ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 8, с. 937-944
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 630 114.35:630 182.5.1+631.417(470)
ЗАВИСИМОСТЬ ПЛОТНОСТИ ПОЧВЕННЫХ ГОРИЗОНТОВ ОТ ГЛУБИНЫ ИХ ЗАЛЕГАНИЯ И СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА*
© 2004 г. О. В. Честных1, Д. Г. Замолодчиков2
1Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН, 117418, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32 2Биологический факультет, МГУ им. М.В. Ломоносова, 119992 ГСП-2, Ленинские горы Поступила в редакцию 25.04.2003 г.
Определены количественные формы зависимости плотности почвенного горизонта от глубины залегания и содержания в нем гумуса с учетом типа почвы. Приведены коэффициенты полученных уравнений. Рассмотрены результаты проверки уравнений на независимых данных, отмечено хорошее совпадение расчетных и экспериментальных величин. Рекомендуется использовать найденные уравнения во всех случаях, когда описание почвенного разреза не содержит информации по плотности почв.
ВВЕДЕНИЕ
За последнее десятилетие существенно увеличилось количество работ, в том числе и монографий, посвященных характеристике органического вещества почв России. Одно из важных направлений этих исследований - оценка роли почвенного покрова и почвенного гумуса в биосферном биогеохимическом цикле углерода и, посредством круговорота данного элемента, в комплексе процессов, известных под названием "глобальные климатические изменения". Отсюда понятна актуальность определения общих запасов гумуса почв, как наиболее мощного резервуара органического углерода, исследование их роли в связывании или эмиссии парниковых газов.
Согласно Орлову и Бирюковой [3], термином "гумус" обозначается совокупность всех органических соединений в почвенном профиле, утративших связь с элементами структурной организации клеток и тканей, а термином "гумусонакоп-ление" - процесс накопления в почве гумуса, охватывающий как отдельные горизонты, так и почвенный профиль в целом.
Существует два основных подхода к расчету запасов углерода в почве. В основу одних оценок положены обобщенные литературные данные различных авторов о средних запасах гумуса в т/га для метровой толщи почвы [2, 4], в основу других - оригинальные расчеты средних запасов гумуса с использованием данных о плотности различных горизонтов почвенного профиля [6, 7,15].
Значительные трудности для проведения расчетов запасов органического углерода почв со-
*
Исследования поддерживались проектом МЯ-47, МПР РФ, ГК МЯ-02-54/414.
здает отсутствие информации по плотности почв в большинстве описаний разрезов. Так, в работе Рожкова с соавт. [6] необходимые данные о плотности были получены на основе либо экспертных оценок, либо среднестатистических или единичных данных. Столбовой [15] отмечает, что именно недостаток данных по плотности почв может служить причиной существенного расхождения в итоговых значениях почвенных пулов углерода.
Авторы настоящей работы тоже столкнулись с проблемой нехватки информации по плотности при оценке запасов органического вещества в почвах лесной [10] и тундровой зон России [9]. В этих работах на основе имевшейся ограниченной информации были оценены средние значения плотности почвенных горизонтов для географических подзон и типов почв. Полученные средние значения использовались при расчетах массы почвенных горизонтов и запасов органического вещества в конкретных разрезах. Очевидно, что использованный подход мог привести к существенным неточностям, так как значения плотности существенно варьируют в почвах одного и того же типа и географической подзоны в зависимости от глубины залегания горизонтов, подстилающих пород, содержания гумуса в горизонте и прочих факторов.
Решение изложенной выше проблемы может лежать в нахождении количественных связей между плотностью и некоторыми другими характеристиками горизонтов, чаще встречающимися в исходных почвенных описаниях. Такими характеристиками могут быть глубина залегания горизонта и содержание в нем гумуса. Связь плотности горизонта с глубиной достаточно очевидна и в значительной степени определяется давлением со
стороны залегающих выше горизонтов. Гумус же обладает существенно меньшей плотностью, чем минеральная фаза почвы, и потому значительные его количества в гумусированных горизонтах приводят к невысокой плотности горизонтов. Таким образом, цель настоящей работы состоит в определении количественных форм зависимости плотности горизонта от глубины залегания и содержания в нем гумуса с учетом возможного влияния качественных факторов (тип горизонта, тип почвы, подстилающая порода, географическая подзона).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Источником эмпирической информации служила оригинальная компьютерная база данных по характеристикам тундровых и лесных почв России. Она включает информацию по более чем 1000 почвенным разрезам из 300 литературных источников. Описание почвенного разреза в базе данных включает около 40 параметров, характеризующих географическое положение, строение почвенного профиля, физико-химические свойства почв, механический состав, валовый гранулометрический состав, содержание гумуса по горизонтам и т.д.
Из базы данных были выбраны описания разрезов, содержащие информацию по плотности почвенных горизонтов. В качестве элементарного объекта для анализа был использован горизонт почвы. Так как описание каждого разреза содержит информацию по нескольким горизонтам, то общее количество объектов анализа составило 748.
