Software & Systems

Со второй половины XX века над человечеством нависла угроза экологического кризиса, вызванного неконтролируемым использованием природных ресурсов. В 2005 г. по инициативе ООН была выполнена глобальная оценка состояния экосистем [1], после чего стало активно развиваться новое междисциплинарное направление – экономика экосистем и биоразнообразия (The Economics of Ecosystems and Biodiversity). Это попытка увязать проблемы охраны природы и экологической безопасности с выделением и оценкой экосистемных услуг, с их учетом в планировании хозяйственной деятельности [2]. Доля участия почвоведения в новом направлении сравнительно невелика, хотя очевидно, что грамотное использование почвенных ресурсов – основа благосостояния и развития любой страны. Почва, являясь связующим звеном биогеоценоза, влияет на другие геосферные оболочки – атмосферу, литосферу и гидросферу. Это положение легло в основу учения об экологических функциях почв (ЭФП) в наземных экосистемах и биосфере в целом [3–5]. Обычно изменения в землепользовании происходят без учета последствий этих изменений в химических, физических и био- логических свойствах почв и, как следствие, ведут к потере их функций. Деградация почвенного покрова и утрата ЭФП являются частью общего экосистемного кризиса [6–8].

Ввиду этого актуальны поиск систем для управления почвенными ресурсами и необходимость создания инструментов пространственного планирования территорий с учетом ЭФП [9]. Следует отметить, что до настоящего времени оценка ЭФП носит в основном частный характер. Так, для сельскохозяйственного производства разработано множество методик и подходов локального и глобального уровней [10], есть программные продукты для агроэкологической оценки и классификации земель с системой поддержки принятия решений в управлении производством [11]. Однако традиционная оценка делает акцент лишь на почвенной продуктивности. Для целей нормирования предельно допустимой концентрации загрязняющих веществ проводится обобщенная оценка барьерной функции почв для различных веществ, а для индикации уже имеющихся загрязнений используют показатели микробиологической активности. Однако для борьбы с деградацией почв одним из важных аспектов является выбор наиболее подходящих территорий для тех или иных целей использования, для чего необходим комплексный подход к оценке ЭФП.

В Германии в рамках «Alpine Space project» была разработана методика оценки и категоризации почв (Technique for Soil Evaluation and Catego­rization, TUSEC) для планирования территории [12]. Она предлагает балльную оценку ЭФП естественных и антропогенных почв. Оценка ЭФП при пространственном планировании позволит учитывать экологические и экономические риски и принимать более грамотные решения с целью снижения разрушающих воздействий на функции почв. Оценочная шкала представлена 5 уровнями: 1 – очень высокий, 2 – высокий, 3 – средний, 4 – низкий, 5 – очень низкий.

Оцениваются следующие ЭФП:

-      среда обитания человека (с точки зрения ее безопасности);

-      среда обитания флоры и фауны;

-      трансформационная среда (деятельность микроорганизмов);

-      природный и культурный архив;

-      цикл круговорота воды;

-      цикл элементов питания растений;

-      адсорбция тяжелых металлов;

-      фильтрация и сток;

-      продукция биомассы (продуктивность).

Многоступенчатая оценка предполагает использование нескольких видов данных.

1. Информация, полученная при полевом об- следовании почв, включает описание почвенного профиля по горизонтам (мощность, структура, окислительно-восстановительные признаки, на- личие артефактов и погребенных почв), а также данные, собранные на местности и извлеченные из архивных материалов (уровень грунтовых вод, крутизна склона, растительный покров, схема землепользования и пр.).

2. Аналитические данные лабораторных исследований (либо полевых экспресс-методов) почвенных образцов по горизонтам: гранулометрический и агрегатный состав, плотность, рН, содержание гумуса, удельная электропроводность.

3. Информация, извлеченная из справочных таблиц TUSEC, данные которых используются в расчетах.

