Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Математическое моделирование круговорота углерода (литературный обзор) 16
Глава 2. Анализ устойчивости почв на основе серии нелинейных моделей круговорота углерода 48
Глава 3. Эмпирическая и теоретическая оценка запасов органического углерода в автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР 71
3.1. Описание базы данных 75
3.2. Эмпирическая оценка запасов гумуса в автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР. 81
3.2.1. Биогеоценозная пространственная вариабельность запасов гумуса в почве. 82
3.2.2. Внутрибиогеоценозная пространственная вариабельность запасов гумуса в почве . 90
3.3. Теоретическая оценка запасов гумуса в автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР. 104
Глава 4. Анализ чувствительности запаса гумуса почв к изменениям параметров круговорота углерода. 109
Глава 5. Сравнительный анализ устойчивости почв Европейской территории России к изменениям параметров круговорота углерода на основе математической модели. 120
5.1. Сравнительный анализ устойчивости автономных почв природных экосистем Европейской территории России к изменениям параметров круговорота углерода, зависящих от климата 120
5.2. Изменение устойчивости, почв к изменениям параметров круговорота углерода в результате сельскохозяйственного освоения . 125
5.3. Зависимость устойчивости черноземов к изменениям параметров круговорота углерода от цитологического фактора. 128
5.3.1. Характеристика объекта исследования. 130
5.3.1.1. Климатические условия. 137
5.3.1.2. Особенности геоморфологии степных участков заповедника. 137
5.3.1.3. Почвообразующие породы. 139
5.3.1.4. Характеристика почв степных участков заповедника. 141
5.3.2. Органическое вещество черноземов рассматриваемого литологического ряда 148
5.3.2.1. Гумусное состояние и скорости обновления гуминовых кислот целинных черноземов 148
5.3.2.2. Исследование органического вещества целинных черноземов методами физического фракционирования. 155
5.3.2.3. Изменение гумусного состояния г/елгшных черноземов рассматриваемого литологического ряда в результате сельскохозяйственного освоения. 164
5.3.3. Устойчивость целинных черноземов рассматриваемого литологического ряда к изменениям параметров круговорота углерода. 169
Глава 6. Анализ устойчивости экосистем на основе изучения их переходов через критические состояния в процессе . 171
6.1. Объект и методы исследования. 173
6.2. Оценка сопряженности критических переходов в почвенном и растительном покрове в системе высотной поясности . 198
Выводы 214
Литература 217
- Анализ устойчивости почв на основе серии нелинейных моделей круговорота углерода
- Внутрибиогеоценозная пространственная вариабельность запасов гумуса в почве
- Изменение устойчивости, почв к изменениям параметров круговорота углерода в результате сельскохозяйственного освоения
- Оценка сопряженности критических переходов в почвенном и растительном покрове в системе высотной поясности
Введение к работе
В условиях усиливающегося воздействия человека на окружающую среду особую актуальность приобретает разработка теории устойчивости почв, которая является важной составной частью теории устойчивости наземных экосистем и биосферы в целом. Рост интереса к проблеме устойчивости природных систем наметился в 70-х годах XX века. В настоящее время этой теме посвящено огромное количество публикаций. Современное состояние проблемы устойчивости почв отражают материалы Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», состоявшейся в Москве в 2002 году [Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям, 2002], на которой обсуждались общие представления и понятия, механизмы, критерии и методы оценки устойчивости почв к внешним воздействиям.
Понятие устойчивости применительно к почвам и экосистемам исключительно емкое и многосмысловое. Дать ему четкое и однозначное определение, несмотря на кажущуюся очевидность, оказалось трудной задачей. Подходы к определению этого понятия терминологические и методологические вопросы обсуждаются в специальных публикациях [Устойчивость геосистем, 1983; Светлосанов,1990; Проблемы устойчивости биологических систем, 1992; Лукина, Никонов, 1993; Фокин, 1995; Росновский, 1998; Глазовская, 1999; Фрид, 1999].
Мы будем следовать представлениям об устойчивости почв, как их способности сохранять и восстанавливать свою структуру и функционирование при изменяющихся внешних условиях [Добровольский,1998].
В последнее время много внимания уделяется поиску количественных оценок устойчивости почв. Исследования по этому вопросу ведутся в двух направлениях.
К первому направлению относится разработка принципов оценки устойчивости, основанная на выборе комплекса наиболее важных, по мнению экспертов, параметров, оценке каждого из них по балльной системе и использовании суммы баллов в качестве количественного показателя устойчивости почв [Васильевская, 1994, 1996, 1998; Снакин и др., 1992, 1995; Марусова 2001]. Полученные количественные показатели используются для сравнения почв по устойчивости к внешним воздействиям и составления карт устойчивости почв. Достоинство этого метода в простоте расчета показателя устойчивости, однако, он не позволяет изучать механизмы, которые обеспечивают устойчивость почв.
Второе направление связано с построением и исследованием математических моделей, описывающих протекающие в почве процессы и отражающих механизмы ее устойчивости. В этом случае становится возможным использование математических методов анализа устойчивости. Препятствием на пути этого метода являются трудности разработки достаточно адекватных моделей, обусловленные недостаточной изученностью законов функционирования почв и нехваткой информации для экспериментального обеспечения моделей. Предлагаемая работа служит развитию этого направления.
Почва относится к иерархическим системам. Практика моделирования показывает, что на разных уровнях организации один и тот же объект может быть описан совершенно разными моделями. А.Д.Фокин (1995) отмечает, что устойчивость сложных природных систем зависит от устойчивости ее структурных составляющих, и указывает на необходимость учета многоуровневости почв при изучении их устойчивости. Взяв за основу схему Б.Г. Розанова (1983) он выделил шесть уровней структурной организации почв и рассмотрел особенности проявления устойчивости на каждом из них. Настоящая работа посвящена исследованию устойчивости почв на почвенно-экосистемном уровне.
