Метод оценки эффективности использования продуктивных запасов почвенной влаги на примере орошаемых и неорошаемых посевов сои

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-27-00438

НазваниеМетод оценки эффективности использования продуктивных запасов почвенной влаги на примере орошаемых и неорошаемых посевов сои

Руководитель Ермолаева Ольга Сергеевна,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-704 - География климата

Ключевые слова посевы сои, орошаемые посевы, почвенный покров, доступные запасы почвенной влаги, транспирация растительного покрова, испарение с поверхности почвы, дистанционное зондирование Земли, проксимальное зондирование, влагометрия, SWAP-модель, водоудерживание почв, влагопроводность почв

Код ГРНТИ37.27.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Пресные водные ресурсы в условиях аридного климата имеют первостепенное значение для устойчивого развития орошаемого земледелия. Использование традиционных технологий орошения и методов управления противоречит принципам эффективного использования водных ресурсов в регионах с развитым орошаемым земледелием. Эти принципы базируются на объективном контроле расходования воды на всех этапах ее подачи от водоисточника до орошаемого поля и далее в корнеобитаемый слой почвы, а из него в атмосферу с потоком суммарного испарения. В настоящее время с помощью измерительных приборов и оборудования, установленных на большинстве оросительных систем, налажен учет объема водных ресурсов, забираемых из водных объектов и доставляемых на орошаемое поле. Однако, дальнейшее расходование доставленных объемов поливной воды агрофитоценозами никоим образом не измеряется. Это связано с отсутствием относительно простых и в то же время объективных методов, позволяющих проводить крайне важную и необходимую оценку этих объемов, а с их помощью и эффективности их использования орошаемыми агрофитоценозами на экстентах их произрастания, какими большими они бы не были. В последнее время на значительной части европейской части Росси продуктивные запасы влаги почвенного покрова испытывают значительные флуктуации, а по ряду оценок эта ситуация может еще более усугубиться под влиянием климатических изменений, а также антропогенных воздействий. В результате этого сельскохозяйственное земледелие может быть значительно ограничено, а состояние экосистем в таких регионах может ухудшиться из-за прогнозируемого снижения доступных для растительного покрова запасов почвенной влаги. В связи с этим во многих странах, включая Россию, проводятся научные и технологические исследования, направленные на увеличение доступных агрофитоценозам запасов почвенной влаги за счет увеличения инфильтрационной и водоудерживающей способности корнеобитаемого слоя почвенного покрова, а также на более эффективное использование этих запасов за счет минимизации непродуктивного их расходования при управлении орошением. Для решения задач по эффективному использованию доступных запасов почвенной влаги на уровне отдельного агрофитоценоза недостаточно традиционных методов мониторинга влагозапасов и суммарного испарения, проводимых, традиционно, на уровне регионов. В связи с этим в последние годы активно развиваются методы, основанные на дистанционном и проксимальном зондировании земной поверхности. Это позволяет получать объективные оценки характеристик водного баланса корнеобитаемого слоя почвенного покрова с приемлемой для производственных задач пространственным разрешением и повторностью. Одна из таких задач состоит в разработке методов оценки формирования доступных для роста и развития агрофитоценозов запасов почвенной влаги, а также их расходования. В настоящем проекте предложен взаимосвязанный набор теоретических, а также экспериментальных исследований, направленных на разработку теоретических и методических основ метода оценки эффективности использования доступных агрофитоценозам запасов почвенной влаги на примере орошаемых и неорошаемых посевов сои. Научная новизна проекта заключается в получении новых знаний, необходимых для разработки метода оценки эффективности использования продуктивных запасов почвенной влаги агрофитоценозами на основе улучшенных моделей массо- и энергопереноса в системе Почва-Вода-Атмосфера-Растение (SWAP) и их параметризации на основе сочетания данных дистанционного зондирования Земли и наземных измерений, а также результатов компьютерного моделирования. Актуальность проведения планируемых исследований связана с необходимостью повышения эффективности управления доступными для агроценозов влагозапасами почвенного покрова в условиях проектируемых рисков изменения климата на территории европейской части России, а также с целью эффективного использования водных ресурсов в регионах с развитым и развивающимся орошаемым земледелием.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Зейлигер А. М., Затинацкий С.В., Ермолаева О. С., Колганов Д. А. Анализ пространственного варьирования влажности почвенного покрова вдоль фронта дождевальной машины Природообустройство, № 3, С. 15-22. (год публикации - 2023)
10.26897/1997‑6011‑2023‑3-15-22