Для каждой функции предложена пошаговая процедура оценки. Такие ЭФП, как среда обитания человека, трансформационная среда, природный и культурный архив, оцениваются качественно на основании полевых обследований и описаний (экспертная оценка) и в некоторых случаях (наличие загрязнения) требуют дополнительных аналитических исследований. Остальные ЭФП определяются по следующим комплексным параметрам: полевая влагоемкость, доступная влага, коэффициент фильтрации, пористость, содержание воздуха (в макро- порах) и емкость катионного обмена. Эти ком- плексные параметры получены авторами путем корреляционного анализа больших объемов данных с помощью педотрансферных функций и представлены в виде справочных таблиц, в которых определяются по набору легко измеряемых почвенных свойств.

Расчет комплексных параметров для полного почвенного профиля производится по следующей общей формуле:, где Ft – почвенный параметр для полного профиля; Fi – почвенный параметр для горизонта i; Hi – мощность горизонта i; Ci – скелетная часть горизонта i; n – количество почвенных горизонтов.

Несмотря на то, что метод соблюдает принцип минимального набора данных (Minimum Data Set) и не требует сложных лабораторных анализов, он достаточно трудоемок. Ситуация осложняется еще и тем, что традиционно в почвоведении наличие множественной разноплановой информации об объектах создает трудности при ее хранении и обработке. Была поставлена задача создания ПО, удовлетворяющего следующим пользовательским запросам:

-      ввод и хранение данных о свойствах почвенных профилей (полевое описание, аналитические данные, фото) в БД;

-      использование информации БД для оценки ЭФП и представление результатов оценки в графическом виде;

-      возможность моделирования сценариев деградации и сохранения почвы;

-      возможность экспорта сохраненной и полученной информации;

-      наличие инструмента управления БД.

Общее описание и программный инструментарий

ПО Soil & Environment (S&E) разработано в соответствии со стандартом NMX-I-045-NYCE (Мексиканский стандарт информационных технологий). Была выбрана каскадная модель жизненного цикла. Для разработки использовался язык программирования Java, достоинствами которого являются независимость от операционной системы, высокая производительность, открытый исходный код. Java – это глобальный стандарт для разработки и распространения мобильных и встроенных приложений, игр, веб-контента и ПО предприятий [13]. Eclipse – интегрированная среда разработки для написания, тестирования и отладки модульных кроссплатформенных приложений. Подключаемые модули обеспечивают функциональность, благодаря которой Eclipse оптимизируется под разработку программ определенного рода [14]. Apache Derby – реляционная СУБД объемом 2 МБ. Этот программный продукт основан на Java, поддержка JDBC позволяет встраивать Derby в любом реше- нии Java. СУБД Derby проста в установке, развертывании и использовании, поддерживает синтаксис SQL и режим клиент-сервер [15].

Была спроектирована и разработана БД на СУБД Derby через Java-код для хранения информации о полевых и лабораторных исследованиях почвенных профилей и их местоположений (рис. 1).

Для оптимизации классификации почв есть возможность загрузки изображения профиля. Чтобы БД не потребляла много памяти, файлы с ключом профиля и конкретного имени сохраняются в системной папке с доступом к этой информации через запрос. Оценочные уравнения были систематизированы, создан способ доступа к ним из интерфейса. Алгоритмы расчетов были переведены в исходный код, информация, необходимая для оценки почв, запрашивается у пользователя, а результаты выводятся в интерфейсе. Разработаны функции для выполнения операций запроса, обновления и удаления информации БД с разрешением доступа к этим функциям с помощью пользовательского интерфейса. Разработаны шаблон в формате .xls для автоматического ввода данных, а также функция экспорта данных из ПО. Также есть возможность представления результатов расчетов в графической форме. Функции запроса выполня- ются через Java-код и язык SQL.

Минимальные системные требования для эксплуатации S&E: виртуальная машина Java 1.6 или более поздней версии; процессор Intel или AMD с тактовой частотой 1 ГГц; 256 МБ выделенной оперативной памяти; 32 МБ видеопамяти для редактирования или просмотра .xls; для операционной системы Windows доступные версии Windows XP SP3 и Windows Installer 3.1 или их более поздние версии.

Графический интерфейс S&E

В настоящее время ПО доступно на английском и испанском языках и имеет дружественный интерфейс. Главное окно программы содержит две панели – «Меню» и «Инструменты» (рис. 2).