По современным представлениям в основе устойчивости биогеоценозов лежит комплекс нелинейных взаимодействий между почвой и биоценозом. Поэтому при изучении устойчивости на почвенно-экосистемном уровне основное внимание должно уделяться нелинейным обратным связям в системе почва-биоценоз. Нелинейность взаимодействий в системе почва -биоценоз определяет самоорганизацию биогеоценозов, высокую чувствительность к начальным условиям, множественность возможных стационарных состояний, общую устойчивость системы в широком диапазоне варьирования внешних нагрузок. Общие законы поведения таких систем описывает теория нелинейных динамических систем. Вопросы применимости теории нелинейных динамических систем к решению задач почвоведения рассмотрены в статьях А.В.Смагина (1999), Д. Филлипса [Phillips, 1993, 1998].
Основной целью диссертационной работы является разработка подходов к анализу устойчивости почв путем использования методов теории нелинейных динамических систем для лучшего понимания механизмов устойчивости и поиска ее количественных оценок. В связи с этим были поставлены следующие задачи:
1) построить серию математических моделей круговорота углерода, описывающих нелинейные обратные связи в системе почва-растительность, для того чтобы определить их вклад в формирование механизма устойчивости почв. Выбор моделей круговорота углерода в целях исследования устойчивости почв обусловлен определяющей ролью процессов трансформации органического вещества в функционировании экосистем и почвообразовании;
2) выбрать адекватную, но достаточно простую модель для определения количественных показателей устойчивости почв к изменениям параметров круговорота углерода;
3) собрать и организовать в форме базы данных имеющуюся в опубликованных литературных источниках информацию об автономных почвах природных экосистем европейской территории бывшего СССР; используя информацию, собранную в базе данных, получить оценки запасов органического углерода в автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР и использовать их для проверки моделей; исследовать чувствительность запаса гумуса почв к изменениям параметров круговорота углерода на основе математической модели; провести сравнительный анализ устойчивости почв Европейской территории России к изменениям параметров круговорота углерода на основе математической модели; провести анализ устойчивости экосистем на основе изучения их переходов через критические состояния в пространстве, обусловленных постепенным изменением климата с высотой в горах.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования послужили автономные почвы Европейской территории России. Такой выбор объекта обусловлен рядом причин. Во-первых, эти почвы наиболее полно изучены по сравнению с почвами
Азиатской части страны. Во-вторых, при изучении именно этих почв Докучаевым и его последователями были установлены основные эколого-географические закономерности гумусопакопления. Наличие базы данных позволяет их проверить и уточнить, используя математические методы анализа больших информационных массивов. В третьих, рассматривая только автономные почвы, можно более корректно провести сравнительно-экологический анализ зависимости устойчивости почв к изменениям параметров круговорота углерода от биоклиматических и литологических условий, исключив влияние геоморфологического фактора. Для характеристики этих почв были использованы литературные данные и результаты проводимых нами комплексных исследований почв Звенигородской биостанции МГУ (Московская обл.) и заповедника «Приволжская лесостепь» (Пензенская обл.).
Одним из эффективных методов изучения механизмов устойчивости экосистем является исследование их переходов через критические состояния в пространственных рядах. В этом случае наиболее удобным объектом являются пространственные ряды горных экосистем, так как они характеризуются сгущением границ. Исследования критических переходов в системе высотной поясности проведены на территории Кавказского Государственного Биосферного заповедника (Краснодарский край). Почвенно-геоморфологический профиль был заложен на высоте 1600-2800 метров над уровнем моря на юго-западном склоне горы Чугуш (южный макросклон Главного Кавказского хребта).
Для решения поставленных в диссертации задач были использованы следующие методы: метод математического моделирования; методы теории нелинейных динамических систем; методы создания метабаз почвенных данных [Белоусова, Мешалкина, 1997]; методы математической статистики; метод сравнительно-экологического анализа климатического и литологического рядов почв [Соколов, 2004]; метод изучения пограничных экосистем [Экосистемы в критических состояниях, 1989]. Данные о физических и химических свойствах почв получены по общепринятым в почвоведении методикам.
Научная новизна
В результате проведенных исследований разработаны подходы к анализу устойчивости почв на основе теории нелинейных динамических систем. Впервые анализ устойчивости почв проведен путем построения серии постепенно усложняющихся математических моделей круговорота углерода, описывающих нелинейные обратные связи в системе почва-растительность. Это позволило определить роль отдельных взаимодействий в формировании механизма устойчивости экосистем. В результате проведенных исследовании было показано, что поведение системы почва- растительность определяется положительной обратной связью между продуктивностью и гумусированностью почв. Отрицательная обратная связь между эродируемостью почв и содержанием гумуса не приводит к качественному изменению поведения системы, но накладывает более жесткие условия на область устойчивости стационарных состояний системы.
Предложен метод расчета количественных показателей устойчивости почв к изменениям параметров круговорота углерода, характеризующих запас прочности системы, ее удаленность от критического состояния.
Получены оценки уровня гумусонакопления в автономных почвах широкого круга природных экосистем Европейской территории бывшего СССР. Определены показатели биогеоценозной и внутрибиогеоценозной пространственной изменчивости содержания и запаса гумуса в почвах лесных и травяных экосистем. Исследована чувствительность запаса гумуса почв к изменению параметров круговорота углерода.
Впервые проведен сравнительный анализ устойчивости почв европейской территории России к изменениям параметров круговорота углерода, зависящих от климата.
В целях изучения роли обратных связей в системе почва -растительность в формировании механизмов устойчивости проведены исследования переходов экосистем через критические состояния в пространстве, обусловленных постепенным изменением климата с высотой в горах. Впервые получены количественные оценки резкости и контрастности границ высотных поясов но продуктивности растительного покрова и запасам гумуса в почвах, которые служат индикаторами способности экосистем сопротивляться внешнему давлению.
