Ландшафтно-позиционная обусловленность вывода из сельскохозяйственного оборота земель Нечерноземья на примере Калининского муниципального округа Тверской области

1МГУ им. М.В. Ломоносова, Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, 1, *, e-mail:

2ФИЦ “Почвенный институт им. В.В. Докучаева”, Россия, 119017, Москва, Пыжевский пер, 7, стр. 2, **, e-mail:

Уже несколько десятилетий для Российской Федерации актуальна проблема вывода земель из сельскохозяйственного оборота. Тренд на сокращение обрабатываемых земель начался еще в начале XX в. перед революцией, усилился в советские годы, а при переходе к рыночной экономике приобрел и вовсе пугающие масштабы (Милов, 2006; Люри и др., 2010; Матасов, 2018; Pri-shchepov, 2013). Согласно постановлению Правительства Российской Федерации от 14 мая 2021 г. № 731 (далее ПП РФ № 731 от 2021) за период с 2010 по 2020 гг. площадь земель сельскохозяйственного назначения сократилась на 17.6 млн га (на 4.6%), также по состоянию на 2021 г. на территории земель сельскохозяйственного назначения 19.4 млн га пашни (5.1%) не используются. При этом с 1997 г. качественная оценка продуктивных сельскохозяйственных земель не проводится. В связи с этим с целью исполнения ПП РФ № 731 от 2021 была запущена “Государственная программа эффективного вовлечения в оборот земель сельскохозяйственного назначения…”, где одной из важных задач является “проведение оценки состояния плодородия неиспользуемой пашни…”.

На настоящий момент в науке уже имеется накопленный опыт в оценке качества земель и организации рационального землепользования с ландшафтной точки зрения (Николаев и др., 2008; Кирюшин, 2023). В течение длительного времени развивались описание и анализ морфологической структуры ландшафта для задач региональной оптимизации землепользования (Зворыкин, 1965, 1981; Николаев, 1987, 2000; Кирюшин, 2005). Также совершенствовались методы графической интерпретации морфологической структуры ландшафта, пройдя путь от качественного описания природной среды (Анненская и др., 1963; Мамай, 2005) до цифрового картографирования (Козлов, 2009; McBratney et al., 2003; Hengl, MacMillan, 2019). Одна из задач современного ланд- шафтоведения – объяснить трансформацию структуры землепользования ландшафтно-экологическими и социально-экономическими причинами для принятия локальных и региональных управленческих решений (Матасов, 2018).

Цель работы состояла в выявлении ландшафтнопозиционных причин вывода земель из сельскохозяйственного оборота Калининского муниципального округа Тверской области на основе привязанных крупномасштабных почвенных карт, ДДЗ и технологий цифрового картографирования.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Калининский муниципальный округ Тверской области занимает площадь 4 244.7 км2. Климат умеренный со средними температурами в январе и июле –9 °С и +18 °С соответственно, и годовой суммой осадков 670 мм с варьированием от 500 до 1 000 мм. Вегетационный период длится 170–175 дней, а безморозный – примерно 130 дней (Дорофеев, 1992). Реки, в том числе р. Волга, характеризуются слабым развитием долин, но при этом амплитуда колебания высот в пределах исследуемой территории достигает 148 м. Среди водоемов сильно выделяются Петровские озера с общей площадью 82 км2 в пределах болотного массива Оршинский мох. Сам же болотный массив имеет площадь 432 км2 включая озера (1/10 исследуемой территории).

В физико-географическом отношении территория Калининского муниципального округа неоднородна – выделяются 4 района (Гвоздецкий и др., 1963; рис. 1а). Почти половину исследуемой территории (47.8%) занимает Волго-Оршинский район, для которого характерна большая заболоченность и пестрота почвенного покрова из-за частой смены почвообразующих пород. Рельеф выровненный с абсолютными высотами междуречий 150 м. В восточной части расположены крупные болотные массивы, а в западной преобладают дерново-среднеподзолистые супесчаные почвы, приуроченные к аллювиально-зандровой равнине. Для плоских и пониженных частей водоразделов характерны торфяно-подзолисто-глеевые почвы. Второе место по площади занимает физико-географический район Калининской гряды (26.4%). Рельеф холмистый ледникового происхождения.