Панель «Меню» включает следующие элементы: Site (Местоположение), Profile (Профиль), Scenarios (Сценарии), Environmental functions (Экологические функции), Database (База данных) и Help (Помощь). Содержание панели «Инструменты» изменяется в зависимости от открытого меню.

Меню «Местоположение» позволяет вводить данные о местоположении описываемого почвенного профиля: имя автора, название местности, склон в градусах, растительный покров, географические координаты. Доступны инструменты New site (создать новый), Edit site (редактировать), Remove site (удалить) (рис. 2). Данные о координатах дают возможность пространственно привязывать информацию о почвенном профиле в геоинформационной системе.

Меню «Профиль» представляет информацию о почвенном профиле в табличной форме. В правой части окна выводится информация о местоположении профиля (выбор с помощью кнопки Search (поиск)), его шифр, классификационная принадлежность, тип землепользования. Также здесь можно внести свои примечания и прикрепить фото. Цен- тральная часть окна «Профиль» имеет три вкладки: Field properties (полевые свойства), Laboratory properties (лабораторные свойства) и Pedo-ecological (почвенно-экологические). Информацию о полевых и лабораторных свойствах вводят непосредственно в таблицу программы либо можно загрузить готовый шаблон .xls. Стандартную текстовую информацию о почвенных свойствах можно также выбрать, нажав правой кнопкой мыши на соответствующую ячейку (рис. 3). Можно редактировать информацию в ячейках либо целую строку, используя инструмент Insert/Remove horizon (вставить/удалить горизонт). Актуальная информация сохраняется в БД с помощью инструмента Save and New (сохранить и обновить). Для расчета почвенно-экологических свойств, необходимых для оценки ЭФП, используется инструмент Pedo-ecological assessment (почвенно-экологическая оценка) на основании данных лабораторных анализов и справочных таблиц TUSEC. Для экспорта данных о почвенном профиле S&E генерирует файл с расширением .xlsx.

Меню «Экологические функции» позволяет оценивать ЭФП по алгоритмам TUSEC. Качественные функции оцениваются на основании экспертных решений (предложен список). Количественные функции рассчитываются программой на основании данных, сохраненных в БД. Выбор оцениваемой функции осуществляется из выпадающей вкладки (рис. 4).

Перечень ЭФП аналогичен TUSEC, плюс оценка содержания органического углерода, рассчитанная по формуле , где COt – содержание органического углерода в полном профиле (т/га); FEi – содержание мелкозема в горизонте i (кг/м2); COi – содержание органического углерода в горизонте i (%); n – количество почвенных горизонтов [16].

Данные оценки доступны в табличной форме в меню Search (Поиск) вкладки «Экологические функции», их можно экспортировать как по отдельности, так и вместе (данные оценки всех экологических функций для выбранного профиля в формате .xlsx). Также возможно графическое представление результатов оценки экологических функций в меню Graphics (Графики) вкладки «Экологические функции». Из предложенного списка зарегистрированных профилей выбирают необходимый профиль, для него отображается радиальный график оценки экологических функций (рис. 5), который также можно экспортировать как изображение.

Меню «Сценарии» дает возможность применить экспертные знания к созданию прогнозной модели деградации или сохранения почвенного покрова в зависимости от типа использования земли. Экстенсивное земледелие, интенсивный выпас, сведение леса и пр. приводят к усиленной эрозии и дефляции, а также к частичной или полной утрате горизонта А, а иногда и части В. Наоборот, применение консервативных мер для сохранения почвенного покрова способствует восстановлению и увеличению мощности горизонта А. В меню «Сценарии», выбрав необходимый почвенный разрез и внеся изменения в таблицу с данными посредством инструмента «Вставить/Удалить горизонт», можно рассчитать, как изменятся ранг ЭФП и содержание органического углерода при изменении мощности горизонтов. Полученную информацию также можно отображать графически. На рисунке 6 показаны графики содержания углерода в почве биосферного заповедника Sierra Gorda (Мексика) для оригинального профиля (природоохранное использование), а также сценарий деградации (выпас) и сохранения (лес).