2. Ермолаева О. С., Зейлигер А.М. Эффективность использования посевами орошаемой люцерны запасов почвенной влаги Мелиорация и водное хозяйство, № 2. – С. 23-29 (год публикации - 2023)

3. Зейлигер А. М., Ермолаева О. С., Греченева А. В. Программа автоматической идентификации орошаемых агроценозов по данным дистанционного зондирования Земли с применением методов машинного обучения Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024684252 Российская Федерация. «Программа автоматической идентификации орошаемых агроценозов по данным дистанционного зондирования Земли с применением методов машинного обучения» : № 2024683533 : заявл. 09.10.2024 : опубл. 16.10.2024 / А. М. Зейлигер, О. С. Ермолаева, А. В. Греченева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». – EDN VRNRGM., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024684252 Российская Федерация. «Программа автоматической идентификации орошаемых агроценозов по данным дистанционного зондирования Земли с применением методов машинного обучения» : № 2024683533 : заявл. 09.10.2024 : опубл. 16.10.2024 / А. М. Зейлигер, О. С. Ермолаева, А. В. Греченева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». – EDN VRNRGM. (год публикации - 2024)

4. Зейлигер А.М., Колганов Д.А., Доброхотов А.В., Ермолаева О.С. Оценка пространственного варьирования урожайности орошаемых посевов сои (2023 г) с использованием наборов геоданных пробных укосов и суммарного испарения по модели METRIC (Landsat 8-9) Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2024. C. 180. DOI 10.21046/22DZZconf-2024a, Зейлигер А.М., Колганов Д.А., Доброхотов А.В., Ермолаева О.С. Оценка пространственного варьирования урожайности орошаемых посевов сои (2023 г) с использованием наборов геоданных пробных укосов и суммарного испарения по модели METRIC (Landsat 8-9) // Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2024. C. 180. DOI 10.21046/22DZZconf-2024a (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

5. Ермолаева О.С., Зейлигер А.М., Буравчиков Д.А. Идентификация орошаемых агроценозов по данным дистанционного зондирования Земли с применением методов машинного обучения Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2024. C. 178. DOI 10.21046/22DZZconf-2024a, Ермолаева О.С., Зейлигер А.М., Буравчиков Д.А. Идентификация орошаемых агроценозов по данным дистанционного зондирования Земли с применением методов машинного обучения // Материалы 22-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва: ИКИ РАН, 2024. C. 178. DOI 10.21046/22DZZconf-2024a (год публикации - 2024)
10.21046/22DZZconf-2024a

6. Тынченко В.В., Матасова И.Ю., Евсюков Д.Ю., Ермолаева О.С., Кукарцева О.И. Особенности поведения скальных пород при подземной разработке рудных месторождений Горная промышленность, Тынченко В.В., Матасова И.Ю., Евсюков Д.Ю., Ермолаева О.С., Кукарцева О.И. Особенности поведения скальных пород при подземной разработке рудных месторождений. Горная промышленность. 2024;(5S):166–171. (год публикации - 2024)
0.30686/1609-9192-2024-5S-166-171

7. Зейлигер А.М., Ермолаева О.С., Колганов Д.А., Затинацкий С.В. Прокси-зондирование кажущейся электропроводности почвы индукционным рефлектометром EM38mk2: Анализ и картирование результатов для целей пространственно-дифференцированного дождевания Агрофизика (год публикации - 2024)

8. Зейлигер А. М., Доброхотов А.В., Ермолаева О.С., Котов Я.С. Сегментация потока суточного суммарного испарения посева орошаемой сои по модели METRIC и данным Landsat-8 Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса (год публикации - 2025)