Практическая значимость
Предлагаемые в работе подходы направлены на развитие теории устойчивости почв и экосистем. Они позволяют исследовать сложный комплекс нелинейных обратных связей в системе почва-биоценоз, определяющий устойчивость экосистем, путем построения серий постепенно усложняющихся моделей с целью определения роли отдельных взаимодействий в формировании механизма устойчивости.
Полученные результаты демонстрируют их эффективность и служат улучшению качества прогнозов отклика почв на изменения параметров биогеохимического цикла углерода в результате глобального изменения климата, загрязнения окружающей среды и хозяйственных воздействий.
Материалы диссертации используются автором при чтении курса лекций «Основы математического моделирования в почвоведении» студентам 5 курса ф-та почвоведения МГУ и вошли в учебные пособия « Биологический круговорот и его роль в почвообразовании» (1994); «Почвенно- экологический мониторинг» (1994). \
Личный вклад автора. Работа выполнена на кафедре общего почвоведения факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Она являлась частью плановой тематики кафедры и проводилась в рамках тем: «Оценка взаимодействий биологического и геологического круговорота веществ в биогеоценозах как основа их биологической продуктивности» и «Функционирование и эволюция почв в естественных и антропогенных ландшафтах». Автор диссертации принимал участие в работе по Государственной научно-технической программе «Глобальные изменения природной среды и климата» и международной программе "Global Change and Terrestrial Ecosystems (GCTE)". Отдельные разделы работы выполнены при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты: №№ 98-04-48971, 02-04-49248) и Федеральной программы «Университеты России - фундаментальные исследования».
Автору принадлежит разработка программы исследований, построение и анализ математических моделей, руководство полевыми и экспериментальными исследованиями и работой по созданию базы данных. Он лично принимал участие в организации и проведении экспедиций по сбору полевого материала и экспериментальных исследованиях. Часть полевых и экспериментальных данных, представленных в диссертации, получена аспирантами и студентами кафедры общего почвоведения, работавшими под руководством диссертанта. Исследования органического вещества черноземов заповедника «Приволжская лесостепь» методами физического фракционирования выполнены дипломниками автора в почвенном институте им. В.В.Докучаева. Данные о радиоуглеродном возрасте и скорости обновления ГК этих почв получены в институте географии РАН. Полученные материалы представлены в совместных научных публикациях с сотрудниками этих институтов [Рыжова и др.,2003; Чичагова, Рыжова, 2004; Травникова и др., 2005].
Апробация работы
Основные результаты работы были представлены на 25 научных совещаниях, конференциях, симпозиумах разного уровня. Среди них - 9-й международный симпозиум по биогеохимии окружающей среды (Москва, 1989); 4 -й международный симпозиум по системному анализу и моделированию (Берлин, 1992); II, III, IV съезды Докучаевского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996; Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004); международная конференция «Экология таежных лесов» (Сыктывкар, 1998); международная конференция «Генезис, география и экология почв» (Львов, 1999); Всероссийские школы «Экология и почвы» (Пущино, 1998, 1999, 2001); школа-семинар «Масштабные эффекты при исследовании почв» (Москва, 2001); четвертая Всероссийская конференция «Проблемы эволюции почв» (Пущино, 2001); международный симпозиум «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001); Всероссийская конференция «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002); международная научно-практическая конференция «Модели и технологии оптимизации земледелия» (Курск, 2003); Всероссийская конференция «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва. 2003); международный экологический форум «Сохраним планету Земля» (Санкт-Петербург, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы.
Материалы диссертации изложены в шести главах.
В первой главе представлен литературный обзор, посвященный вопросам математического моделирования круговорота углерода. Рассматриваются основные подходы, и обсуждается современное положение дел в этой области. Представленные материалы характеризуют множество моделей круговорота органического вещества почв. Среди них преобладают многокомпонентные линейные модели, которые позволяют объединить большой объем разнородной информации и представить различные концепции об органическом веществе почв Они неплохо описывают его динамику и после предварительной калибровки могут быть использованы для прогнозирования отклика почв на изменения климата, загрязнение среды и хозяйственные воздействия. В обзоре рассмотрены источники неопределенностей модельных предсказаний и обсуждаются пути совершенствования многокомпонентных моделей. Показано, что, несмотря на достоинства моделей этого типа, они не представляют интереса для исследования устойчивости, так как являются линейными, а почвы относятся к сложным нелинейным динамическим системам, поведение которых определяет комплекс нелинейных обратных связей между живыми и неживыми компонентами. Поэтому для исследования устойчивости почв целесообразно использовать не отягощенные деталями, поддающиеся аналитическому исследованию нелинейные модели, рассмотрению которых посвящена следующая глава диссертации.
Во второй главе рассмотрена серия из трех нелинейных моделей круговорота углерода, в которых используются различные формы представления нелинейных обратных связей в системе почва растительность. Анализ устойчивости почв на основе предложенных моделей продемонстрировал эффективность предложенного подхода. В результате проведенного исследования было показано, что поведение системы почва-растительность определяется положительной нелинейной обратной связью между продуктивностью и гумусированностью почв. Отрицательная обратная связь между эродируемостью почв и содержанием гумуса не приводит к качественному изменению поведения системы, но накладывает более жесткие условия на область устойчивости стационарных состояний системы.
Предложенные в предыдущей главе диссертации модели позволяют определить стационарный запас органического углерода в почве. По литературным данным нами были найдены средние значения параметров круговорота углерода и область их изменения для автономных почв широкого круга природных экосистем бореального и суббореального поясов Европейской территории бывшего СССР. Это позволило рассчитать для этих экосистем средние значения запасов органического углерода в почвах и область их изменения. В целях проверки рассмотренных моделей круговорота углерода нужно сравнить полученные теоретические значения уровня гумусонакопления в почвах с его эмпирическими оценками. Чтобы их получить, мы собрали и организовали в форме базы данных имеющуюся в опубликованных литературных источниках информацию об автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР. Третья глава посвящена обсуждению результатов сравнения теоретических и эмпирических оценок запасов органического углерода в почве и показателей его биогеоценозной и внутрибиогеоценозной вариабельности.
