Агроекологічні детермінанти просторово-часової динаміки продукційного потенціалу сільськогосподарських ландшафтів Поліської та Лісостепової зон України

Abstract

Визначення детермінантів просторово-часової динаміки продукційного потенціалу сільськогосподарських ландшафтів Поліської та Лісостепової зон України є актуальною науковою проблемою, оскільки ця інформація є підґрунтям для реалізації будь-якої стратегії управління сільськогосподарським виробництвом щодо забезпечення продовольчої безпеки та сталого розвитку агроландшафтів. Метою роботи є встановлення закономірностей просторово-часового варіювання продукційного потенціалу сільськогосподарських ландшафтів у Поліський та Лісостеповій зонах України. У роботі вирішені наступні завдання: встановлено загальний тренд, що відображає просторово-часову мінливість врожайності основних сільськогосподарських культур на території ряду областей України у Лісостеповій та Поліській зонах впродовж 1991–2017 рр.; показано можливість застосування особливих точок поліноміальної кривої щодо змістовної інтерпретації динаміки урожайності та картування регіонів України, які мають найбільший продукційний потенціал для вирощування конкретних культур; визначено співвідношення факторів динаміки урожайності культур агроекономічної та агроекологічної природи та виявлено фактори, які на даному етапі розвитку аграрного комплексу України, лімітують урожайність сільськогосподарських культур; відокремлено коливальну складову варіювання урожайності культур у часі під впливом комплексу агроекологічних факторів; доведена можливість дослідження локальних трендів часового варіювання урожайності за допомогою географічно зваженого аналізу головних компонент; розроблено методику агродинамічного районування території, яка може стати основою для прийняття рішень з управління посівами сільськогосподарських культур; виявлені кліматичні фактори, які найбільше впливають на варіювання параметрів урожайності сільськогосподарських культур та виділені території, де урожайність критично залежить від цих факторів; з’ясовано основні ґрунтові предиктори варіювання показників врожайності; оцінено внесок показників ландшафтного різноманіття у варіювання параметрів урожайності сільськогосподарських культур. Об’єктом дослідження є продукційний потенціал сільськогосподарських ландшафтів Поліської та Лісостепової зон України. Предметом вивчення є моделі просторово-часового варіювання продукційного потенціалу агроландшафтів Поліської та Лісостепової зон України. У дисертації уперше встановлені статистичні моделі просторовочасового варіювання врожайності основних сільськогосподарських культур на території 10 областей Поліської та Лісостепової зон України; визначено внесок факторів різної природи у варіювання урожайності культур; застосовано аналіз географічно-зважених головних компонент для виявлення локальних моделей варіювання продукційного потенціалу територій; введено новий термін – «агродинамічне районування», який запропоновано застосовувати до територіальних одиниць, котрі характеризуються однаковою часовою динамікою урожайності; розроблена методика агродинамічного районування територій; виявлено основні агроекологічні детермінанти продукційного потенціалу агроландшафтів Поліської та Лісостепової зон; встановлено патерни взаємодії між факторами ландшафтного різноманіттям та урожайністю сільськогосподарських культур у великих просторових масштабах. У роботі удосконалено: концепцію продукційного потенціалу сільськогосподарських ландшафтів, методику картування територій за рівнем продукційного потенціалу, методологію агроекологічного зонування, прикладні аспекти застосування ГІС технологій для моніторингу та прогнозування продукційного потенціалу територій. У дисертаційному дослідженні набули подальшого розвитку статистичні методики відокремлення агроекономічних від агроекологічних аспектів варіювання урожайності культур, дослідження продукційного потенціалу території України, концепція закону мінімуму Лібіха, уявлення про вплив зміни клімату на урожайність культур на території Поліської та Лісостепової зон України. Результати роботи розвивають просторову агроекологію як цілісний напрямок та можуть бути застосовані для наукового обґрунтування заходів з управління посівами на території Поліської та Лісостепової зон України. Принципи та методи розроблені у дисертації лягли в основу моделювання продукційного потенціалу агроландшафтів на території Поліської та Лісостепової зон України. Дослідження детермінантів просторово-часових трендів урожайності культур надає практичні інструменти для екологічної оцінки сільськогосподарських ландшафтів та їх потенціалу щодо вирощування конкретних культур. У роботі розроблена і апробована методика агродинамічного районування території на основі динамічних аспектів варіювання урожайності сільськогосподарських культур. Цей методичний прийом має значне практичне значення і є принципово іншим, ніж класичне зонування території на основі загального рівня урожайності сільськогосподарських культур, оскільки більше відповідає сучасним вимогам, бо у ньому враховані різноманітні аспекти варіювання урожайності, які є неминучими в умовах глобальних змін клімату та трансформації екосистем. Для моделювання продукційного потенціалу агроекосистем за впливів кліматичних змін та деградаційних процесів у ґрунтах, здійснені нами дослідження можуть стати відправною точкою. У зв’язку з важливими «екосистемними послугами» об’єктів природо-заповідного фонду або природних осередків поблизу агроландшафтів, отримані результати можуть бути використані при обґрунтуванні створення нових об’єктів такого скерування, а, так звані, «екосистемні послуги» ще й можуть бути економічно обраховані на основі отриманих нами статистичних закономірностей. