ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2007, № 10, с. 1168-1178
ГЕНЕЗИС ^^^^^^^^^^^^^^
И ГЕОГРАФИЯ ПОЧВ
УДК 631.4
ПОЧВЕННО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ ГОРИЗОНТОВ ПОЧВ
СТЕПНОЙ ЗОНЫ*
© 2007 г. В. А. Сидорова1, П. В. Красильников1, 2
1 Институт биологии Карельского НЦ РАН, 185910, Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11 2 Департамент экологии и природных ресурсов, факультет естественных наук Национального автономного университета Мексики, Мехико, 04510.
Поступила в редакцию 17.01.2005 г.
В ходе вариографии свойств поверхностных горизонтов черноземов южных и каштановых почв установлено, что пространственное распределение свойств на разных характерных расстояниях (менее 150, 150-800 и 800-2000 м) существенно отличается для изученных почв. На черноземах южных на коротких расстояниях максимально варьирование значений рН и содержания органического углерода. Содержание илистой фракции, физической глины и общего азота в основном варьирует на расстояниях 150-800 м. На расстояниях свыше 800 м для всех свойств отмечена квазипериодичность. На каштановых почвах на коротких расстояниях максимально варьирование содержания ила, физической глины и общего азота, а рН и содержания органического углерода, в основном, варьируют на расстояниях 150-800 м. На расстояниях свыше 800 м отмечена квазипериодичность только для распределения илистой фракции.
ВВЕДЕНИЕ
В исследованиях пространственной вариабельности почв и почвенных свойств можно выделить два основных направления [28]. Первое, восходящее к классическим почвенно-географическим работам Неуструева [14], Полынова [15] и Фридланда [18, 19], основывается на качественной и полуколичественной характеристике распределения почв (обычно таксономических почвенных единиц) в пространстве. Основной задачей подобных исследований является географическая интерпретация почвенного покрова с эволюционной, генетической точки зрения. Результаты в большой степени зависят от квалификации и субъективной интерпретации специалиста. В рамках данного подхода также были предложены способы формализации качественных [18] и количественных (на основе индексов "почвенного разнообразия") [10, 29] характеристик структуры почвенного покрова.
Второе направление, основанное на применении математических методов, главным образом геостатистических, активно развивается в последние десятилетия [27, 35, 40]. Изначально подобные исследования ставили перед собой довольно узкую задачу - повышение качества пространственной интерполяции данных, и, таким образом, точности картограмм почвенных свойств [28]. Последние
годы ознаменовались значительным расширением
*
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ < 03-04-48089 и ФЦП "Интеграция" < Е0072.
задач геостатистических исследований. В частности, среди научных проблем, успешно решаемых с помощью геостатистических методов, называются оценка неопределенности при определении качества земель или степени загрязнения почвы, стохастическое моделирование пространственного распределения почвенных свойств и моделирование пространственно-временных процессов в почвах [27, 35]. В то же время перечисленные задачи не являются специфическими именно для геостатистики. Последняя служит, скорее, инструментом, математической базой подобных моделей. Поэтому не вполне ясно, можно ли геостатистические методы рассматривать именно как методологию почвенно-географических исследований, или же они являются не более чем инструментом прикладных картографических работ. Ибаньес с соавт. [31] утверждают, что за геостатистикой в почвоведении не стоит никакой парадигмы и метод является исключительно техническим, вспомогательным в почвенной географии.
