Soil & Environment a tool for soil environmental functions evaluation

Article (PDF Available) · June 2016with 690 Reads
DOI: 10.15827/0236-235X.114.195-200
Cite this publication
Abstract
Soil degradation is a part of total ecological crisis due to the fact that soil is the link of any ecosystem. The soil loses its environmental functions (EF) under the comprehensive loads. One of the key topics of nature protection in the last decade is the evaluation and accounting ecosystem services in human economic activity. Therefore, the search and development of spatial planning tools for areas based on their EF is very important. The article considers the software for evaluation of EF using TUSEC algorithms (Technique for Soil Evaluation and Categorization). The technique implies a score evaluation of basic environmental functions of natural and anthropogenic soils. EF evaluation allows keeping a balance of benefits and losses at a spatial planning as a result of lower environmental impacts on soil functions. The central component of the software is a relational DBMS Derby designed in Java using IDE Eclipse. Data on the site, field description and analysis of soil profiles are stored in the database using input tools. Intermediate calculations and evaluation of EF is based on input data by TUSEC algorithms. The forcasting modeling tool allows calculating the change of EF ranks for different types of land use. The evaluation results of EF and predictive models can be presented by graphs. Export of tabular and graphical information is possible as well as the spatial reference data into the GIS. Friendly interface for data input and output and database management is designed for users who do not know SQL query language.
Figures - uploaded by Francisco Bautista
Author content
All content in this area was uploaded by Francisco Bautista
Content may be subject to copyright.
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
195
УДК 004.65+631.474 Дата подачи статьи: 24.12.15
DOI: 10.15827/0236-235X.114.195-200
SOIL & ENVIRONMENT КАК ИНСТРУМЕНТ
ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ ПОЧВ
(Работа поддержана Национальным советом по науке и технике
(Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT)), проект № CB-2011-01-169915)
Анхелес Гайегос-Тавера, аспирант, lady-angie_89@hotmail.com;
Франциско Батиста, старший научный сотрудник, leptosol@ciga.unam.mx
(Центр географических исследований окружающей среды,
Национальный автономный университет Мексики, Старое шоссе на Патцкуаро № 8701,
Колония Экс-Асиенда Сан-Хосе да ла Уэрта, 58190, Морелия, Мексика);
И.А. Дубровина, к.с.-х.н., научный сотрудник, vorgo@mail.ru
(Институт биологии Карельского научного центра РАН,
ул. Пушкинская, 11, г. Петрозаводск, 185910, Россия)
Деградация почв одна из составляющих общего экологического кризиса, так как почва является связующим
звеном любой экосистемы. Подвергаясь всесторонним нагрузкам, почва утрачивает свои экологические функции.
В последнее десятилетие одна из ключевых тем природоохранной тематики оценка и учет экосистемных услуг в
хозяйственной деятельности человека, а потому поиск и разработка инструментов пространственного планирования
территорий с учетом их экологических функций являются весьма актуальными. В статье рассмотрено ПО для оценки
экологической функции почвы с использованием алгоритмов TUSEC (Technique for Soil Evaluation and Categorization).
Методика предполагает балльную оценку основных экологических функций естественных и антропогенных почв.
Оценка экологической функции почвы позволяет соблюсти баланс выгоды и потерь при пространственном плани-
ровании в результате более низких экологических воздействий на функции почв. Центральным компонентом ПО яв-
ляется реляционная СУБД Derby, спроектированная на Java с использованием среды разработки Eclipse. Данные о
местоположении почвенных разрезов, полевое описание и аналитическая информация о них сохраняются в БД с по-
мощью инструментов ввода информации. Промежуточные расчеты и оценка экологической функции почвы произво-
дятся на основании внесенных данных по алгоритмам TUSEC. Инструмент прогнозного моделирования позволяет
рассчитать изменение рангов экологической функции почвы при различных типах землепользования. Результаты
оценки экологической функции почвы и прогнозные модели могут быть представлены в графическом виде. Возможны
экспорт табличной и графической информации и пространственная привязка данных в геоинформационной системе.
Удобный интерфейс ввода и вывода информации, а также управления БД рассчитан на пользователей, не владеющих
языком запросов SQL.