Актуальной задачей экологического почвоведения является изучение чувствительности почв к изменению условий окружающей среды, решение которой имеет большое значение для развития теории устойчивости почв. В четвертой главе обсуждаются результаты анализа чувствительности почв к изменениям параметров круговорота углерода, для проведения которого была использована вторая модель из серии нелинейных моделей, описанных во второй главе. Рассмотрена зависимость показателей чувствительности от климатических характеристик, и продемонстрирована возможность эффективного использования анализа чувствительности на основе математических моделей круговорота углерода в целях прогнозирования отклика почв на глобальные изменения климата и загрязнение окружающей среды.
В пятой главе представлены результаты сравнительного анализа устойчивости почв Европейской территории России к изменениям параметров круговорота углерода на основе предложенных в работе количественных показателей. А также обсуждаются данные, полученные путем изучения органического вещества целинных черноземов луговых степей с применением комплекса современных экспериментальных методов анализа, для того чтобы понять, чем обусловлена высокая устойчивость запаса гумуса этих почв к изменениям параметров круговорота углерода.
В последнее время в экологии отмечается повышенный интерес к анализу устойчивости экосистем на основе изучения их переходов через критические состояния в пространстве. В результате этих исследований были выявлены механизмы, позволяющие экосистемам сопротивляться приближению критических состояний, т.е. обеспечивающие их устойчивость. Индикаторами способности экосистемы сопротивляться внешнему давлению служат степень резкости (пространственной протяженности) перехода и степень его контрастности, т.е. величина различий с граничащими системами. В шестой главе изложены результаты изучения переходов экосистем через критические состояния в пространстве, обусловленных постепенным изменением климата с высотой в горах в целях изучения роли обратных связей в системе почва - растительность в формировании механизмов устойчивости экосистем. Представлены характеристики резкости и контрастности переходов между высотными поясами по продуктивности растительного покрова и запасам гумуса почв.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему учителю профессору Б.Г.Розанову, по инициативе которого на кафедре были начаты работы по моделированию почвенных процессов. Автор искренне благодарен профессорам Е.М.Самойловой и Л.А.Гришиной, оказавшим ему неоценимую поддержку на раннем самом трудном этапе работы. Особо хотелось бы поблагодарить профессора А.С. Владыченского за постоянный стимулирующий интерес к работе и коллектив кафедры общего почвоведения за благожелательное отношение и поддержку. Автор глубоко признателен своим ученикам А.В.Вьюненко, М.А.Подвезенной, А.А.Шамшину за активное участие в работе и коллегам З.С. Артемьевой, Т.В.Боголюбовой, Т.С.Демкиной, Т.М.Силевой, Л.С.Травниковой, О.В.Черновой, О.А.Чичаговой за помощь в проведении экспедиций и экспериментальных исследований.
Анализ устойчивости почв на основе серии нелинейных моделей круговорота углерода
Например, в модели CANDY [Franko et al.,1995, Franko,1996] содержание инертного углерода определяется в зависимости от содержания суммы фракций ила и тонкой пыли. Петерсен с соавт. [Petersen et al.,2002] при определении зависимости скорости разложения от абиотических факторов, наряду с функциями отклика на изменения температуры и влажности, вводят текстурный фактор, который представляет собой функцию содержания глины. В Ротамстедской модели (RothC-26.3) от содержания глины зависит отношение C02/(BIO+HUM). Поток углерода в микробный и гумусовый пулы увеличивается с ростом содержания глины [Coleman and Jenkinson,1996]. В модели CENTURY учитывается зависимость трансформации органического вещества от содержания разных гранулометрических фракций (песчаной, суммы пылеватой и глинистой и глинистой). Содержание глины контролирует стабилизацию углерода при переходе из «медленного» в «пассивный» пул. Потери углерода в форме СОг при разложении микробного пула зависят от содержания суммы пылеватой и глинистой фракций. Разветвление потока углерода из микробного пула в пул пассивного органического вещества и на выщелачивание контролируется содержанием глины и песка, соответственно. Предложенные способы позволяют описать в моделях большую физическую защищенность органического вещества от разложения в тяжелых почвах, чем в легких. Однако, следует заметить, что механизмы физической защиты органического вещества пока недостаточно изучены. В настоящее время очень мало работ, посвященных определению максимального количества органического вещества, которое может быть физически защищено различными почвами [Hassink, 1997].
Важную роль в круговороте органического вещества играет азот. Недостаток азота может лимитировать микробный рост. От содержания азота в растительных остатках зависит скорость их разложения. Влияние этого фактора учтено во многих моделях, представленных в сети SOMNET (CANDY [Franco et al.,1995], CENTURY [Parton et al.,1994], DAYSY [Jensen et al.,1994], NCSOIL [Molina, 1996], SOMM [Chertov, Komarov,1996], VERBERNE [Verberne et al. 1990] и др.). В структуре многокомпонентных моделей, как правило, можно выделить три модуля: входной модуль, представленный растительными остатками; модуль деструкторов, ответственных за разложение органического вещества и модуль органического вещества почвы. Выбор пулов и их количество в каждом из модулей является умозрительным. Он определяется задачами исследования и отражает авторские концепции. В качестве примера в таблице 1.1. приведены пулы, включенные в структуру различных многокомпонентных моделей, описывающих динамику органического вещества почвы. Представленные в таблице 1.1 сведения дают представление о степени детализации описания органического вещества в многокомпонентных моделях круговорота углерода. Скорость процессов деструкции поступающих в почву растительных остатков во многом определяется активностью микро и мезофауны [Griffiths, 1994]. Но только в немногих моделях отражено участие почвенной фауны в круговороте органического вещества [Rutherford, Juma, 1992]. Поэтому особый интерес вызывает модель ROMUL, описывающая динамику органического вещества в лесных почвах [Chertov et al., 2001]. Она основана на представлениях о сукцессионных сменах групп почвенных животных-деструкторов и соответствующим этим сменам типам гумуса. Входом в модель служит поступление когорт опада растительности, различающихся по содержанию азота и зольности. Выходными данными являются запасы углерода и азота в органических и минеральных горизонтах почвы. Модель описывает эмиссию С02 из почвы и динамику минерального азота, доступного для питания растений. Она была использована для анализа влияния различных сценариев лесопользования на динамику органического вещества почв в широколиственно-хвойных лесах Центра Европейской части России.