9. Зейлигер А. М., Ермолаева О. С. Программа генерации картограмм вегетационного индекса NDVI из RGB изображений на основе использования методов машинного зрения и генеративно-состязательной сети GAN Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024684251 Российская Федерация. «Программа генерации картограмм вегетационного индекса NDVI из RGB изображений на основе использования методов машинного зрения и генеративно-состязательной сети GAN» : № 2024683535 : заявл. 09.10.2024 : опубл. 16.10.2024 / А. М. Зейлигер, О. С. Ермолаева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». – EDN GJSUMF., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2024684251 Российская Федерация. «Программа генерации картограмм вегетационного индекса NDVI из RGB изображений на основе использования методов машинного зрения и генеративно-состязательной сети GAN» : № 2024683535 : заявл. 09.10.2024 : опубл. 16.10.2024 / А. М. Зейлигер, О. С. Ермолаева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева». – EDN GJSUMF. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате реализации 2-го года проекта 23-27-00438 «Метод оценки эффективности использования продуктивных запасов почвенной влаги на примере орошаемых и неорошаемых посевов сои» были получены результаты, свидетельствующие о совершенствовании методов мониторинга влагозапасов корнеобитаемого слоя почвенного покрова орошаемых агроценозов с использованием данных наземного и космического мониторинга. Также были улучшены модели, используемые для описания процессов переноса почвенной влаги в результате ведения орошения, а также методы их параметризации как по наборам непосредственно измеряемых экспериментальных данных, так и по тесно связанным данным предикторов иной природы. Проведенные в ходе проекта полевые эксперименты и полученные в их рамках результаты позволили разработать: 1. Метод полевого инструментального измерения характеристик влагопроводности и водоудерживания почв при безнапорной инфильтрации с использованием вакуумного инфильтрометра. 2. Метод прокси-зондирования влагозапасов с использованием индукционного рефлектометра ЕМ38мк2. 3. Метод оценки эффективности орошения агроценозов по данным космического мониторинга. Результаты проекта представлены в виде двух статей в рецензируемых журналах, индексируемых в Russian Science Citation Index (1) и Scopus (1), а также в виде двух тезисов в материалах конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», секции «Дистанционное зондирование растительных и почвенных покровов». Достигнутые научные результаты были представлены в виде устных докладов на следующих конференциях: Международная конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса»; Юбилейная международная научно-практическая конференция «Мелиорация и водное хозяйство - основа продовольственной и экологической безопасности»; IV Всероссийская научная конференция с международным участием «Применение средств дистанционного зондирования Земли в сельском хозяйстве», посвященная 300-летию Российской академии наук; Международная научно-практическая конференция «Цифровые компетенции - сельскому хозяйству» ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Кроме того, результаты проекта были освещены на научных и образовательных семинарах в рамках следующих инициатив: - Международная летняя школа на тему «Интеграция аграрной науки в мировое образовательное пространство» ЮКУ им. М. Ауэзова. - Образовательный проект ФАО «Содействие устойчивому управлению почвенными ресурсами и охране черноземов» посредством организации учебного визита экспертов-почвоведов из стран Евразийского региона. По результатам проекта зарегистрировано 2 РИД - программы для ЭВМ. https://www.timacad.ru/news/uchenye-timiriazevki-aprobiruiut-novuiu-metodiku-otsenki-effektivnosti-ispolzovaniia-dostupnykh-zapasov-pochvennoi-vlagi-na-oroshaemykh-posevakh-soi https://timailab.ru/gis

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта будут способствовать разработке методов мониторинга, основанных на современных технологиях оценки запасов почвенной влаги в корнеобитаемом слое агроценозов. Это, в свою очередь, позволит производителям сельскохозяйственной продукции повысить эффективность управления орошением за счет оптимизации использования поливной воды. Эффективное управление орошением направлено на уменьшение потерь поливной воды на формирование почвенного и грунтового стока, что снижает негативное влияние на окружающую среду, повышая устойчивость развития. В условиях изменения климата разработка технологий совершенствования ведения орошаемого земледелия обеспечит устойчивость его развития за счет повышения урожайности и увеличения эффективности использования поливной воды.