Ключевые слова: программное обеспечение, экологические функции почв, оценка почв, землепользование, база дан-
ных.
Со второй половины XX века над человече-
ством нависла угроза экологического кризиса, вы-
званного неконтролируемым использованием при-
родных ресурсов. В 2005 г. по инициативе ООН
была выполнена глобальная оценка состояния эко-
систем [1], после чего стало активно развиваться
новое междисциплинарное направление – эконо-
мика экосистем и биоразнообразия (The Economics
of Ecosystems and Biodiversity). Это попытка увя-
зать проблемы охраны природы и экологической
безопасности с выделением и оценкой экосистем-
ных услуг, с их учетом в планировании хозяйствен-
ной деятельности [2]. Доля участия почвоведения в
новом направлении сравнительно невелика, хотя
очевидно, что грамотное использование почвен-
ных ресурсов – основа благосостояния и развития
любой страны. Почва, являясь связующим звеном
биогеоценоза, влияет на другие геосферные обо-
лочки 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 зем-
лепользовании происходят без учета последствий
этих изменений в химических, физических и био-
логических свойствах почв и, как следствие, ведут
к потере их функций. Деградация почвенного по-
крова и утрата ЭФП являются частью общего эко-
системного кризиса [6–8].
Ввиду этого актуальны поиск систем для управ-
ления почвенными ресурсами и необходимость
создания инструментов пространственного плани-
рования территорий с учетом ЭФП [9]. Следует от-
метить, что до настоящего времени оценка ЭФП
носит в основном частный характер. Так, для сель-
скохозяйственного производства разработано мно-
жество методик и подходов локального и глобаль-
ного уровней [10], есть программные продукты для
агроэкологической оценки и классификации зе-
мель с системой поддержки принятия решений в
управлении производством [11]. Однако традици-
онная оценка делает акцент лишь на почвенной
продуктивности. Для целей нормирования пре-
дельно допустимой концентрации загрязняющих
веществ проводится обобщенная оценка барьерной
функции почв для различных веществ, а для инди-
кации уже имеющихся загрязнений используют по-
казатели микробиологической активности. Однако
для борьбы с деградацией почв одним из важных
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
196
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 категориза-
ции почв (Technique for Soil Evaluation and Catego-
rization, TUSEC) для планирования территории
[12]. Она предлагает балльную оценку ЭФП есте-
ственных и антропогенных почв. Оценка ЭФП при
пространственном планировании позволит учиты-
вать экологические и экономические риски и при-
нимать более грамотные решения с целью сниже-
ния разрушающих воздействий на функции почв.
Оценочная шкала представлена 5 уровнями: 1
очень высокий, 2 высокий, 3 средний, 4 низ-
кий, 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 ис-
пользование 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, кру-
тизна склона, растительный покров, схема земле-
пользования и пр.).
2. Аналитические данные лабораторных иссле-
дований (либо полевых экспресс-методов) почвен-
ных 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 ос-
новании полевых обследований и описаний (экс-
пертная оценка) и в некоторых случаях (наличие
загрязнения) требуют дополнительных аналитиче-
ских исследований. Остальные ЭФП определяются
по следующим комплексным параметрам: полевая
влагоемкость, доступная влага, коэффициент филь-
трации, пористость, содержание воздуха (в макро-
порах) и емкость катионного обмена. Эти ком-
плексные параметры получены авторами путем
корреляционного анализа больших объемов дан-
ных с помощью педотрансферных функций и пред-
ставлены в виде справочных таблиц, в которых
определяются по набору легко измеряемых почвен-
ных свойств.
Расчет комплексных параметров для полного
почвенного профиля производится по следующей
общей формуле:
1* * 1 100
ni
t i i
i
C
F F H







, где Ft
почвенный параметр для полного профиля; Fi
почвенный параметр для горизонта i; Hi мощ-
ность 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 об-
работке. Была поставлена задача создания ПО, удо-
влетворяющего следующим пользовательским за-
просам:
ввод и хранение данных о свойствах почвен-
ных профилей (полевое описание, аналитические
данные, фото) в БД;
использование информации БД для оценки
ЭФП и представление результатов оценки в графи-
ческом виде;
возможность моделирования сценариев де-
градации и сохранения почвы;
возможность экспорта сохраненной и полу-
ченной информации;
наличие инструмента управления БД.
