Описание проекта
Обостряющиеся противоречия интенсификации и экологизации сельскохозяйственного производства определяют глобальную повестку устойчивого развития человечества и входят в перечень наиболее значимых вызовов научно-технологического развития Российской Федерации. Сложившиеся зональные системы земледелия, ориентированные на среднемноголетние агроклиматические параметры, требуют учета вероятностных оценок их изменчивости в разных пространственно-временных масштабах. Важное значение приобретает разработка научно-методической и технологической стратегии адаптации земледелия к глобальным процессам изменения климата и деградации почв. Она должна включать методологию оценки последствий изменения климата и деградации почв в агросфере, прогноза и преодоления рисков средствами химизации, мелиорации и технологическими приемами. Данные задачи четко сформулированы в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации (2016) и определены в важнейших международных соглашениях – Конвенции ООН об изменении климата и Конвенции ООН по борьбе с опустыниванием.
Решение противоречивых задач интенсификации и экологизации земледелия связано с формализацией и автоматизацией методических и организационно-технических процедур управления на основе цифровых технологий. В настоящее время научно-технический прогресс и, прежде всего, уровень развития информационных технологий позволяет реализовать научно-методические наработки в виде цифровых платформ управления агропромышленным комплексом на разных уровнях его организации. Это касается как автоматизированного сбора природно-агрономических и производственных показателей, так и оперативного анализа лимитирующих факторов и угроз для выработки предупредительных мер реагирования в соответствии с целевой функцией. Прототипы таких платформ (ANT, ExactFarming, Cropio, SMS, Agrivi и др.) позволяют проводить оперативный мониторинг состояния посевов, документирование, прогнозирование и планирование сельскохозяйственных операций на уровне предприятия. Министерством сельского хозяйства Российской Федерации разрабатывается Единая Федеральная Информационная Система Земель Сельскохозяйственного Назначения в целях обеспечения учета таких земель, консолидации сведений о качественных их характеристиках и фактическом использовании по программе государственного мониторинга.Функциональность таких информационных систем в настоящее время не обеспечивает оценку и управление рисками деградации почв под воздействием изменения климата и антропогенеза. Доступны лишь сервисы фактической погоды и ее краткосрочному прогнозу для планирования агротехнических операций, визуализации результатов агрохимического мониторинга, мониторинга посевов и учета урожайности с выделением зон плодородия. Предлагаемый проект направлен на разработку комплексной информационной системы управления земледелием на ландшафтно-экологической основе с учетом научно-методических принципов противодействия деградации почв.
Новизна реализуемых в проекте подходов связана с принципами учета погодно-климатических рисков и группировкой земель по риску деградации почв земель в контексте климатических изменений и антропогенеза. Методы оценки погодно-климатических рисков деградации почв на сегодняшний день ограничены, тем более – попытки картографирования категорий данного риска в региональном, муниципальном или локальном масштабе.
Результаты проекта предназначены для создания комплексной информационной системы (цифровой платформы) проектирования систем земледелия и оперативного управления сельскохозяйственным предприятием на ландшафтно-экологической основе. Помимо интеграции данных из разных источников (почвенно-агроэкологического и производственного мониторинга, фактической агрометеорологической ситуации и синоптических прогнозов) такие информационные системы призваны обеспечивать оценку рисков деградации почв и заблаговременную выработку возможных решений по их снижению.
Разработка цифровой платформы оперативного управления сельскохозяйственным предприятием на ландшафтно-экологической основе призвана преодолеть методические, технические и организационно-хозяйственные проблемы устойчивой интенсификации земледелия. Взаимное согласование краткосрочных экономических интересов сельхозпроизводителей и экологических ограничений обеспечит реализацию долгосрочных программ повышения продуктивности земель и сохранения устойчивости агроландшафтов. Внедрение цифровой платформы будет сопровождаться развитием материально-технической и информационной инфраструктуры управления сельскохозяйственными предприятиями, сформирует новые требования к квалификации специалистов, что, в свою очередь, потребует модернизации образовательных программ аграрных вызов и программ повышения квалификации. Увеличение объективности и оперативности мониторинга состояния земель повлечет трансформацию системы земельного надзора, нормативно-правового регулирования земельных отношений, финансово-кредитной системы и рынка страхования сельхозпроизводителей.