С последним утверждением трудно согласиться. Если бы геостатистика представляла собой всего лишь один из методов интерполяции данных, она не стоила бы того внимания, которое ей уделяется в почвенной литературе. Видимо, популярность геостатистических методов состоит в том, что они предлагают альтернативный подход к анализу пространственно-распределенных данных, который оказывается в ряде случаев более привлекательным, чем традиционные почвенно-
географические методы. Как указывает Вебстер [39], геостатистика рассматривает почвенные показатели как поле случайных данных, отдавая при этом себе отчет, что в реальности, разумеется, распределение данных вовсе не случайно, точнее, является единственной реализацией случайной функции. На первый взгляд, подобный подход экономически не оправдан: геостатистика требует сотен определений, в то время как почвенный географ способен на основании отдельных данных и наблюдений выработать более или менее точный прогноз пространственного распределения почвенных свойств. Кроме того, геостатистические модели с трудом поддаются экстраполяции на сколько-нибудь обширные территории, и их предсказательная способность обычно ограничена отдельными исследованными участками [31]. Тем не менее, геостатистический подход оказывается часто гораздо более простым и точным в случаях, когда почвенный географ не располагает всем массивом данных для прогноза. Географу требуется весь объем информации о ландшафте, и получить эту информацию оказывается зачастую дольше и дороже, чем описать данные моделью, которая не требует ничего, кроме определения простейших показателей в почве. Иногда же информация о параметрах, определяющих пространственное распределение свойств почвы, недоступна, как, например, в случае загрязнения почвы или содержания элементов, зависящего от неравномерного внесения удобрений. Именно в последних упомянутых случаях геостатистика является одним из оптимальных методов пространственной интерполяции данных. И действительно, в подавляющем большинстве работ, основанных на применении геостатистических методов, не ставится вопрос о научном объяснении результатов [20]. Это ни в коем случае не умаляет значимость подобных работ, поскольку вопрос об объяснении пространственного распределения данных в терминах почвенной географии в них и не ставится. По отношению к другим свойствам, в большей степени детерминированным закономерными ландшафтными процессами, геостатистические и традиционные методы являются, скорее, комплиментарными. Не случайно в последние годы широкое распространение получили методы, совмещающие математические (в том числе геостатистические) методы и разбиение почв на естественные классы [28].
Однако до сих пор речь шла лишь об эффективности геостатистики как инструмента пространственной интерполяции данных. Нас же интересует насколько геостатистика может обогатить географию почв, какая информация может быть извлечена из геостатистических моделей для научного объяснения пространственной неоднородности свойств почв в почвенно-географических терминах? Как и любые статистические показатели
распределения свойств, геостатистические параметры имеют определенный физический смысл и могут быть использованы для анализа пространственного распределения данных. Собственно говоря, геостатистика подразумевает наличие пространственной структуры в почвах; в противном случае случайный сигнал дает модель "чистый наггет" [5].
Как известно, геостатистическое исследование включает два основных этапа: вариографию, то есть построение семивариограммы и подбор модели, и кригинг - интерполяцию данных на основании полученной модели [4, 32, 38]. На этапе вариографии можно получить ценную информацию о пространственной структуре почвенных показателей [4]. Ценность вариографии для географии почв состоит в том, что анализ геостатистических моделей позволяет выявить параметры почвенного покрова (например, периодичности в распределении свойств), даже если эти параметры не выявляются путем простого наблюдения в поле и/или классической статистической обработки данных, то есть могут рассматриваться как "скрытые". Например, методы геостатистики помогли выявить полигональную структуру в серых лесных почвах, обусловленную палеокриогенными процессами [3, 12], чередование почвенных структур, связанное с расположением серых лесных почв с вторым гумусовым горизонтом [22], рост вариабельности мощности гумусового горизонта на малых характерных расстояниях при развитии почв на карьерах [1], связь распределения мощности горизонтов в лесных биоценозах с радиусом крон [33] и многие другие закономерности.
Нам видится, что до настоящего времени возможности вариографии не использовались в географии почв в полном объеме. В частности, практически нет данных по сравнительно-географической характеристике почвенного покрова разных природных зон с применением геостатистических методов.
Мы провели исследование почвенного покрова двух участков, расположенных в степной (черноземной) и сухостепной (каштановой) зонах Русской равнины. Традиционно считается, что почвы степной и сухостепной зон отличаются высокой пространственной однородностью свойств, что принято связывать со слабым варьированием основных факторов почвообразования (пологим рельефом, однородными почвообразующими породами) [7, 18]. В то же время имеются данные, что как в результате естественной вариации свойств, так и в результате антропогенного воздействия, пространственное распределение агрохимических свойств может быть неоднородным [2, 13, 14, 17]. В данной работе мы ставили задачу сравнить пространственную вариабельность некоторых базовых химических и физических
свойств черноземов южных и каштановых почв с помощью геостатистических методов и провести их почвенно-географическую интерпретацию. Отдавая отчет в предварительном характере работы, надеемся, что полученные данные могут быть полезны для понимания варьирования свойств зональных почв Русской равнины.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводились в Ростовской (участок 1) и Волгоградской (участок 2) областях. Участок 1 площадью 270 га заложен на пашне в окрестностях г. Миллерово (49°02' с.ш. 40°30' з.д.). Район исследований относится к Южно-Русской провинции обыкновенных среднегумусных и южных малогумусных среднемощных черноземов [7]. Почвообразующими породами являются лёссовидные тяжелые суглинки. Ре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.