Следующий этап состоял в построении регрессионных уравнений, в которых глубина залегания горизонта и процентное содержание в нем гумуса выступали в качестве независимых переменных, а плотность - зависимой. Для этого сначала было необходимо идентифицировать математическую форму уравнений. Предварительный анализ литературных источников и информации базы показал, что плотность в верхних, гумусовых, горизонтах почвы бывает обычно минимальна при максимальной рыхлости, создаваемой корнями растений и роющей деятельностью живущих в почве насекомых и других мелких животных. В гумусовых горизонтах плотность равна 1.01.2 г/см3, в чисто органогенных горизонтах - в лесных подстилках и торфах - она уменьшается до 0.2-0.4 г/см3. В минеральных горизонтах величина плотности увеличивается до 1.3-1.6 г/см3 и чаще всего до 1.4-1.5 г/см3. Наиболее высокая плотность (до 2.0 г см-3) наблюдается в глеевых горизонтах заболоченных почв.
Для аппроксимации количественных зависимостей был использован целый ряд уравнений:
гиперболические, степенные и логарифмические. Значения параметров уравнений рассчитывали с применением методов нелинейной регрессии. Адекватность полученных уравнений оценивали по коэффициенту детерминации (R2) и стандартной ошибке (SE). При проведении статистического анализа был использован пакет статистических программ Statistica - 6.
Возможным способом повышения адекватности аппроксимации уравнений является оценка их не для всего массива данных, а его частей (категорий), выделенных по тому или иному признаку. Таковыми признаками являлись:
- географическая подзона: 1) тундра; 2) северная тайга; 3) средняя тайга; 4) южная тайга; 5) зона листопадных лесов;
- группа типов почв: 1) подзолистые; 2) дерновые; 3) серые, бурые, черноземы; 4) тундровые; 5) торфяные;
- группа подстилающих пород: 1) пески; 2) супеси; 3) глины; 4) суглинки; 5) щебень;
- тип горизонтов: 1) подстилка; 2) элювиальный; 3) иллювиальный; 4) материнский, глеевый; 5) торфяной.
В категории торфяные почвы расчет проводился по приведенному в источнике процентному содержанию гумуса. В этой категории представлены торфяно- и торфянисто-болотные, а также торфяно-подзолисто-глеевые почвы.
Таким образом, при использовании любого признака исходный массив данных подразделяли на 5 категорий, однако число объектов в каждой из категорий существенно варьировало. Уравнения были рассчитаны как для всего массива данных в целом, так и отдельно по всем приведенным выше категориям подразделения данных.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Форма уравнения для аппроксимации значений плотности почв. Глубина залегания горизонта может быть охарактеризована по его верхней границе, нижней границе и средней глубине его залегания. Наибольшую сопряженность с величинами плотности показала средняя глубина (MID), поэтому в дальнейшем под глубиной будет пониматься именно MID. Наилучшим образом связь плотности (BW) и MID описывается трехпа-раметрическим гиперболическим уравнением (рис. 1, I):
BW = a1 - a2/(MID + a3). (1)
Параметры уравнения имеют достаточно простой физический смысл. ax - характеризует максимальную плотность, a2 и a3 - определяют скорость изменения от минимальной к максимальной плотности с увеличением глубины.
BW, г/м3 2.0
BW = a1 - a2/(MID + a3) n = 748, R2 = 0.684, SE = 0.28
о о о
I 1.0
0
BW, г/м3 2.00
1.75
1.50
1.25
II 1.00
0.75
0.50
0.25
0
40
80
120
160
200
240 MID, см
BW = a1 + a2/(HUM + a3) n = 748, R2 = 0.782, SE = 0.24
25
50
200
100
HUM, %
Рис. 1. Однофакторная аппроксимация величин плотности почвенных горизонтов в зависимости от середины глубины горизонта (I) и содержания гумуса (II).
Связь плотности с содержанием гумуса также описывается гиперболическим уравнением (рис. 1, II):
BW = а1 + а2/(НиМ + а3). (2)
В данном случае а1 соответствует минимальной плотности, а2 и а3 определяют скорость изменения от минимальной к максимальной плотности с увеличением содержания гумуса.
Коэффициенты детерминации составляют 0.684 для уравнения (1) и 0.782 для уравнения (2), то есть недостаточно высоки. Поэтому было
предложено уравнение с пятью параметрами, аппроксимирующее величину плотности в зависимости от двух факторов (рис. 2):
BW = a1 - a2/(MID + a3) + aA/(HUM + a5), (3)
где BW - плотность почвенного горизонта, г/см3; MID - глубина залегания горизонта, см; HUM -содержание гумуса в горизонте, %; a1 - a5 - параметры уравнения. Коэффициент детерминации уравнения (3) составляет 0.828, что заметно выше по сравнению с уравнениями (1) и (2).
ВЩ = а1 - а2/(ЫЮ + а3) + а4/(НиМ + а5) п = 748, Я2 = 0.828, БЕ = 0.21
ВЩ, г/см3 2.0
0
Рис. 2. Двухфакторная аппроксимация величин плотности почвенных горизонтов в зависимости от середины глубины
горизон
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.