Общее описание
и программный инструментарий
ПО Soil & Environment (S&E) разработано в со-
ответствии со стандартом NMX-I-045-NYCE (Мек-
сиканский стандарт информационных техноло-
гий). Была выбрана каскадная модель жизненного
цикла. Для разработки использовался язык про-
граммирования Java, достоинствами которого яв-
ляются независимость от операционной системы,
высокая производительность, открытый исходный
код. Java это глобальный стандарт для разработки
и распространения мобильных и встроенных при-
ложений, игр, веб-контента и ПО предприятий [13].
Eclipse интегрированная среда разработки для
написания, тестирования и отладки модульных
кроссплатформенных приложений. Подключаемые
модули обеспечивают функциональность, благо-
даря которой Eclipse оптимизируется под разра-
ботку программ определенного рода [14]. Apache
Derby реляционная СУБД объемом 2 МБ. Этот
программный продукт основан на Java, поддержка
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
197
JDBC позволяет встраивать Derby в любом реше-
нии Java. СУБД Derby проста в установке, развер-
тывании и использовании, поддерживает синтак-
сис SQL и режим клиент-сервер [15].
Была спроектирована и разработана БД на
СУБД Derby через Java-код для хранения информа-
ции о полевых и лабораторных исследованиях поч-
венных профилей и их местоположений (рис. 1).
Для оптимизации классификации почв есть воз-
можность загрузки изображения профиля. Чтобы
БД не потребляла много памяти, файлы с ключом
профиля и конкретного имени сохраняются в си-
стемной папке с доступом к этой информации
через запрос. Оценочные уравнения были система-
тизированы, создан способ доступа к ним из интер-
фейса. Алгоритмы расчетов были переведены в
исходный код, информация, необходимая для
оценки почв, запрашивается у пользователя, а ре-
зультаты выводятся в интерфейсе. Разработаны
функции для выполнения операций запроса, обнов-
ления и удаления информации БД с разрешением
доступа к этим функциям с помощью пользова-
тельского интерфейса. Разработаны шаблон в фор-
мате .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 экс-
плуатации S&E: виртуальная машина Java 1.6 или
более поздней версии; процессор Intel или AMD с
тактовой частотой 1 ГГц; 256 МБ выделенной опе-
ративной памяти; 32 МБ видеопамяти для редакти-
рования или просмотра .xls; для операционной си-
стемы Windows доступные версии Windows XP SP3
и Windows Installer 3.1 или их более поздние вер-
сии.
Графический интерфейс S&E
В настоящее время ПО доступно на английском
и испанском языках и имеет дружественный интер-
фейс. Главное окно программы содержит две па-
нели – «Меню» и «Инструменты» (рис. 2).
Панель «Меню» включает следующие эле-
менты: Site (Местоположение), Profile (Профиль),
Scenarios (Сценарии), Environmental functions (Эко-
логические функции), Database (База данных) и
Help (Помощь). Содержание панели «Инстру-
менты» изменяется в зависимости от открытого
меню.
Меню «Местоположение» позволяет вводить
данные о местоположении описываемого почвен-
ного профиля: имя автора, название местности,
склон в градусах, растительный покров, географи-
ческие координаты. Доступны инструменты New
site (создать новый), Edit site (редактировать),
Remove site (удалить) (рис. 2). Данные о координа-
тах дают возможность пространственно привязы-
вать информацию о почвенном профиле в геоин-
формационной системе.