Прежде чем использовать модели их необходимо всесторонне проверить. При этом необходимо результаты моделирования сравнивать с независимыми экспериментальными данными, которые не использовались при калибровке модели. Обсуждению результатов проверки и сравнения многокомпонентных моделей динамики органического вещества почв посвящен специальный выпуск журнала Геодерма [Smith et al., 1997а]. Было проведено сравнение девяти наиболее известных имитационных моделей круговорота органического вещества почв (CANDY, CENTURY, DAISY, DNDC, ITE, NCSOIL, RothC, SOMM, VERBERNE) Для их проверки использовалось несколько рядов результатов долговременных наблюдений за динамикой органического вещества почв, которые представляли широкий диапазон внешних условий (различные климатические условия, характер использования земель и хозяйственные воздействия). По результатам сравнения модели четко разделились на две группы. Шесть моделей первой группы (CANDY, CENTURY, DAISY, DNDC, NCSOIL, RothC,) имели меньшие значения средне квадратической ошибки, чем три модели второй группы (ITE, SOMM, VERBERNE). Однако среди моделей первой группы не удалось выбрать такую, которая бы показала лучшие результаты по всем рядам экспериментальных данных [Smith et al., 1997b]. Полученный в результате проведенной проверки многокомпонентных моделей опыт имеет большое значение для определения их способности прогнозировать динамику органического вещества почв в условиях глобальных изменений среды. Пока для получения качественных прогнозов они нуждаются в предварительной калибровке на основе данных о содержании общего органического углерода в почвах той территории, для которой составляется прогноз.
Так как модель всегда является упрощенным представлением реальности, любое предсказание имеет неопределенность. Анализу неопределенностей моделей уделяется большое внимание в математической экологии [O Neill, Rust,1979; Cale et al.,1983; Gardner et al.,1982; 1990; Addiscott, Smith, 1995; Heuvelink, 1998; Jansen,1998; Grieb at al.,1999; Addiscott, Tuck, 2001]. Разработаны аналитические и компьютерные методы, позволяющие исследовать неопределенность модельных предсказаний на количественном уровне. Неопределенности обусловлены, как природной вариабельностью моделируемых явлений, так и ошибками, сделанными в процессе определения качественной и аналитической структуры модели, при оценке параметров и выборе ситуаций, для которых модель будет реализована. Ошибки, возникающие на разных этапах построения и реализации модели, не являются независимыми, а могут взаимодействовать самым неожиданным образом, увеличивая неопределенность предсказаний.
Внутрибиогеоценозная пространственная вариабельность запасов гумуса в почве
Почвы являются важнейшим резервуаром углерода в биосфере. Запас органического углерода в почве в 3 раза больше чем в надземной биомассе и в 2 раза превышает запас атмосферного С02 (Таблица 3.1). [поясов Европейской территории бывшего СССР, и результаты собственных/исследований почв Звенигородской биостанции МГУ и заповедника «Приволжская лесостепь» были организованы нами в форме базы данных, которая в данный момент содержит сведения ,более чем о 500 / почвенных разрезах. Анализ больших массивов данных, целенаправленно собранньїх йз опубликованных источников, имеет свои особенности и требует особых методических приемов. При построений базы данных/ нами была использбВопросы образования и накопления органического вещества в почвах издавна привлекали внимание исследователей. Этой теме посвящено огромное количество публикаций. Столь большое внимание к изучению органического вещества почв обусловлено особой ролью органического вещества в генезисе и плодородии почв и его биосферными функциями. Основы теории гумусообразования были заложены В.В. Докучаевым в конце XIX века. Он определил основные факторы, отвечающие за накопление гумуса в почвах, и предположил, что при известных постоянных условиях поступления и разложения органического вещества его накопление в почвах имеет предел. П.А. Костычев, Н.М. Сибирцев, а затем И.В.Тюрин провели первые теоретические расчеты по определению возможной величины накопления органического вещества в почвах [Тюрин, 1965]. Идеи В.В. Докучаева получили свое дальнейшее развитие в работах отечественных и зарубежных ученых И.В.Тюрина, М.М.Кононовой, В.В.Пономаревой, Л.Н.Александровой, Д.С.Орлова, Л.А.Гришиной, Н.Ф. Ганжары, Г. Иенни, Ф. Дюшофура, Р.Тейта. В результате этих исследований были определены основные эколого-географические закономерности гумусообразования.