Функции оценки и управления рисками деградации земель будут включены в информационную систему - программный продукт. Конечными потребителями программного продукта будут фермерские хозяйства, сельскохозяйственные кооперативы, агрохолдинги, администрации областей Центрально-Черноземного региона России (Курская, Белгородская, Воронежская, Липецкая, Тамбовская области). Также продукт будет полезен производителям удобрений, организациям, предлагающим услуги по анализу свойств земель сельскохозяйственного назначения. Доход от реализации программного продукта будет формироваться комбинированным способом как от ежегодных платежей за подписку, так и за выполнение разовых услуг по оценке рисков деградации земель. Стоимость подписки и услуг будет определяться сроком подписки, объемом предоставляемых услуг, зависящих от числа анализируемых показателей, частоты и способа их мониторинга и других параметров.
ход выполнения проекта
Промежуточный этап 06.12.2019 – 31.12.2019
Проведено патентное исследование технического уровня и тенденций развития научно-технической продукции в области методов оценки и управления рисками деградации почв. Тематика проекта соответствует тенденциям развития и превосходит существующий технический уровень оценки и управления рисками деградации почв под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза. В части анализа патентоспособности технических решений по оценке состояния почв и диагностике процессов их физической и химической деградации разработан «Способ изготовления плоскопараллельных почвенных шлифов». Изобретение предназначено для изготовления плоскопараллельных шлифов из почвенных образцов ненарушенного строения для последующей диагностики под микроскопом агрегатной структуры, порового пространства и вторичных новообразований, как индикаторов процессов деградации почв (уплотнение, засоление, сезонное переувлажнение и др.). Предложенное техническое решение по оценке состояния почв соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость». Для его регистрации в установленном порядке подана заявка на изобретение (регистрационный номер 2019143367 от 24 декабря 2019 г.);
Разработана база данных показателей климата Центрально-Черноземного региона России как фактора развития процессов деградации его почвенно-земельного покрова. База данных включает материалы наблюдательной сети Росгидромета и результаты пространственно-распределенного атмосферного реанализа Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды с пространственным разрешением 0.25х0.25° и временным разрешением 6 часов за 1979-2019 годы.
Установлены закономерности пространственно-временной изменчивости климата Центрального Черноземья, повторяемости условий, способствующих почвенной засухе/переувлажнению, водной и ветровой эрозии. Центральное Черноземье относится к зоне недостаточного увлажнения с умеренно мягкими зимами и теплым летом с проявлением засух, суховеев и ливней. Отмечен циклический характер атмосферного увлажнения с максимумом осадков в 1980-1990 годы. Современный период, начиная с 2007 года, маловодный по сравнению с климатической нормой. Сокращение запасов воды в снежном покрове перед началом половодья приводит к весеннему и летнему дефициту водных ресурсов, в том числе для нужд сельского хозяйства, и сопровождается ростом рисков почвенных засух.
Проведен сравнительный анализ достоверности метеорологических прогнозов трех гидрометеорологических центров. Наибольшей достоверностью обладают прогнозы Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Предсказуемость засух с заблаговременностью один месяц высока для апреля и июля, значима для июня и августа и недостоверна для мая. С увеличением заблаговременности на срок больше одного месяца предсказуемость снижается. Это резко ограничивает возможности оперативной оценки и управления погодно-климатическими рисками в системе земледелия Центрального Черноземья и определяет приоритет адаптивно-ландшафтной дифференциации агротехнологий применительно к агроэкологическим группам земель с контрастным проявлением факторов деградации почв (эрозии, переувлажнения), лимитирующих произрастание сельскохозяйственных культур и условия их возделывания.
Разработано методическое руководство по диагностике деградации почв черноземной зоны. Методическое руководство предназначено для стандартизации процедуры инвентаризации и мониторинга состояния почв в системе адаптивно-ландшафтного земледелия.
Разработано методическое руководство по группировке и картографированию земель Центрального Черноземья по рискам деградации почв с учетом климатических, геолого-геоморфологических и хозяйственных факторов на основе методов почвенно-агроэкологической оценки земель. Руководство предназначено для стандартизации процедур инвентаризации и мониторинга внутрихозяйственных факторов деградации почв при формировании информационной системы оценки и управления рисками деградации почв.
Разработаны электронные карты земель трех модельных хозяйств и одного муниципального района Центрального Черноземья по рискам деградации почв под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза.