Меню «Профиль» представляет информацию о
почвенном профиле в табличной форме. В правой
части окна выводится информация о местоположе-
нии профиля (выбор с помощью кнопки Search (по-
иск)), его шифр, классификационная принадлеж-
ность, тип землепользования. Также здесь можно
внести свои примечания и прикрепить фото. Цен-
тральная часть окна «Профиль» имеет три вкладки:
Рис. 2. Главное окно программы
Fig. 2. Program main window
Полевые
и лаборатор-
ные данные
о профиле
Интерфейс
ввода данных
о профиле
БД
почвенных
профилей
Интерфейс
оценки
экологических
функций
сценариев
Интерфейс
запроса данных
Интерфейс
управления БД
Данные
о местоположе-
нии
Интерфейс
ввода данных
о местоположе-
нии
Данные и гра-
фики оценки
и сценариев
Рис. 1. Общая схема S&E
Fig. 1. S&E general scheme
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
198
Field properties (полевые свойства), Laboratory
properties (лабораторные свойства) и Pedo-
ecological (почвенно-экологические). Информацию
о полевых и лабораторных свойствах вводят непо-
средственно в таблицу программы либо можно за-
грузить готовый шаблон .xls. Стандартную тексто-
вую информацию о почвенных свойствах можно
также выбрать, нажав правой кнопкой мыши на со-
ответствующую ячейку (рис. 3). Можно редактиро-
вать информацию в ячейках либо целую строку, ис-
пользуя инструмент Insert/Remove horizon (вста-
вить/удалить горизонт). Актуальная информация
сохраняется в БД с помощью инструмента Save and
New (сохранить и обновить). Для расчета поч-
венно-экологических свойств, необходимых для
оценки ЭФП, используется инструмент Pedo-
ecological assessment (почвенно-экологическая
оценка) на основании данных лабораторных анали-
зов 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. Качествен-
ные функции оцениваются на основании эксперт-
ных решений (предложен список). Количествен-
ные функции рассчитываются программой на
основании данных, сохраненных в БД. Выбор оце-
ниваемой функции осуществляется из выпадаю-
щей вкладки (рис. 4).
Перечень ЭФП аналогичен TUSEC, плюс
оценка содержания органического углерода, рас-
считанная по формуле
 
1* /100
n
t i i
i
CO FE CO
,
где COt содержание органического углерода в
полном профиле /га);
FEi содержание мелко-
зема в горизонте i (кг/м2);
COi содержание органи-
ческого углерода в гори-
зонте i (%); n количество
почвенных горизонтов
[16].
Данные оценки до-
ступны в табличной
форме в меню Search (По-
иск) вкладки «Экологиче-
ские функции», их можно
экспортировать как по от-
дельности, так и вместе
(данные оценки всех эко-
логических функций для
выбранного профиля в
формате .xlsx). Также воз-
можно графическое пред-
ставление результатов
оценки экологических
функций в меню Graphics
(Графики) вкладки «Эко-
логические функции». Из
предложенного списка за-
регистрированных профилей выбирают необходи-
мый профиль, для него отображается радиальный
график оценки экологических функций (рис. 5), ко-
торый также можно экспортировать как изображе-
ние.
Меню «Сценарии» дает возможность приме-
нить экспертные знания к созданию прогнозной
модели деградации или сохранения почвенного по-
крова 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, приме-
нение консервативных мер для сохранения почвен-
ного покрова способствует восстановлению и уве-
личению мощности горизонта А. В меню «Сцена-
рии», выбрав необходимый почвенный разрез и
внеся изменения в таблицу с данными посредством
инструмента «Вставить/Удалить горизонт», можно
рассчитать, как изменятся ранг ЭФП и содержание
Рис. 4. Вкладка «Экологические функции»
Fig. 4. Environmental functions inset
Рис. 3. Окно с данными почвенного профиля
Fig. 3. A window with data of soil profile
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
199
органического углерода при изменении мощности
горизонтов. Полученную информацию также
можно отображать графически. На рисунке 6 пока-
заны графики содержания углерода в почве био-
сферного заповедника Sierra Gorda (Мексика) для
оригинального профиля (природоохранное исполь-
зование), а также сценарий деградации (выпас) и
сохранения (лес).
Меню «База данных» – простой и удобный ин-
струмент для управления БД, позволяет создавать,
изменять, указывать маршрут, сохранять резерв-
ные копии и удалять БД.
Меню «Помощь»
дает краткое описание
и руководство пользо-
вателя S&E.
