченности растений осуществляется с помощью коэффициента естественного увлажнения ландшафтов: , где   - атмосферные осадки, мм;   - испаряемость, мм.

Для интегральной оценки биоэкологической продуктивности растений можно применить совокупность коэффициента использования биоэнергетических ресурсов растений () и эффективности использования атмосферных осадков (), то есть показателя биоэкологической продуктивности ландшафтов [1-2]:

Экологическая оценка продуктивности ландшафтовна основе биоэнергетических ресурсов природной системы проведена по всем метеостанциям Северного Казахстана (таблица 2).

Таблица 2- Экологическая оценка продуктивности ландшафтов Северного Казахстана на основе биоэнергетических ресурсов природной системы

При этом биоэнергетическая оценка эффективности возделывания сельскохозяйственных культур при современном антропогенном давлении на природную среду должна включать не только экономические критерии, диктуемые хозяйственными нуждами, но и экологические, исключающие ухудшения природной среды или предусматривающие ее оздоровление, если среда нарушена или потеряла устойчивость в результате высоких техногенных нагрузок.

Интегральная математическая модель экологической оценки продуктивности ландшафтов. Задачу описания требований растений и почвы к условиям среды можно свести к построению однофакторных моделей для - того момента времени и в последующем включить их в многофакторные модели как составные части. Для этого в качестве критериального фактора примем гидротермический показатель   (), тогда можно оценить продуктивности растений –   и почвы – , что дает возможность количественной оценки продуктивности земель на основе интегральных показателей и критериев[6].

Формулировка задачи моделирования формирования продуктивностей растений и почвы вытекает из анализа закономерностей жизнедеятельности самих растений и почвы, которые дают возможность предположить, что изменения продуктивностей растений и почвы при изменений факторов внешней среды   пропорциональны степени оптимальности и отклонению значения фактора  от оптимального значения , которые позволяют получить уравнения, характеризующие продуктивности ландшафтов [6]:

- биологическая продуктивность растительности:

- биологическая продуктивность почвы:

где v - эффективный коэффициент саморегулирования растительного и почвенного покрова.

На основе биологической продуктивности растительности и почвы можно оценить продуктивность ландшафтов [6]:

Однако продуктивность ландшафтов определяется не только оптимальным соотношением тепла и влаги, а и соотношением таких осредненных индикаторных величин, как температура и длительность вегетационного периода, а также гидрогеохимический режим ландшафтов, что требует необходимости учитывать их при оценке продуктивности.

В моделях прикладного характера, используемых в агрометеорологии и мелиорации сельскохозяйственных земель [7], влияние метеорологических факторов на функцию продуктивности ландшафтов учитывается эмпирически – путем умножения функции продуктивности в оптимальных условиях на функцию воздействия факторов [6]:

где  - коэффициент, характеризующий длительность вегетационного периода растений;  - коэффициент, характеризующий гидрогеохимический режим ландшафта;  - коэффициент, характеризующий температурный режим ландшафта;  - коэффициент, характеризующий качество воды речных бассейнов.

Количественные значения экологической оценки продуктивности ландшафтов с использованием разработанных методологических подходов по метеостанциям Северного Казахстана приведены в таблице 3.

Таблица 3- Экологическая оценка продуктивности ландшафтов Северного Казахстана

Таким образом, под продуктивностью сельскохозяйственных земель следует понимать комплексную характеристику ландшафта, представляющую собой биоэнергетический ресурс природной системы, выраженный через продуктивности растений и почвы. Однако в природе одновременного повышения продуктивности растений и почвы не наблюдается, так как существует противоречивые потребности факторов жизнедеятельности. Установлено также, что если в управлении природной системой выделить фактор времени, то антропогенные воздействия посредством преобразования их во времени четко проясняют изменения параметров объекта управления.

Обсуждение. Поиск числовых соотношений продуктивности земли – преобладающий элемент в научных исследованиях, по результатам которых строится прикладная часть дальнейшего практического использования их в системе природопользования и природообустройства. Действительно, как только числовые соотношения в интересующих нас процессах установлены, то теория, концепция, гипотезы и модель достигают определенной степени зрелости и принимают относительно завершенный характер.

Для соблюдения единого подхода к оценке продуктивности ландшафтов в таблице 4 приведена шкала экологической оценки продуктивности ландшафтов.

Таблица 4- Шкала экологической оценки продуктивности  ландшафтов

Выводы. Таким образом, на основе разработанных экологической,  эколого-биоэнергетической и интегральной математических моделей экологическую оценку продуктивности ландшафтов, можно вычислить не только по его теплообеспеченности и влагообеспеченности, а также по продуктивности растений и почвы, и в целом продуктивности земель с учетом геохимических и биохимических особенностей почвы. В этом случае можно получить объективную оценку сложившимся климатическим условиям продуктивности ландшафта и в эколого-экономическом аспекте обосновать размещение производительных сил с целью эффективного использования биоэнергетических ресурсов природной системы.

 

Литература

1. Мустафаев Ж.С., Адильбектеги Г.А., Сейдуалиев М.А. Экологическая оценка продуктивности ландшафтов бассейна реки Шу: Аналитический обзор.– Тараз, 2004. – 80 с.
2. Мустафаев Ж.С., Рябцев А.Д., Адильбектеги Г.А. Методологические основы оценки устойчивости и стабильности ландшафтов.-Тараз, 2007.-218 с.
3. Шатилов И.С., Чудновский А.Ф. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожая. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. – 320 с.
4. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования. - М., Наука, 1974. - 120 с.
5. Мустафаев Ж.С., Козыкеева А.Т., Рябцев А.Д. Методика оценки экологической продуктивности ландшафтов // Материалы международной научно-практической конференции / Роль мелиорации в обеспечении продовольственной безопасности России. – Москва, 2009. – С.266-271.
6. Мустафаев Ж.С., Адильбектеги Г.А. Интегральная математическая модель природной системы речных бассейнов // Теоретические и прикладные проблемы географии на рубеже столетий: Материалы междунарной научно-практической конференции, 8-9 июня 2004 г. - Алматы, 2004. – С. 84-88.
7. Малакина И.Г. Моделирование фенологического развития сельскохозяйственных растений // Вестник сельскохозяйственной науки. – М., 1986. - №7. – С.133-135.

 References

1. Mustafayev Zh.S., Adilbektegi G.A., Seydualiev M.A. Ekology productivity assessment landscape Basin Shu: Analytical obzor.-Taraz, 2004.-80 p.
2. Mustafayev Zh.S, Ryabtsev A.D., Adilbektegi G.A. The methodological framework for the assessment of sustainability and stability landshaftov.-Taraz, 2007.-218 with.
3. Shatila I.S., Chudnovsky A.F. Agro, agro-meteorological and agronomic crops basics of programming. - L .: Gidrometeoizdat, 1980. - 320 p.
4. VolobuevV.R .Introduction to the power of soil. -M., Nauka, 1974.-120 p.
5. Mustafayev Zh.S., Kozykeeva A.T., Ryabtsev A.D. Methods for assessing the ecological production landscapes // Proceedings of the international scientific-practical conference / reclamation role in ensuring food security of Russia. - Moscow, 2009. - S.266-271.
6. Mustafayev Zh.S., Adilbektegi G.A. Integrated mathematical model of the natural system of river basins // Theoretical and applied problems of geography at the turn of the century: Mater. Intern.Scient.Conf., June 8-9, 2004 - Almaty, 2004. - P. 84-88.
7. Malakina I.G. Simulation of phenological development of crops // Bulletin of Agricultural Science. - M., 1986. - №7. - S.133-135.