Рис. 1. Положение относительно единиц физико-географического районирования ( а ) и инвентаризация агроэкологических условий Калининского муниципального округа по данным ГФДЗ ( б ).

Fig. 1. Study area location above units of physical-geographical zoning ( a ) and inventory of agro-ecological conditions of the Kalininsky municipal district according to the State Fund for Agricultural Development ( б ).

Здесь находится самая высокая точка – 257 м. Среди почвообразующих пород преобладают моренные суглинки, но встречаются и супеси. На вершинах холмов распространены дерново-слабо- и среднеподзолистые почвы, на равнинах – средне- и сильноподзолистые. Плоские участки заболочены. Район Приволжской низменности (18.8%) представляет собой плоскую зандрово- аллювиальную слабодренированную равнину с высотами 120– 125 м. Преобладающие почвы – дерново-среднеподзолистые супесчаные, формирующиеся на песках мощностью более 1 .5 м. Широко представлены болотные почвы. Тверца-Медведицкий район занимает незначительную площадь (5.7%) с высотами 150– 200 м. В пределах Калининского муниципального округа его облик схож с Волго-Оршинским районом.

На сегодняшний день население округа превышает 50 тыс. человек, однако сильно выражен отрицательный тренд: с 1950-х годов население снизилось на 20 тыс. человек. В послевоенные годы Калининский район был одним из крупнейших сельхозтоваропроизводителей Тверской области, однако к 2016 г. с конца 1960-х площадь сельскохозяйственных угодий в Тверской области сократилась более чем на 2 млн га. Также отрицательная тенденция отражается в сокращении посевной площади.

Для характеристики природных условий муниципального округа были использованы материалы Государственного фонда данных, полученных в результате землеустройства (ГФДЗ): крупномасштабные (1 : 10 000) планы внутрихозяйственного землеустройства и почвенные карты колхозов и совхозов 1970-х годов (36 хозяйств, рис. 1б). К каждой почвенной карте имеются очерки, подробно описывающие геоморфологические, геологические, геоботанические и почвенные условия предприятия с присвоенной агрономической оценкой. Привязка почвенных карт проводилась в программном обеспечении “Global Mapper” методом триангуляции с максимальной ошибкой в 30 м, используя 150–250 опорных точек на привязанных планах внутрихозяйственного землеустройства.

На почвенных картах отмечены положения опорных разрезов, имеющих подробное морфологическое и агрохимическое описание. На основе этих данных в ГИС был создан точечный векторный слой, в атрибутивной таблице которого содержалась информация о типе почвы, степени оглеения, гранулометрическом составе почв и почвообразующих пород, а также о глубине залегания морены. Суммарно нанесены местоположения 1 294 точек (рис. 1б). Каждая точка отнесена к одной из 10 агроэкологических групп земель (табл. 1). Под агроэкологическими группами земель понимается территория, выделяемая по ведущим агроэкологическим факторам, которые определяют направление сельскохозяйственного использования, а также по степени их проявления и сопутствующим лимитирующим факторам (Кирюшин и др., 2005).

Таблица 1. Общая выборка описаний опорных разрезов, отнесенных к различным агроэкологическим группам земель

Table 1. General sample of soil descriptions in reference to various agroecological groups of land

1. Пла-корные	2. Слабо-эрозионные	3. Слабополу-гидроморфные	4. Сильно-полугидро-морфные	5. Слабо-гидроморфные
140	17	374	118	48
6. Гидроморфные	7. Литогенные	8. Слабо-полугидро-морфнолитогенные	9. Сильно-полугидро-морфнолитогенные	10. Пойменные
61	169	162	56	149

Почвы плакорной агроэкологической группы земель (№ 1 в табл. 1) представлены дерново-подзолистыми суглинистыми почвами, а также дерново-подзолистыми супесчаными, но с залеганием морены до 50 см от поверхности, которые приурочены к дренированным равнинам, сложенным моренными и покровными суглинками со склонами крутизной до 2°. Данная агроэкологическая группа считается наиболее ценной, так как не подвержена застою влаги. Почвы слабоэрозионной агроэкологической группы (2) приурочены к моренным равнинам, где крутизна склонов превышает 2°. Представлены слабосмытыми суглинистыми и супесчаными почвами, подстилаемыми мореной до 50 см. Менее плодородны из-за проявлений эрозионных процессов и оттока влаги, критичного в летний период.