Разработанный про-
граммный продукт S&E
предоставляет помощь
в планировании про-
странственных реше-
ний на основании
оценки экологических
функций почв и позво-
ляет оценить возмож-
ные последствия раз-
личных видов земле-
пользования с помо-
щью моделирования
сценариев деградации и
сохранения почв. ПО
является простым и
удобным инструмен-
том для хранения мно-
гоплановой информа-
ции о почвенных иссле-
дованиях в БД, а также
предоставляет возмож-
ности ее простран-
ственной привязки в геоинформационной системе
и экспорта данных в табличной форме. В настоя-
щее 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. 7579.
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. 315.
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. 261269.
7. Bouma J. Soils are back on the global agenda: Now what?
Geoderma, 2009, no. 150, pp. 224225.
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. 10921102.
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.
Рис. 5. Окно с графиком оценки экологических функций
Fig. 5. A window with evaluation graph of environmental functions
Рис. 6. Окно с графиками содержания углерода
в почве в зависимости от землепользования
Fig. 6. A window with graphs of carbon content
in the soil by type of land use
Программные продукты и системы / Software & Systems 2 (114), 2016
200
Assessing the productivity function of soils. A review. Agron.
Sustain. Dev., 2010, no. 30, pp. 601614.
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. 10551065.
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.
DOI: 10.15827/0236-235X.114.195-200 Received 24.12.15
SOIL & ENVIRONMENT AS A TOOL FOR SOIL ENVIRONMENTAL FUNCTIONS EVALUATION
((The work has been supported by the National Science and Technology Council
(Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT)), project no. CB-2011-01-169915)
Ángeles Gallegos-Tavera, Postgraduate Student, lady-angie_89@hotmail.com;
Francisco Bautista, Senior Researcher, leptosol@ciga.unam.mx
(Research Center of Environmental Geography, National Autonomous University of Mexico, Carretera a Pazcuaro No 8701,
Col. ExHacienda de San José de la Huerta, CP 58190, Morelia, México);
Dubrovina I.A., Research Associate, vorgo@mail.ru
(Institute of Biology, Karelian Research Center of RAS, Pushkinskaya St., 11, Petrozavodsk, 185910, Russian Federation)
Abstract. Soil degradation is a part of total ecological crisis due to the fact that soil is the link of any ecosystem. The soil
loses its environmental functions (EF) under the comprehensive loads. One of the key topics of nature protection in the last
decade is the evaluation and accounting ecosystem services in human economic activity. Therefore, the search and development
of spatial planning tools for areas based on their EF is very important. The article considers the software for evaluation of EF
using TUSEC algorithms (Technique for Soil Evaluation and Categorization). The technique implies a score evaluation of
basic environmental functions of natural and anthropogenic soils. EF evaluation allows keeping a balance of benefits and losses
at a spatial planning as a result of lower environmental impacts on soil functions. The central component of the software is a
relational DBMS Derby designed in Java using IDE Eclipse. Data on the site, field description and analysis of soil profiles are
stored in the database using input tools. Intermediate calculations and evaluation of EF is based on input data by TUSEC
algorithms. The forcasting modeling tool allows calculating the change of EF ranks for different types of land use. The evalu-
ation results of EF and predictive models can be presented by graphs. Export of tabular and graphical information is possible
as well as the spatial reference data into the GIS. Friendly interface for data input and output and database management is
designed for users who do not know SQL query language.
Keywords: software, soil environmental functions, soil evaluation, land use, database.
References
1. Millennium Ecosystem Assessment (MEA). Ecosystems and Human Well-being: Current State and Trends. Island Press, 2005,
vol. 1, 919 p.
2. Konyushkov D.E. The development of the concept of ecosystem services: a review of foreign publications. Bull. Pochv.
in-ta im. V.V. Dokuchaeva [Bull. V.V. Dokuchaev Soil Sc. In-t]. 2015, no. 80, pp. 2649 (in Russ.).
3. Dobrovolsky G.V., Nikitin E.D. Ekologicheskie funktsii pochv [Soil Ecological Functions]. Moscow, Moscow St. Univ. Publ.,
1986, 137 p.
4. Blum W.E.H. Functions of soil for society and the environment. Reviews in Environmental Science and Bio-Technology. 2005,
no. 4, pp. 7579.
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. 315.