Разработан эскизный план информационной системы оценки и управления рисками деградации почв, включающий описание функционального назначения и логической структуры программы, описание входных и выходных данных, условия функционирования цифровой системы оценки и управления рисками деградации почв, доступа субъектов агропромышленного комплекса к исходным данным и результатам анализа.
Завершающий этап 01.01.2020 – 30.09.2020 (по состоянию на 20.04.2020)
Разработано методическое руководство по мониторингу деградации почв черноземной зоны, которое включает описание методику мониторинга водной эрозии, переувлажнения, засоления, осолонцевания, агрофизического и биологического состояния почв, а также содержания в них гумуса и питательных элементов. Данное руководство предназначено для стандартизации процедуры инвентаризации и мониторинга состояния почв в системе адаптивно-ландшафтного земледелия. В руководстве отражены общие принципы мониторинга природных объектов, порядок определения физических, химических, биологических свойств почв, в том числе ионно-солевого состава нейтральных и щелочных почв. Особое внимание уделено показателям и методам оперативного выявления начальных (скрытых) стадий деградационных процессов, позволяющих вырабатывать превентивные меры до наступления опасной степени деградации почв.
Разработан реестр почвозащитных и проградационных агротехнологий земледелия Центрального Черноземья и рекомендации по его использованию. Реестр включает набор технологий проектирования севооборотов, обработки почвы и способов сева, систем удобрений, способствующих защите почв от эрозии или улучшению физического и/или химического состояния почв в отношении рисков развития водной эрозии, переувлажнения/иссушения почв. Реестр рассчитан на применение агрономами и специалистами смежных профессий в условиях проявления рисков деградации земель в составе информационной системы оценки и управления рисками деградации почв Центрального Черноземья под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза.
Разработана методика оценки и управления погодно-климатическими и антропогенными рисками деградации почв по группам земель Центрального Черноземья. Методика включает последовательные шаги по сбору, обработке и интерпретации данных в интересах предупреждения рисков деградации земель в системе управления производством, агрострахования и агроконсультирования. Конкретное воплощение методики выполнено в отношении трех наиболее распространенных видов деградации земель Центрального Черноземья: агроистощения, весеннего переувлажнения/иссушения и водной эрозии почв. Оценка и ранжирование полей по степени агроистощения почв проводится на основе интегрального индекса качества почв, обобщающего данные стандартного агрохимического обследования. Оценка рисков весеннего переувлажнения/иссушения почв использует вероятностный расчет компонентов водного баланса пахотного горизонта с учетом почвенных и климатических характеристик. При оценке рисков эрозионной деградации сельскохозяйственного участка предложено использовать прогноз изменения площади эродированных почв за заданный период времени с учетом текущей степени эродированности почвенного покрова. Получаемые численные оценки рисков деградации земель используются для обоснования предупредительных и компенсационных мер управления землепользованием и земледелием.
Дано описание математических моделей расчета категорий риска развития деградационных процессов по группам земель Центрального Черноземья и разработано методическое руководство по их использованию. Для оценки интегрального показателя качества почвы (степени выраженности агроистощения) каждое свойство почвы преобразуется в безразмерную шкалу диапазона от 0 до 1 на основе функции отклика урожая в зависимости от его значения. Далее нормализованные шкалы разных показателей сводятся в интегральный индекс качества почв с помощью метода главных компонент. Оценка рисков весеннего переувлажнения/иссушения почв в трех градациях (низкий, средний, высокий) базируется на математическом аппарате байесовых сетей доверия, сочетающего экспертные знания с физическими и эмпирическими закономерностями формирования водного баланса черноземов через факторы климата, рельефа, физические свойства почв и используемых агротехнологий. Полученные численные выражения региональных закономерностей положены в основу «Базы данных условных вероятностей для Байесовой сети доверия, оценивающей риски весеннего переувлажнения черноземных почв» (свидетельство о государственной регистрации базы данных №2020622231). Скорость прироста эродированных почв в структуре земельного участка (мера риска его эрозионной деградации) оценивается на основе сопоставления для элементов растровой сетки расчетных темпов водной эрозии при заданных параметрах рельефа, климата, свойств почв и земледелия по отношению к текущей мощности гумусовых горизонтов почв. Предложенное решение соответствует условиям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость». Для его регистрации подана заявка на изобретение (регистрационный номер 2020130484 от 16 сентября 2020 г.);