Полугидроморфные агроэкологические группы (3–4) отличаются от вышеперечисленных более частыми и длительными пе- риодами переувлажнения, что отразилось на морфологическом строении почв. Для слабополугидроморфной агроэкологической группы земель (3) характерны дерново-подзолистые поверхност-но-глееватые, либо грунтово-глееватые, для сильнополугидро-морфных (4) – профильно-глееватые и глеевые. К слабогидроморфным землям (5) отнесены варианты дерново-глеевых и дерново-перегнойно-торфянисто-подзолистых почв, а к гидроморфным (6) – земли с торфянисто- и перегнойно-глеевыми почвами.

Особое место занимает ряд литогенных агроэкологических групп (7–9). Они приурочены к водно-ледниковым равнинам и от других групп отличаются бóльшей мощностью песчаных отложений и более глубоким залеганием морены (глубже 50 см). Песчаные почвы считаются менее плодородными в связи с меньшим содержанием физической глины и питательных веществ. Однако слабоглееватые почвы, особенно в сухие годы, дают бóльший урожай, чем неоглеенные (Кирюшин, 2005). Поэтому слабополу-гидроморфно-литогенные агроэкологические группы земель с дерново-подзолами глееватыми (8) более благоприятны для растениеводства, чем литогенные (7) с дерново-подзолами. Сильнопо-лугидроморфно-литогенные агроэкологические группы земель (9) характеризуются преобладанием дерново-подзолов профильно-глееватых и глеевых. Отдельно выделяется пойменная агроэкологическая группа (10) в пределах речных долин с аллювиальными почвами.

Для составления карты агроэкологических групп земель на основе базы данных опорных разрезов муниципального округа использована методология цифровой почвенной картографии (Козлов, Сорокина, 2012; Minasny, McBratney, 2018). Моделирование выполнено методом случайного леса (Random Forest) в среде “R” (версия 4.4.1) с надстройкой “Rstudio” (версия: 2024.09.1) с использованием пакетa “Caret” (версия 6.0–4.4.9). В качестве независимых переменных использованы вегетационные индексы, рассчитанные по данным космической съемки и производные морфометрические величины рельефа. Последние рассчитаны на основе цифровой модели местности Copernicus DEM с разрешением 30 м в программе “SAGA GIS”. Всего использовано 15 геоморфо-метрических величин, в том числе: TWI (топографический индекс влажности), LS-фактор (эрозионный фактор рельефа), CNBL (базовый уровень сети водотоков), CND (расстояние до сети водотоков), Valley Depth (глубина долины), RSP (относительное положение на склоне), TPI (индекс топографического положения в локальной и региональной окрестностях), TRI (индекс расчлененности рельефа). В качестве индикационных характеристик использованы расчетные характеристики NDVI и NDWI за 2021–2023 гг. в разные сезоны года по данным съемочной системы Sentinel-2. Всего было использовано 8 сцен за следующие даты: 10.12.2021, 17.04.2022, 08.06.2022, 25.08.2022, 07.01.2023, 29.05.2023, 13.06.2023, 10.08.2023. Кроме того, в “Google Earth Engine” рассчитаны средние летние и среднемноголетние значения NDVI по безоблачным снимкам “Landsat 5–8” (1986–2023 гг.) и “Sentinel-2” (2018–2023 гг.).

Для земель сельскохозяйственного назначения проводилась инвентаризация современного состояния угодий методом визуального дешифрирования космических снимков сверхвысокого разрешения с сервисов “Google”, “Yandex”, “Bing”, “Esri”. В ходе визуального дешифрирования определялись угодья обрабатываемых, залежных земель и болотных массивов. Для оценки позиционного фактора на современное состояние угодий были взяты данные с картографического сервиса “OpenStreetMap”: асфальтированные дороги, населенные пункты с населением более 1 000 человек, постоянные и временные водотоки, заболоченные земли. На их основе были рассчитаны расстояния до болотных массивов, речной сети, населенных пунктов с населением больше 1000 человек и автомобильных дорог с твердым покрытием в растровом формате (рис. 2).