В настоящее время в связи с проблемой глобальных изменений климата и окружающий среды интерес к изучению органического вещества почв резко возрос. Динамика климатических изменений определяется концентрацией углеродсодержащих газов в атмосфере. В соответствии с ростом концентрации С02 в атмосфере увеличивается глобальная температура воздуха. Почвы являются важным природным источником поступающих в атмосферу углеродсодержащих газов. Дыхание почвы оценивается в 50-75-1015 г С в год. Для сравнения, за счет антропогенной активности в атмосферу ежегодно поступает 5-Ю15 г С в год [Трофимов, 1997]. Даже относительно небольшие изменения в интенсивности дыхания почвы могут оказать значимое влияние на климат планеты. Почвы одновременно являются источником и стоком СОг. В условиях глобального изменения климата и возрастающего антропогенного воздействия очень сложно прогнозировать, какие процессы секвестрации углерода почвами, или минерализации органического вещества будут доминировать. Качество прогнозов во многом будет зависеть от понимания механизмов регуляции газового состава атмосферы, уровня развития математических моделей биогеохимического цикла углерода и их информационного обеспечения.
Информационной основой для математических моделей служат базы данных. В последние два десятилетия активно проводится работа по созданию пространственно координированных баз почвенных данных. Под эгидой международного общества почвоведов (ISSS) внедряется технология сбора информации SOTER для создания глобальной базы данных о почвах [Столобовой, Савин,1996; Oldeman and van Engelen, 1993;]. База данных для оценки запасов углерода в почвах мира впервые была создана в Oak Ridge Laboratory (USA) [Post et al.,1982]. Она содержит описания порядка 3000 тысяч почвенных разрезов, сгруппированных по жизненным зонам. Есваран с соавторами. [Eswaran et al.,1993] опубликовали карту запасов углерода в почвах мира, которая основана на собранной в базе данных информации о 16000 почвенных разрезах. Наряду с глобальными базами данных для характеристики органического вещества почв создаются также региональные базы данных [Рожков и др., 1997; Титлянова и др. 1998; Kern, 1994; Siltanen et al.,1997; Batjes, Dijkshoorn,1999; Callesen et al.,2003; Chhabra et al.,2003].
Для территории России наибольшую известность получила база данных Почвенного института им. В.В.Докучаева, созданная для составления компьютерных карт запасов углерода в почвах Российской федерации масштаба 1:4 млн [Рожков и др,1997] и 1:2.5 млн [Рожков, 2002]. На основе собранной в базе данных информации каждый из выделенных на карте почвенных типов характеризовался собственным типом гумусового профиля. Метод расчета запасов органического углерода на основе данных о гумусовом профиле сводился к численному интегрированию по слоям. При этом учитывалось содержание органического углерода, объемный вес и каменистость.
Большой массив данных о содержании гумуса в 5850 разрезах и плотности почвы в 2300 разрезах собран в базе данных «Органический углерод», характеризующей почвы Сибири [Титлянова и др., 1998]. Собранная информация использовалась для расчета запасов углерода в почвах Сибири и оценке его потерь в результате хозяйственного освоения территории. Расчеты запасов углерода были построены на основе стреднестатистических профилей содержания гумуса в определенном типе или группе почвенных типов.
В предыдущей главе нами были получены формулы расчета стационарного запаса органического углерода в почве. По литературным данным были определены средние значения параметров круговорота углерода и область их изменения для автономных почв широкого круга природных экосистем бореального и суббореального поясов Европейской территории бывшего СССР. Это позволило рассчитать для этих экосистем средние значения запасов органического углерода в почвах и определить возможные пределы их изменения.
В целях проверки предложенных моделей круговорота углерода нужно сравнить полученные теоретические значения уровня гумусонакопления в почвах с его эмпирическими оценками.
К сожалению, организация информации в известных нам почвенных базах данных не позволяет оценить запасы гумуса и показатели их вариабельности для почв естественных экосистем Европейской территории бывшего СССР. Поэтому, чтобы получить необходимые для проверки моделей эмпирические данные, мы попытались организовать в форме базы данных результаты собственных исследований и имеющуюся в литературе информацию об автономных почвах природных экосистем Европейской территории бывшего СССР.
Выбор этих почв в качестве объекта исследования обусловлен рядом причин. Во-первых, можно считать, что в определенном временном интервале зональные почвы природных экосистем находятся в квазистационарном состоянии по отношению к показателям гумусного состояния [Трофимов, Седов, 1997]. Во-вторых, почвы Восточно-Европейской равнины наиболее полно изучены по сравнению с почвами других территорий России. При изучении именно этих почв В.В. Докучаевым и его последователями были установлены основные эколого-географические закономерности гумусонакопления, что позволяет их проверить и уточнить, используя математические методы анализа больших информационных массивов. В-третьих, рассматривая только автономные почвы природных экосистем, можно наиболее корректно провести сравнительно-экологический анализ зависимости уровня гумусонакопления от биоклиматических и литологических условий, исключив влияние сельскохозяйственных воздействий и геоморфологического фактора.
Изменение устойчивости, почв к изменениям параметров круговорота углерода в результате сельскохозяйственного освоения
Опубликованная в литературе информация, характеризующая автономные почвы природных экосистем бореального и суббореального поясов Европейской территории бывшего СССР, и результаты собственных исследований почв Звенигородской биостанции МГУ и заповедника «Приволжская лесостепь» были организованы нами в форме базы данных, которая в данный момент содержит сведения более чем о 500 почвенных разрезах.
Анализ больших массивов данных, целенаправленно собранных из опубликованных источников, имеет свои особенности и требует особых методических приемов. При построении базы данных нами была использована методическая схема создания унифицированных массивов почвенных данных, предложенная Белоусовой и Мешалкиной (1997).
Основной структурной единицей базы данных является почвенныйразрез. Для каждого разреза заполнялась анкета, включающая сведения о географическом местоположении, рельефе, растительности, почвообразующих породах, авторском названии почвы и ее названии в соответствии с общепринятой классификацией [Классификация и диагностика почв СССР, 1977]. Два названия почв приводились только тогда, когда авторами использовались региональные классификации. В этом случае название почвы, соответствующее общепринятой классификации, устанавливалось на основании приведенного в публикации морфологического описания разреза и характеристики физико-химических свойств почвы. Разрез представлен набором генетических горизонтов, для которых приведены данные о содержании и качественном составе органического вещества, гранулометрическом составе, кислотности, степени насыщенности основаниями, составе обменных катионов и плотности. Для почв аридных территорий в анкету дополнительно включались данные о содержании легкорастворимых солей. Из-за недостатка данных в некоторых анкетах содержится лишь часть необходимых сведений о свойствах почв.