6. Lambin E.F., Turner B.L., Geist H.J., Agbola S.B., Angelsen A., Bruce J.W., Coomes O.T., Dirzo R., Fischer G., Folke C.,
George P.S., Homewood K., Imbernon J., Leemans R., Li X., Moran E.F., Mortimore M., Ramakrishnan P.S., Richards J.F., Skanes
H., Steffen W., Stone G.D., Svedin U., Veldkamp T.A., Vogel C., Xu J. The causes of land-use and land-cover change: moving beyond
the myths. Global Environmental Change. 2001, no. 11, pp. 261269.
7. Bouma J. Soils are back on the global agenda: Now what? Geoderma. 2009, no. 150, pp. 224225.
8. Lehmann A., Stahr K. The potential of soil functions and planner-oriented soil evaluation to achieve sustainable land use.
Journ. of Soils and Sediments. 2010, no. 10 (6), pp. 10921102.
9. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Soil degradation. Available at: http://www.fao.org/soils-
portal/soil-degradation-restoration (accessed October 27, 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. 601614.
11. De la Rosa D., Anaya-Romero M., Díaz-Pereira E., Heredia N., Shahbazi F. Soil-specific agro-ecological strategies for sus-
tainable land use a case study by using MicroLEIS DSS in Sevilla Province (Spain). Land Use Politicy. 2009, no. 26,
pp. 10551065.
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 (2015) Java. Available at: https://www.java.com/es/about (accessed November 18, 2015).
14. Eclipse Foundation (2015). IDE Eclipse. Available at: https://eclipse.org (accessed November 18, 2015).
15. Apache (2015). Apache Derby. Available at: http://db.apache.org/derby (accessed November 18, 2015).
16. Ortiz-Villanueva B., Ortiz-Solorio C. Edafología. Universidad Autónoma de Chapingo. México, 1990, 394 p.
  • Article
    Full-text available
    The systematic use of magnetic techniques for the characterization of soils is still scarce despite its great potential for the identification of pedogenetic processes. The main objective of this study is to analyze the magnetic properties of a soil profile with contrasting horizons and try to relate them to the properties determined through conventional techniques. The horizons of a soil profile located in a tectonic depression in Murcia, Spain are described and their physical, chemical, and mineralogical properties analyzed with conventional techniques. The following magnetic properties are included in the study: the mass-specific magnetic susceptibility, frequency-dependent susceptibility, continuous thermomagnetic curves at low field, isothermal remanent magnetization acquisition and the estimation of magnetic hardness (coercitivity) through the parameter S200. Detailed description of the soil profile and the results of conventional analyses allowed the identification of a mollic horizon, an argic horizon, and a calcic horizon, as well as a textural discontinuity. Apparently, pedogenic magnetite occurs in the A horizon and is responsible for the magnetization in most cases. The magnetic carriers in the Bt horizons are superparamagnetic particles and they are related to the high percentage of clay. High coercivity minerals (hematite and probably goethite) were detected in different concentrations in all soil horizons. The amount of ferrimagnetic minerals decreases with depth. The magnetic properties allowed a better characterization of the diagnostic horizons. The results and information derived from the analysis of the magnetic properties could not be obtained using conventional soil analysis only.
  • Article
    Full-text available
    Resumen La pérdida de suelo por erosión en la zona de amortiguamiento de la Reserva de la Biosfera Sierra Gorda es un problema y creciente, a pesar de ser una zona para la protección del ambiente y de la biodiversidad de la región. El objetivo de este trabajo fue la evaluación de las funciones ambientales de un perfil de suelo de la Reserva de la Biosfera Sierra Gorda en el estado de Guanajuato. Se tomaron muestras de un perfil de un suelo conservado y fueron analizadas en el laboratorio. La evaluación de la capacidad de retención de agua disponible y el contenido de carbono orgánico se evaluaron con el software Soil & Environment, considerando dos escenarios de erosión: a) una pérdida del horizonte A de 0 a 14 (cm) y b) una pérdida de los horizontes A y AB (de 0 a 39 cm). El análisis del Chromic Endoskeletic Luvisol (Cutanic, Humic, Epiloamic) en la Reserva de la Biosfera Sierra Gorda revela que: a) el suelo contiene un total del 7568.7 t ha-1 , con un volumen de 8000 m 3 ; b) una erosión severa, con la pérdida del horizonte A, disminuye en un 27.56% la retención de humedad y una erosión en niveles superiores la disminución alcanza un 58.29%; c) la retención de carbono orgánico en el Luvisol se pierde por erosión del 20.1% al 58.22%. Introducción La degradación del suelo puede ser descrita también como el deterioro de su calidad o la pérdida parcial o total de una o más funciones del suelo (van Lynden et al., 2004). Por otro lado, la degradación del suelo no suele preocupar tanto como la degradación del agua o la del aire debido a que no se conocen o no son obvias las repercusiones en la vida humana. Sin embargo, en los últimos años se ha venido gestando un movimiento internacional para la protección de los suelos, debido a que la degradación ha ido avanzando de manera alarmante. Una de las formas de degradación del suelo es la erosión, tema sobre el cual se ha estudiado y escrito mucho, tanto a nivel internacional como a nivel nacional. Se sabe que la erosión es uno de los principales problemas del país como consecuencia del deficiente manejo del suelo. Los problemas que se generan por la erosión del suelo suelen no ser contundentes, debido a que la pérdida de un número cualquiera de toneladas por hectárea parece no ser relevante.