Оценка вклада позиционного и природного факторов, определяющих вывод земель из сельскохозяйственного оборота, проведена методом линейного дискриминантного анализа в программе “STATISTICA”, где в качестве зависимой переменной выступили виды угодий, а независимой – агроэкологические группы земель и позиционные факторы.

Рис. 2. Расстояния до А) дорог с твердым покрытием, Б) населенных пунктов с населением от 1 000 человек, В) заболоченных земель, Г) речных водотоков.

Fig. 2. Distances to A) paved roads, B) settlements with a population more, than 1,000 people, C) wetlands, D) river streams.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Точность предсказания доминантных агроэкологических групп земель в модели RandomForest составила 44%. Результат картирования приведен на рисунке 3. Наиболее значимыми в модели оказались 3 геоморфометрические переменные: абсолютная высота, превышение над базисом эрозии и глубина долин. Они определяют положение агроэкологических групп земель возрастающего гидроморфизма в факторном пространстве. Наименее значимые – мультиспектральные индексы по единичным снимкам и TPI с локальными окрестностями, что означает низкое влияние структуры малых мезоформ рельефа и локальных фитоценозов на иерархически более высокую ландшафтную структуру.

Расчет площадей агроэкологических групп в пределах округа показал (рис. 3), что наиболее распространены слабополугид-роморфно- и сильнополугидроморфно-литогенные (19% и 18%).

Вместе полугидроморфные и гидроморфные агроэкологические группы занимают около 39%. Все вышеперечисленные агроэкологические группы земель (76%) пригодны для возделывания сельскохозяйственных культур только после проведения гидромелиоративных мероприятий.

Рис. 3. Агроэкологические группы земель сельскохозяйственного назначения Калининского муниципального округа Тверской области.

Fig. 3. Agroecological groups of agricultural lands of the Kalininsky municipal district of the Tver region.

Рассматривая отдельно площади групп земель в пределах пашен (рис. 4А) и залежей (рис. 4Б) отмечаем, что наиболее распаханная группа – слабополугидроморфно-литогенная (57% площади пашен). Остальные же не занимают и 10% пашен, а полу-гидроморфные и гидроморфные не достигают 4%. В залежах тоже превалируют слабополугидроморфно-литогенные земли, однако не так уж сильно (33%), так как здесь другие агроэкологические группы представлены лучше, чем в пашнях.

Рис. 4. Площади агроэкологических групп земель в пределах А) пашен и Б) залежей.

Fig. 4. The areas of agroecological land groups within A) arable land and Б) fallow land.

Важно отметить, что в залежах доли полугидроморфных и особенно гидроморфных земель сильно увеличились. Плакорные и слабоэрозионные (наиболее плодородные) земли в сумме достигают 9 тыс. га, что в 3.5 раза больше, чем на землях пашни.

Рассматривая соотношение пашни и залежи в пределах агроэкологических групп земель (рис. 5), обращаем внимание, что наименьшая степень распаханности характерна для трех наиболее переувлажненных агроэкологических групп: сильнополугидро-морфной и обеих гидроморфных. Это объясняется тем, что переувлажнение в условиях Нечерноземья является крайне лимитирующим фактором для основных культур. Также неблагоприятными землями оказались сильнополугидроморфно-литогенные и пойменные агроэкологические группы, для которых тоже характерно сильное переувлажнение.

к

о

о

В

- g

100%

90%

80%

70%

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0%

8      9      10

1 - плакорные, 2 - слабоэрозионные, 3 - слабополугидроморфные, 4 -сильногидроморфные, 5 - слабогидроморфные, 6 - гидроморфные, 7 -литогенные, 8 - слабополугидроморфно-литогенные, 9 -сильнополугидроморфно-литогенные, 10 - пойменные

Доля пашни

■ Доля залежи

Рис. 5. Доли пашни и залежи в пределах каждой агроэкологической группы.