Источником информации служили материалы, опубликованные в научной литературе после 1945 года. В России (СССР) в рассматриваемый период для определения содержания гумуса в минеральных горизонтах почв в основном использовались различные модификации метода Тюрина. Внедрение в последние годы автоматических анализаторов для более точного определения содержания углерода путем сухого сжигания пока не имеет массового характера в России. Поэтому в собранном нами массиве представлены данные о содержании гумуса, полученные методом Тюрина. Для того, чтобы сопоставить их с результатами определения углерода методом сухого сжигания можно воспользоваться специально установленными пересчетными коэффициентами [Когут, Фрид, 1984; Титова, Когут, 1991 ].
Пространственная структуризация массива данных основана на карте почвенно-географического районирования СССР [Добровольский, Урусевская, 1984]. База данных реализована в среде EXCEL. На основании собранной информации о профильном распределении содержания гумуса и плотности почв для каждого почвенного разреза были определены запасы гумуса, которые были пересчитаны на запасы органического углерода с использованием коэффициента 0.58. В тех случаях, когда в анкете отсутствовали данные о плотности почв лесной зоны и зоны полупустынь, использовали средние значения этого показателя для почв соответствующего типа и гранулометрического состава. При отсутствии сведений о плотности черноземов и каштановых почв степных экосистем мы рассчитывали ее по регрессионному уравнению, описывающему зависимость плотности почв от легкоопределяемых или легкодоступных почвенных характеристик.
Плотность почвы зависит от содержания гумуса минералогического, агрегатного и гранулометрического состава [Воронин, 1986]. Данные о минералогическом и агрегатном составе почв можно найти только в специальных работах. Гораздо шире представлена информация о содержании гумуса и гранулометрическом составе почв.
Поэтому мы попытались подобрать регрессионное уравнение, описывающие зависимость плотности от содержания гумуса и гранулометрического состава, для почв степных экосистем Русской равнины (Вьюненко, Рыжова, 1999).
Чтобы определить значения параметров уравнения регрессии, а затем проверить его на независимом материале, необходимая информация, собранная в базе данных была разделена на две части. Одна использовалась для получения регрессионного уравнения, а другая для его проверки.
При выводе этого уравнения возникла проблема выбора гранулометрической фракции, содержание которой следует использовать в качестве аргумента функции, описывающей зависимость плотности почвы от содержания гумуса и гранулометрического состава. Проведенные исследования показали, что плотность почвы может быть определена по данным о содержании гумуса и содержании физической глины или содержании илистой фракции, но наибольшая точность достигается при расчете по регрессионному уравнению, аргументом которого является содержание фракции средней пыли: Максимальная абсолютная ошибка составила 0,16 г/см3 а средняя абсолютная ошибка - 0.07 г/см Для почв, сформированных на ледниковых отложениях, содержащих валунный материал, при расчете запасов гумуса учитывалась их каменистость. Данные о каменистости почв взяты из работы [Углерод в экосистемах лесов и болот России, 1994] В итоге для каждого горизонта всех описанных в базе данных почвенных разрезов, за исключением подстилки, были определены запасы органического углерода.
Запасы углерода в подстилках не подсчитывались, так как на основе собранной информации невозможно получить их достаточно точные оценки. Это связано с высокой пространственной вариабельностью запасов подстилки даже в пределах одного биогеоценоза. По данным Т.А.Парамоновой с соавторами (1998), коэффициент вариации запаса подстилки в ельнике-кисличнике средней тайги составляет. 44%. Л.О.Карпачевский (1977), изучая внутрибиогеоценозную изменчивость почвенных свойств, установил, что в елово-широколиственном лесу на дерново-подзолистой почве он достигает 65%. Наши исследования пространственной вариабельности запасов подстилки в ельниках южной тайги свидетельствуют о том, что в зависимости от типа парцеллы, коэффициент вариации изменяется от 22 до 95% [Подвезенная и др., 2001]. Для получения надежных экспериментальных оценок запасов подстилки необходимо проводить массовые определения с учетом пространственной структуры растительного покрова. Такие исследования единичны. Как правило, запасы подстилки вычисляются по данным о ее мощности, которая указывается при морфологическом описании почвенных разрезов, средним оценкам объемной массы и содержания углерода. При отсутствии данных о содержании углерода в подстилках используются величины потери массы при прокаливании. [Углерод в экосистемах лесов и болот России, 1994]. Полученные таким образом оценки запасов подстилки являются весьма грубыми, в связи с этим в настоящей работе мы не стали делать подобные расчеты.
Собранные в базе данных материалы позволяют подсчитать запасы органического углерода в слоях почвы различной мощности в пределах почвенного профиля.
По географическим привязкам каждый разрез относили к почвенно-географическим структурным единицам (почвенной области, зоне (подзоне), почвенно-климатической фации и провинции), выделенным на карте почвенно-географического районирования СССР [Добровольский, Урусевская, 1984]. В пределах почвенно-географических структурных единиц данные группировались по типам экосистем. Такая группировка позволяет связать полученную информацию о запасах органического углерода почв с опубликованными оценками его запасов в других компонентах экосистем [Базилевич, 1993].