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і новий підхід вирішення наукової проблеми встановлення та аналізу моделей просторовочасового варіювання продукційного потенціалу сільськогосподарських ландшафтів у Поліській та Лісостеповій зонах України. Урожайність культур розглядається як маркер продукційного потенціалу агроландшафтів. Загальний тренд просторової та часової динаміки урожайності основних сільськогосподарських культур на території Поліської та Лісостепової зон України, може бути описаний поліномом четвертого ступеня. Природа тренду має агроекономічне походження, оскільки він повністю віддзеркалює економічний цикл, який пройшла Україна за період 1991–2017 рр. Для описання динаміки урожайності культур можна змістовно інтерпретувати та застосовати особливі точки поліноміальної кривої четвертого порядку. Так, на урожайність культури в стартовий період вказує вільний член поліному. Він може бути індикатором сприятливих ґрунтово-кліматичних умов для вирощування конкретної культури. Показники максимальної швидкості зростання та зменшення урожайності є маркерами стабільності агроекосистем до зовнішніх впливів. Як показник ролі агротехнологічних та агроекономічних чинників у динаміці врожайності може бути інтерпретований коефіцієнт детермінації регресії загального тренду, а його картування дозволяє виділити території, які найбільш чутливі до цих факторів. Найбільш чутливою культурою до впливу агроекономічних та агротехнологічних факторів є цукровий буряк, а найменш чутливою – соняшник. Встановлено, що роль лімітуючих факторів для агроекологічних систем регіонів України, які знаходяться далеко від максимальної екологічної ємності, виконують агроекономічні та агротехнологічні фактори. Україна наразі має потенціал стати надійним постачальником сільськогосподарських культур на світові ринки за умови якісної перебудови виробництва, а це потребує економічних витрат та впровадження новітніх агротехнологічних підходів. У результаті аналізу головних компонент нами була виявлена просторова компонента варіювання залишків регресійних моделей урожайності культур, а це свідчить про те, що ці залишки є просторово-структурованими, а отже, є результатом впливу не випадкових чинників, а регулярної екологічної складової, яка має регіональні відмінності. Також, глобальний аналіз головних компонент виявив наявність динамічних процесів середньої урожайності культур коливальної природи з різною частотою під впливом агроекологічних факторів. За допомогою географічно-зваженого аналізу головних компонент встановили, що на досліджуваній території існують зони з певними закономірностями часової динаміки урожайності культур під впливом екологічних факторів, які є однорідними всередині кожної області, але якісно відрізняються між зонами. Знання цих динамічних аспектів варіювання урожайності є необхідним для управління посівами сільськогосподарських культур. На основі принципу однорідності характеру динаміки продукційного потенціалу сільськогосподарських територій нами виконано виділення агродинамічних кластерів, які віддзеркалюють характер взаємозв’язків між окремими просторовими одиницями. Кожний кластер характеризується певним характером динаміки продукційного потенціалу та, у певному діапазоні, інваріантними патернами реагування на варіювання агроекологічних чинників. У результаті аналізу головних компонент виділено 4 головних кліматичних компоненти, які разом пояснюють 92,5% варіабельності простору ознак. Параметри урожайності кукурудзи, сої, картоплі та соняшнику проявляють найбільшу кореляцію до показника континентальності клімату. Урожайність цукрового буряка і жита найбільш чутливі до мінливості температурного режиму в екстремальні періоди року, а параметри урожайності овочів залежить від мінливості температурних умов в період вегетації. Всі зазначені закономірності проявляються у просторовому варіюванні урожайності культур. Так, зокрема, урожайність культур зростає з півночі на південь дослідженого регіону. Факторний аналіз просторової варіабельності ґрунтових умов виділив 6 головних компонент, які пояснюють 98,5% загальної варіабельності ґрунтових умов. Кожна з шести компонент проявляє найбільшу кореляцію із однією або декількома ґрунтовими змінними. Урожайність усіх досліджених культур, за виключенням картоплі, у найбільшій мірі знаходиться у залежності від гранулометричного складу ґрунтів, при цьому проявляє негативну кореляцію до вмісту піску. Параметри урожайності картоплі (ухил логарифмічної прямої, нижня та верхня границя продуктивності) найбільшу кореляцію проявляють до вмісту мулу у ґрунті. У ході дослідження виявлено значний вплив показників ландшафтного різноманіття на параметри урожайності усіх досліджених культур. Причому, як правило, ці залежності мають нелінійний характер, а це свідчить про те, що існує якийсь оптимальний рівень ландшафтного різноманіття для досягнення максимально можливої урожайності культури. Майже в усіх досліджуваних культур (за винятком сої) параметр максимального рівня урожайності проявляє залежність від показників ландшафтного різноманіття. Цей показник, який по суті і віддзеркалює продукційний потенціал території, проявляє найбільшу чутливість до екологічних факторів (від 35 до 70% в залежності від культури). Це пояснюється тим, що на даному етапі розвитку сільськогосподарського виробництва, коли потенціал агротехнологій вже майже повністю вичерпаний, на передній план виходять екологічні фактори, які і визначають верхній ліміт урожайності культур. За умов посиленого тиску на