  • Ekologicheskie funktsii pochv [Soil Ecological Functions]
    • G V Dobrovolsky
    • E D Nikitin
    Dobrovolsky G.V., Nikitin E.D. Ekologicheskie funktsii pochv [Soil Ecological Functions]. Moscow, Moscow St. Univ. Publ., 1986, 137 p.
  • Apache Derby Available at
    • Apache
    Apache (2015). Apache Derby. Available at: http://db.apache.org/derby (accessed November 18, 2015).
  • Soil degradation Available at: http://www.fao.org/soilsportal/soil-degradation-restoration
    • Agriculture Food
    Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Soil degradation. Available at: http://www.fao.org/soilsportal/soil-degradation-restoration (accessed October 27, 2015).
  • Article
    Foreign publications devoted to the problems of determination and valuation of ecosystem services and their practical application in planning economic activities are under review. This direction of studies is being rapidly developed. It was clearly shaped after the global Millennium Ecosystem Assessment performed in 2005 on the initiative of the United Nations. In the recent decade, this direction has got an official status; specialized journals have been founded; regular conferences and workshops have been conducted. The number of publications in this field has increased considerably. The contribution of soil scientists to the valuation of ecosystem services remains modest. It is argued that the assessment and valuation of the ecosystem services of soils is a promising direction for soil science. Ecosystem services are subdivided into the groups of provisional, regulating, cultural, and supporting services. The latter group is considered the natural basis ensuring the efficient performance of other ecosystem services with their direct or indirect impact on human well-being. The assessment of ecosystem services implies three major directions: ecological, economic (monetary), and social. For each of the groups of ecosystem services, specific methods of their economic valuation are applied. Thus, provisional services are mainly assessed according to their market values. The contribution of provisional services to the total value of ecosystem services is relatively small. Regulating services are often estimated by the avoided cost and replacement cost methods, and cultural services (recreation, inspiration source, aesthetic value, spiritual value) are valued by the travel cost method. The methods of nonmarketable valuation are essentially based on the willingness-to-pay approach. Upon valuation of ecosystem services at the local level, a systems approach should be applied; it is necessary to taken into account cooperation bonus obtained by the particular stakeholders. It should also be noted that the removal of additional pressures from ecosystems in a given place might result in the increase of the anthropogenic loads on ecosystems in other places. The separation, mapping, and valuation of ecosystem services are performed with an ultimate goal to ensure sustainable development of the society and human well-being. The ecological and economic approaches in this field are actually aimed at strengthening of the role of market mechanisms in the environmental protection policy.
  • Six key environmental, social and economic functions of soil are described, as well as the reversible and irreversible threats, caused by their uses. Sustainable use of soil is defined by the temporal and/or spatial (local or regional) harmonisation in the uses of the 6 functions, excluding or minimising irreversible ones, which is not a scientific but a political task.