Меню «База данных» – простой и удобный инструмент для управления БД, позволяет создавать, изменять, указывать маршрут, сохранять резервные копии и удалять БД.

Меню «Помощь» дает краткое описание и руководство пользователя S&E.

Разработанный программный продукт S&E предоставляет помощь в планировании пространственных решений на основании оценки экологических функций почв и позволяет оценить возможные последствия различных видов землепользования с помощью моделирования сценариев деградации и сохранения почв. ПО является простым и удобным инструментом для хранения многоплановой информации о почвенных исследованиях в БД, а также предоставляет возможности ее пространственной привязки в геоинформационной системе и экспорта данных в табличной форме. В настоящее время ведется работа по оптимизации ПО и расширению набора возможных оценок.

Литература

1.     Millennium Ecosystem Assessment (MEA). Ecosystems and human well-being: current state and trends. Island Press, 2005, vol. 1, 919 p.

2.     Конюшков Д.Е. Формирование и развитие концепции экосистемных услуг: обзор зарубежных публикаций // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. 2015. № 80. С. 26–49.

3.     Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. 137 с.

4.     Blum W.E.H. Functions of soil for society and the environment. Reviews in Environmental Science and Bio-Technology, 2005, no. 4, pp. 75–79.

5.     Lavelle P., Decaëns T., Aubert M., Barot S., Blouin M., Bureau F., Margerie P., Mora P., Rossi J.-P. Soil invertebrates and ecosystem services. European Journ. of Soil Biology, 2006, no. 42, pp. 3–15.

6.     Lambin E.F., Turner B.L., Geist H.J., Agbola S.B., Angel- sen A., Bruce J.W., Coomes O.T., Dirzo R., Fischer G., Folke C., George P.S., Homewood K., Imbernon J., Leemans R., Li X., Mo- ran E.F., Mortimore M., Ramakrishnan P.S., Richards J.F., Ska- nes H., Steffen W., Stone G.D., Svedin U., Veldkamp T.A., Vo- gel C., Xu J. The causes of land-use and land-cover change: moving beyond the myths. Global Environmental Change, 2001, no. 11, pp. 261–269.

7.     Bouma J. Soils are back on the global agenda: Now what? Geoderma, 2009, no. 150, pp. 224–225.

8.     Lehmann A., & Stahr K. The potential of soil functions and planner-oriented soil evaluation to achieve sustainable land use. Journal of Soils and Sediments, 2010, no. 10 (6), pp. 1092–1102.

9.     Food and agriculture organization of the United Nations (FAO). Soil degradation. URL: http://www.fao.org/soils-portal/soil-degradation-restoration (дата обращения: 27.11.2015). 10.  Mueller L., Schindler U., Mirschel1 W., Shepherd T.G., Ball B.C., Helming K., Rogasik J., Eulenstein F., Wiggering H. Assessing the productivity function of soils. A review. Agron. Sustain. Dev., 2010, no. 30, pp. 601–614.

11.  De la Rosa D., Anaya-Romero M., Díaz-Pereira E., Here- dia N., Shahbazi F. Soil-specific agro-ecological strategies for sustainable land use – a case study by using MicroLEIS DSS in Sevilla Province (Spain). Land Use Politicy, 2009, no. 26, pp. 1055–1065.

12.  Lehmann A., David S., Stahr K. TUSEC – Handbuch zur Bewertung von natürlichen Böden und anthropogenen Stadtböden [TUSEC – a manual for the evaluation of natural soils and anthropogenic urban soils]. Hohenheimer Bodenkundliche Hefte, 2008, 224 p.

13.  Oracle. Java. 2015. URL: https://www.java.com/es/about (дата обращения: 18.11.2015).

14.  Eclipse Foundation. IDE Eclipse. 2015. URL: https:// eclipse.org (дата обращения: 18.11.2015).

15.  Apache. Apache Derby. 2015. URL: http://db.apache.org/ derby (дата обращения: 18.11.2015).

16.  Ortiz-Villanueva B., & Ortiz-Solorio C. Edafología. Universidad Autónoma de Chapingo. México, 1990, 394 p.