природні екосистеми, точна оцінка впливу екологічних чинників на продукційний потенціал агроландшафтів є надзвичайно важливим завданням, оскільки дозволяє адаптувати агроекосистеми до можливих змін у навколишньому середовищі. Defining the determinants of the spatiotemporal dynamics of the productive potential of agricultural landscapes in the Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine is an urgent scientific problem, which is the basis for the implementation of any agricultural management strategy for ensuring food security and sustainable development of agricultural lands. The aim of this study is to establish regularities of the spatio-temporal variation of the productive potential of agricultural landscapes in the Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine. The following tasks are solved in the dissertation: the general trends of yield spatiotemporal variability within the administrative regions in Polissia and Forest-steppe zones of Ukraine during 1991– 2017 were established; the possibility of using characteristic points of the polynomial curve for meaningful interpretation of yield dynamics and mapping of areas of Ukraine that have the highest production potential for crops cultivation was shown; the contribution of agroeconomic and agroecological factors in crop yields dynamics was determined and factors that limiting land productive potential at the current stage of the agrarian complex of Ukraine development were identified; the oscillatory component of yield variation over time under the influence of a complex of agro-environmental factors was differentiate; the possibility of investigating local patterns of yield temporal variation due to geographically weighted principal components analysis has been proved; the methodology for agrodynamic zoning of the territory, which can become the basis for crop management decision was developed; climatic factors that most influence the variation of crop yield parameters were identified and areas where yields are critically dependent on these factors were determined; the major soil predictors of productivity indicators variation were found out; the contribution of landscape diversity to the variation of crop yield parameters was evaluated. The object of the study is the productive potential of agricultural landscapes in the Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine. The study subject is models of spatiotemporal variation of production potential of agricultural landscapes of Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine. In the thesis, for the first time, the statistical models of spatial and temporal variation of the crops yields on the territory of 10 regions of the Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine were established; the contribution of different factors to the crop yield variation was determined; the geographically weighted principal components analysis was applied to identify local patterns of land productive potential variation; a new term – "agrodynamic zoning", which is proposed to be applied to the territorial units, which are characterized by the same temporal dynamics of productivity was introduced and the methodology for the agrodynamic zoning of territories was developed; the basic agro-ecological determinants of the land production potential of the Polissia and Forest-steppe zones were identified; the patterns of interaction between landscape diversity and crop yields on a large spatial scale have been established. The study improved: the concept of the productive potential of agricultural landscapes, the methodology of mapping territories by the level of productive potential, agro-ecological zoning methodology, applied aspects of GIS technologies for monitoring and forecasting of land productive potential. In the dissertation have been further developed: the statistical methods of separating agro-economic from agroecological aspects of crop yield variation, the study of the land productive potential of Ukraine, the concept of Liebig law of the minimum, an idea of the impact of climate change on crop yields in the Polissya and Forest-Steppe zones of Ukraine. The results develop spatial agroecology as a holistic direction and can be applied for scientific substantiation of crop management in the areas of Polissia and Forest-steppe zones of Ukraine. The principles and methods developed in the dissertation formed the basis for modelling the productive potential of agricultural landscapes in the Polissya and Forest-Steppe zones of Ukraine. Research of the determinants of the yields spatiotemporal trends provides practical tools for the ecological assessment of agricultural landscapes and their potential for crop-specific cultivation. The method of agrodynamic zoning of the territory was developed and tested on the basis of dynamic aspects of crop yield variation. This technique has considerable practical importance and is fundamentally different from the classical zoning of the territory based on the average level of crop yields. Our methodological approach is more consistent with current requirements because it takes into account various aspects of yield variation, which are inevitable in the context of the global climate change and ecosystem transformation. The study can be a starting point for the modelling of the productive potential of agroecosystems which are influenced by climate change and degradation soils processes. The results can also be used to justify the creation of new nature reserve assets or natural cells near agro-landscapes due to their important "ecosystem services". Moreover, based