Разработана программа и методика испытаний информационной системы оценки и управления рисками деградации почв Центрального Черноземья. Она предназначена для определения и проверки соответствия информационной системы спецификациям технического проекта в разделе количественных и качественных характеристик, выявления и устранения недостатков на этапе проведения приёмочных испытаний и включает в себя: 1) методику испытаний блоков ввода, вывода и обработки исходных данных и результатов моделирования, 2) методику испытаний моделей оценки риска деградации земель агроландшафтов от водной эрозии почв, 3) методику испытаний модели рисков переувлажнения и иссушения почв;
Выполнена группировка и картографирование земель восьми модельных хозяйств и одного муниципального района Центрального Черноземья по рискам деградации почв под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза. Работы включали подготовку картографических и фондовых материалов в составе агрогеоинформационной системы, полевое почвенно-агроэкологическое обследование земель, разработку карты почвенно-агроэкологических групп земель и ее интерпретацию с точки зрения рисков проявления процессов деградации почв в соответствии с методическим руководством по группировке и картографированию земель Центрального Черноземья по рискам деградации почв с учетом климатических, геолого-геоморфологических и хозяйственных факторов (промежуточный отчет о ПНИ);
В ходе работ по материально-техническому обеспечению ПНИ три рабочих места оснащены необходимым компьютерным и офисным оборудованием. Индустриальным партнером для обеспечения испытаний цифровой информационной системы закуплено оборудование для проведения полевых почвенно-геологических изысканий, а также два ноутбука.
В рамках второй очереди создания прототипа программного обеспечения для расчета категорий риска деградации почв разработан расчетный модуль расчета категорий риска деградации почв в результате агроистощения, весеннего переувлажнения/иссушения почв черноземного ряда и водной эрозии;
Подготовлен технический проект разработки прототипа информационной системы оценки и управления рисками деградации почв Центрального Черноземья под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза. Технический проект включает:
1) схему функциональной структуры;
2) схему автоматизации;
3) ведомость технического проекта;
4) пояснительную записку к техническому проекту;
В соответствии с техническим проектом разработан прототип информационной системы оценки и управления рисками деградации почв Центрального Черноземья под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза. Прототип предназначен для обеспечения российских сельскохозяйственных предприятий новым видом информационного сервиса в интересах устойчивой интенсификации хозяйственной деятельности;
Проведены успешные испытания цифровой информационной системы по Программе и методикам испытаний;
Разработан проект технического задания на ОКР «Информационная система оценки и управления рисками деградации почв Центрального Черноземья под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза»;
Разработан научно-технический проект концепции создания Ситуационного аналитического центра по оценке и управлению рисками деградации почв России под воздействием глобального изменения климата и антропогенеза (на примере Центрально-Черноземного региона);
По итогам выполненных работ подготовлен заключительный отчет о ПНИ, а также пять публикаций в изданиях, индексируемые в Scopus и/или WoS. Результаты доложены на шести международных и двух российских конференциях.
Цели и задачи реализации ПНИ выполнены полностью в соответствии с Планом-графиком и требованиям Технического Задания.
Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), созданные при выполнении проекта.
1. Изобретение, патент №2728926 от 03.08.2020 г., "Способ изготовления плоскопараллельных почвенных шлифов", РФ; заявка №2019143367 от 24 декабря 2019 г.
2. База данных, свидетельство о государственной регистрации №2020622180 от 06.11.2020 г, "База данных климатических характеристик Центрального Черноземного региона России", РФ, заявка №2020621622 от 15 сентября 2020 г;
3. Программа для ЭВМ, свидетельство о государственной регистрации №2020661642 от 28.09.2020 г., "Программа обработки и визуализации пространственных климатических данных для целей агроклиматической оценки", РФ, заявка №2020660698 от 16 сентября 2020 г.;
4. Изобретение "Модель оценки рисков деградации земель от водной эрозии почв", РФ, заявка на патент №2020130484 от 16 сентября 2020 г.;
5. База данных, свидетельство о государственной регистрации №2020622231 от 11.11.2020 г., "База данных условных вероятностей для Байесовой сети доверия, оценивающей риски весеннего переувлажнения черноземных почв", РФ, заявка №2020621748 от 05 октября 2020 г.
Индустриальный партнер: ООО «Диджитал Агро»