Fig. 5. Shares of arable land and fallow land within each agro-ecological group.

Соотношение пашни и залежи в пределах групп земель в условиях рыночной экономики рассматривается нами как индикатор пригодности земель для ведения сельского хозяйства. Самое благоприятное соотношение характерно для слабополугидро-морфно-литогенной, литогенной и плакорной групп земель. Общая площадь залежей в пределах этих групп составляет 33.5 тыс. га или чуть более 15% от общей площади земель сельскохозяйственного назначения Калининского округа.

Проведенный для оценки вкладов позиционного и природного факторов дискриминантный анализ показал, что на распределение пашен и залежей в Калининском муниципальном округе наиболее сильно повлияла близость к автомобильным дорогам с твердым покрытием (табл. 2). Примерно в 2.5 раза слабее повлияли природные особенности территории (агроэкологические группы земель). Средний вклад в распределение пашен и залежей внесла близость до населенных пунктов с численностью населения от 1 000 человек, в 4.5 раза меньше – расстояния до дорог и в 1.7 раза меньше – природных особенностей территории. Менее всего повлияло расстояние до болот. Расстояние до водотоков не повлияло на распределение обрабатываемых и залежных земель в пределах района. Общая точность приведенной модели составила 62.7%.

Таблица 2. Индикационная таблица дискриминантного анализа при определении вкладов природного и позиционного факторов в разделении пашни и залежи

Table 2. Indicative table of discriminant analysis in determining the contributions of natural and positional factors in the division of arable land and fallow land

Переменные	F-критерий	p-value
Расстояние до дорог	13 883.91	0.000000
Агроэкологические группы земель	5 316	0.000000
Расстояние до населенных пунктов	3 069	0.000000
Расстояние до болот	119.35	0.000000
Расстояние до водотоков	3.54	0.059952

Таким образом, на распространение залежей и пашен оказали влияние как природные, так и позиционные факторы. Причем влияние природно-позиционных факторов (удаленность от болот и от речных водотоков) незначительно в отличие от инфраструктурно-позиционных (удаленность от дорог и населенных пунктов). Наиболее значимым фактором оказались автомобильные дороги с твердым покрытием, а агроэкологические условия имели значительно меньшее значение.

Анализ функций плотности распределения показывает (рис. 7), что на расстоянии более 5 км от дорог с твердым покрытием сельскохозяйственные земли не распахиваются или, говоря другими словами, все пашни в Калининском муниципальном округе сосредоточены в пределах пятикилометровой доступности от автомобильных дорог. А основная часть обрабатываемых земель сосредоточена в пределах 2.5 км от дорог.

Расстояние до дорог, м

Рис. 6. Функции плотности распределения пашен и залежей относительно расстояний до дорог.

Fig. 6. Density plots of arable and fallow lands relative to distances from roads.

ВЫВОДЫ

Проведенное исследование показало, что крупномасштабные материалы внутрихозяйственного землеустройства имеют высокую ценность для почвенного и ландшафтного картографирования, анализа агроэкологических условий и оценки пригодности земель к возврату в сельскохозяйственный оборот. На основе сопряженного анализа архивных и дистанционных материалов составлена карта агроэкологических групп земель и определены наиболее благоприятные земли. По нашим оценкам порядка 33.5 тыс. га или чуть более 15% от площади сельскохозяйственных земель имеют высокий для данного региона потенциал.

Показано, что на вывод земель из сельскохозяйственного оборота наиболее сильно повлияла удаленность от дорог с твердым покрытием, а ландшафтный фактор повлиял в меньшей степени. Остальные позиционные факторы, кроме близости к населенным пунктам, оказались незначимыми.

Проведенная агроэкологическая группировка и оценка земель на базе архивных и дистанционных материалов с применением методологии цифровой почвенной картографии показала свою высокую ценность для конкретных прикладных задач в условиях центрального Нечерноземья. Однако она нуждается в расширении и верификации обучающей и обучаемой выборок, применении методологии структуры почвенного покрова и включении литологического строения почвообразующих пород в качестве переменных для повышения точности моделей почвенно-ландшафтных связей.