Оценка сопряженности критических переходов в почвенном и растительном покрове в системе высотной поясности
Статистический анализ полученных данных показал, что от типа парцеллы зависят величина и пространственная изменчивость мощности и запасов подстилки, содержания и запасов гумуса только в самом верхнем минеральном слое почвы мощностью 5 см. В более глубоких слоях почвы эта зависимость не прослеживается. Сравниваемые парцеллы четко подразделяются на две группы. Первая включает кисличную и мертвопокровную парцеллы; вторая - волосисто-осоковую, зеленомошную и черничную. Средние значения мощности и запасов подстилки, содержания и запасов гумуса в верхнем минеральном слое почвы мощностью 5 см и их пространственная изменчивость в парцеллах первой группы достоверно (а=0.05) ниже, чем во второй группе.
Во многих работах показано, что в пределах парцеллы свойства почвы закономерно меняются, образуя концентрические структуры, что обусловлено изменением напряженности биогеоценотического поля эдификатора парцеллы (окна, дерева) [Карпачевский, 1977; Дмитриев и др., 1999]. Степень выраженности зависимости различных свойств почвы от местоположения в тессере (тессерой называют почвенный компонент парцеллы) может быть разной. Наиболее отчетливо она проявляется для мощности и запасов подстилки, содержания гумуса, суммы и состава обменных катионов в верхнем горизонте почвы [Карпачевский и др. 1999]. От местоположения в тессере зависят не только средние значения достаточно лабильных свойств верхнего слоя почвы, но и их вариабельность [Дмитриев и др., 1999]. Мы попытались выявить зависимость запаса гумуса в верхней части профиля лесных почв и его изменчивости от удаленности от дерева-эдификатора парцеллы. Анализ полученных данных (таблица 3.9) свидетельствует о достоверности различий (а=0.05) средних значений и дисперсий мощности и запасов подстилки, а также содержания гумуса в слое 5-Ю см. в различных по удаленности от дерева зонах. Рассматриваемая зависимость для содержания гумуса в слое 0-5см. и его запасов в слоях 0-5 и 5-1 Осм. подзолистой почвы ельника, по-видимому, затушевывается действием других факторов, поэтому прослеживается только тенденция уменьшения средних значений и дисперсий этих свойств в окне. Представленные результаты подтверждают выводы Е.А. Дмитриева с соавт.(1999) о том, что дисперсии свойств почвы под кронами и у стволов елей выше, чем в окнах.
Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что запасы гумуса в верхних минеральных горизонтах лесных почв характеризуются довольно высокой внутрибиогеоценозной изменчивостью. Коэффициенты вариации для них составляют 25-35%. Тип биогеоценоза, степень увлажнения почв и тип парцеллы оказывает влияние на вариабельность содержания и запасов гумуса только в самом верхнем минеральном слое почвы мощностью 5 см. В более глубоких слоях почвы эта зависимость не прослеживается. Отмечается тенденция уменьшения запасов гумуса в слоях 0-5 и 5-10 см. и их вариабельности в окнах по сравнению с приствольной частью и под кронами елей.
Подавляющее большинство данных о пространственной вариабельности содержания гумуса в почвах под травяной растительностью относится к агроэкосистемам [Гришина, Моргун, 1978; Самсонова и др., 1999]. Коэффициент вариации содержания гумуса в пахотном горизонте почв в пределах сельскохозяйственного угодия может составлять 10-60% [Готра, 2004]. На пространственную изменчивость содержания гумуса в пахотных почвах очень большое влияние оказывают хозяйственные воздействия, в результате которых она может, как снижаться, так и возрастать. Значительно реже встречаются работы по изучению пространственной изменчивости содержания гумуса в почвах естественных травяных экосистем. Впервые вопрос о важности изучения пространственной изменчивости содержания гумуса в черноземах под естественной растительностью на незначительных расстояниях был поставлен еще в конце XIX века П.А. Костычевым (1951) в связи с полемикой с В.В.Докучаевым по поводу изогумусовых полос. В задачу настоящего исследования входила оценка пространственной изменчивости содержания гумуса в черноземах разного гранулометрического под лугово-степной растительностью и определение зависимости содержания гумуса и его вариабельности от типа растительной ассоциации в пределах одного участка луговой степи.
Объектом исследования послужили почвы Островцовского и Кунчеровского участков заповедника «Приволжская лесостепь» (Пензенская обл.). Это чудом уцелевшие островки луговых степей, сохранившиеся благодаря тому, что периодически на протяжении последних 100 лет в Пензенской области неоднократно создавались и расформировывались заповедники [Добролюбова, 1999]. Участок "Островцовская лесостепь" расположен в юго-западной части Пензенской области на правобережье р. Хопер. Участок "Кунчеровская лесостепь" находится на южной оконечности Сурско-Мокшинской полосы поднятий в юго-восточной части Пензенской области. В почвенном покрове Островцовского участков преобладают выщелоченные черноземы тяжелого гранулометрического состава, сформированные на лессовидных суглинках. На участке "Кунчеровская лесостепь" под луговыми степями формируются почвы легкого гранулометрического состава черноземного облика. Мощность их профиля определяется глубиной залегания слоя плотного сцементированного гидроокислами железа песчаника. Там, где он подходят близко к поверхности, формируются черноземы неполноразвитые. При более глубоком залегании этого слоя встречаются черноземы слабодифференцированные. Почвы названы в соответствии с Классификацией и диагностикой почв СССР [Классификация и диагностика почв СССР, 1977]. Для того, чтобы определить насколько зависят содержание гумуса в почве и его пространственная вариабельность от типа растительной ассоциации, в пределах Кунчеровского участка луговой степи на водораздельной территории было заложено три пробных площади размером 25 25м с разной растительностью (разнотравно-берегово-кострецовая ассоциация, узколистоковыльно-разнотравная ассоциация и разнотравно 101 узколистноковыльная ассоциация). В пределах каждой из них методом случайного отбора было отобрано по 17 образцов из верхней части горизонта А (образцы отбирались на глубине 10-20см, так как в изучаемых черноземах мощность дернины составляет 5- 10 см.). Содержание гумуса в почве определялось методом Тюрина. Полученные данные представлены в таблице ЗЛО.