  • Article
    Purpose Since application of ecological soil evaluation is not widely introduced in planning processes, a need for harmonisation of soil evaluation methods and spatial planning is evident. Conflicts are caused by the discrepancy between a holistic and site-specific approach of soil evaluation and the demand of spatial planners for easy-to-handle planner-oriented evaluation methods. Planners require less differentiation of pedological aspects but a detailed consideration of land use aspects. The aim of this paper is to illustrate the evolution of the concept of soil function and the development of the understanding of the soil functionality with time, respectively. This is reflected before the background of its applicability for spatial planning. Restrictions and deficits are highlighted, and strategies for further research work are sketched. The relation of soil functions and soil evaluation is examined exemplarily with algorithms of the TUSEC method applied for typical but fictive planning situations. Main features An introduction comprising the early history of soil evaluation and the widening of the view on soil functionality with time is given. Since 1978, the restriction on the function of soil to biomass productivity was overcome, and today, a set of ecological functions ensuring a sustainable land use is introduced. This process is reflected here by drawing a time order of definitions of soil functions, whereas the function of soil as carbon stock and genetic pool are the most recently accepted ones. In addition, functions of special meaning for the environmental quality in urban areas are highlighted. The multi-functionality of soil is reflected as a basic principle of the modern understanding of soils. It is explained here that the complexity of the concept of multi-functionality of soils does not fit directly to the administrative sight on the belongings of soil protection. Therefore, the chapters in this paper dealing with principle aspects of soil functions are followed by passages focusing on the application of soil functions, its practice, problems and perspectives. Results and discussion Strategies for future adaptations of soil evaluation to the requirements of spatial planning are discussed. Thus, strategies to summarise soil functions are sketched, and a reasonable land use specified soil evaluation is proposed. Conclusions Spatial planning needs a method for soil evaluation allowing a multi-level approach and some simplifications to meet the goals of rational land-use planning. Further work on this topic is strongly necessary to make efforts in soil protection and to support sustainable land use or, if anything, to bring sustainability into effect.
  • Article
    To reverse the negative environmental impacts of agriculture, a land evaluation decision support system (DSS) known as MicroLEIS-DSS was used to design the most sustainable land use and management practices for selected Mediterranean benchmark sites in Sevilla Province, Southern Spain. This DSS is based on the multifunctional evaluation of soil quality, using input data collected in standard soil surveys, and with particular reference to the peculiarities of the Mediterranean region. Specific agro-ecological strategies to prevent soil degradation in the benchmark sites were designed within two major topics: (i) strategies related to land use planning at a regional level: segregation of agricultural lands, restoration of marginal areas, diversification of crop rotation, and identification of vulnerability areas; and (ii) those related to land management planning at a farm level: organic matter restoration, formulation of tillage practices and workability timing, optimum machinery use, and input rationalization. The predicted results of applying the 12 agro-ecological land evaluation model constituents of MicroLEIS DSS are presented and discussed for each application site. The main conclusion of this paper is that using soil type information in decision-making is at the heart for sustainable use and management of agricultural land. This agro-ecological approach can be especially useful when formulating soil-specific agricultural practices to reverse environmental degradation, based on the spatial variability of soils and related resources.
  • Article
    Invertebrates play significant, but largely ignored, roles in the delivery of ecosystem services by soils at plot and landscape scales. They participate actively in the interactions that develop in soil among physical, chemical and biological processes. We show that soils have all the attributes of self-organized systems as proposed by Perry (Trends Ecol. Evol. 10 (1995) 241) and detail the scales at which invertebrates operate and the different kinds of ecosystem engineering that they develop. This comprehensive analysis of invertebrate activities shows that they may be the best possible indicators of soil quality. They should also be considered as a resource that needs to be properly managed to enhance ecosystem services provided by agro-ecosystems.
  • Article
    Full-text available
    Common understanding of the causes of land-use and land-cover change is dominated by simplifications which, in turn, underlie many environment-development policies. This article tracks some of the major myths on driving forces of land-cover change and proposes alternative pathways of change that are better supported by case study evidence. Cases reviewed support the conclusion that neither population nor poverty alone constitute the sole and major underlying causes of land-cover change worldwide. Rather, peoples’ responses to economic opportunities, as mediated by institutional factors, drive land-cover changes. Opportunities and constraints for new land uses are created by local as well as national markets and policies. Global forces become the main determinants of land-use change, as they amplify or attenuate local factors.