on the obtained statistical regularities, these ecosystem services can be economically calculated. The dissertation presents a theoretical generalization and a new approach to solving the scientific problem of modelling spatiotemporal variation of the productive potential of agricultural landscapes in the Polissya and Forest-steppe zones of Ukraine. Crop yield is the marker of agricultural landscapes' productive potential. The general trend of spatiotemporal dynamics of basic crops yield in the Polissia and Forest-steppe zones of Ukraine can be described by the fourth-degree polynomial. The general trend has agro-economic origin because it fully reflects the economic cycle that Ukraine has over the period 1991–2017. The characteristic points of the fourth-degree polynomial curve can be meaningfully interpreted and applied to describe the dynamics of crop yields. In particular, the constant term of polynomial equation (constant b) indicates the productivity of the crop in the starting period. It can be an indicator of favourable soil and climatic conditions for cropspecific cultivation. The indicators of the maximum rate of reduction and the maximum rate of increase of yields can be used as markers of agroecosystem stability to external factors. The coefficient of determination of the general trend regression can be interpreted as an indicator of the role of agro-technological and agro-economic factors in the yield dynamics, and its mapping allows to distinguish the territories most sensitive to these factors. Sugar beet is the most sensitive crop to agro-economic and agro-technological factors, and sunflower is the least sensitive one. We found that the agroecological systems of the regions of Ukraine are far from the maximum ecological capacity, and the role of limiting factors has agro-economic and agro-technological factors. Under the condition of qualitative restructuring of agricultural production, which requires economic costs and the introduction of the latest agrotechnological approaches, Ukraine has the potential to become a reliable breadbasket of the world. According to the principal components analysis, there is a spatial component of variation of crop regression models residuals, which indicates that these residuals are spatially-structured and therefore they are not the result of the random factors influence, but of a regular environmental component that has regional differences. Also, the global principal components analysis revealed the presence of yield dynamic processes of oscillatory nature with different frequency under the influence of agroecological factors. It was established via geographically weighted principal components analysis that there are zones with certain patterns of temporal dynamics of crop yields under the influence of environmental factors, which are homogeneous within each region, but qualitatively different between the zones. Knowledge of these dynamic aspects of crop variation is essential for crop management. Based on the principle of uniformity of land productive potential dynamics character, we distinguished agrodynamic clusters, which reflect the nature of interconnections between separate spatial units. Each cluster is characterized by a specific nature of productive potential dynamics and, in a certain range, by invariant patterns of response to ecological changes. As a result of the principal component analysis, 4 principal climate components were identified, which together account 92.5% of the variability of the feature space. Yields parameters of corn, soybeans, potatoes and sunflowers show the highest correlation with the index of climate continentality. Sugar beet and rye yields are the most sensitive to temperature variability in extreme seasons, and vegetable yields depend on temperature variability during the growing season. All these patterns are manifested in the spatial variation of crop yields. Thus, in particular, crop yields increase from the north to the south of the studied region. Factor analysis of spatial variability of soil conditions identified 6 principal components that explain 98.5% of the total variability of soil conditions. Each of the six components has the highest correlation with one or several soil variables. The yield of the studied crops, with the exception of potatoes, is most dependent on the particle size distribution of the soil, and negatively correlated with the sand content. Potato yield parameters (logarithmic slope, lower and upper yield limits) are most correlated with the silt content of the soil. The study revealed a significant impact of landscape diversity on the yield parameters of all the studied crops. Typically, these dependencies are nonlinear, indicating that there is an optimal level of landscape diversity to maximize crop yields. The parameter of the maximum level of the yield of all crops (except soybean), shows dependence on landscape diversity. This indicator, which essentially reflects the productive potential of the territory, shows the greatest sensitivity to environmental factors (from 35 to 70% depending on the crop). This is due to the fact that at this stage of agricultural production when the potential of agricultural technologies is almost completely exhausted, environmental factors that determine the upper limit of crop yields come to the fore. In the face of increased pressure on natural ecosystems, accurately assessing the impact of environmental factors on the productive potential of agro-landscapes is an extremely important task as it allows to adapt agroecosystems to possible changes in the environment.