Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Факторы почвообразования и методы исследования в экологии почв 8
Глава 2. Методология и методы исследования, объекты и использованные материалы 16
2.1. Концепция почвообразующего потенциала природных факторов (ПППФ) 16
2.2. Методы 17
2.3. Объекты 18
2.4. Использованные материалы 19
Глава 3. Частные почвообразующие потенциалы (ПП) природных факторов
3.1. ПП климата и рельефа для формирования подзолистого и элювиального горизонтов почв (Европейская Россия) 22
3.2. ПП климата для формирования гумусовых, элювиальных, иллювиальных, метаморфических горизонтов почв (равнинная территория России) 34
3.3. ПП климата для процессов гумусонакопления и преобразования минеральной части почв (Россия) 40
3.4. ПП биоты как оценка депонирования органического углерода в почвах основных биомов (Россия) 48
3.5. ПП климата и биоты для процесса гумусонакопления в черноземах (Россия) 59
3.6. ПП материнской породы как оценка максимальной величины емкости катионного обмена почв 62
3.7. ПП материнской породы как оценка содержания валового кальция в поверхностных породах (Россия) 68
3.8. ПП материнской породы как оценка дробности поверхностных пород (Россия) 71
3.9. ПП материнской породы для оценки поведения/закрепления органического углерода в почвах (Россия) 79
Глава 4. Интегральный ПППФ 94
4.1. Ареал охристого горизонта как результат совместного действия факторов почвообразования (Камчатка) 94
4.2. Интегральный ПППФ как оценка комплексной устойчивости почв (СССР) 98
4.3. Интегральный ПППФ как оценка разнообразия почвенного покрова (России) 103
Глава 5. Практическое использование полученных данных для целей инвентаризации почвенной информации 113
5.1. Цифровые почвенные карты и карты почвенно-экологического районирования(ПЭР) 113
5.2. Национальный атлас почв Российской Федерации 120
5.3. Почвенно-географическая база данных России и Единый государственный реестр почвенных ресурсов России 122
Выводы 125
Цитируемая литература 127
Работы по теме диссертации 135
- Концепция почвообразующего потенциала природных факторов (ПППФ)
- ПП климата для формирования гумусовых, элювиальных, иллювиальных, метаморфических горизонтов почв (равнинная территория России)
- ПП материнской породы как оценка содержания валового кальция в поверхностных породах (Россия)
- Национальный атлас почв Российской Федерации
Введение к работе
Актуальность работы
Понимание роли природных факторов в формировании и функционировании почвенного покрова имеет важное значение как для решения вопросов генетического почвоведения, географии почв, так и для мониторинга состояния почв, прогноза изменения, а также эффективного использования почвенно-земельных ресурсов России.
Учитывая огромное количество существующей почвенной пространственно распределенной информации, можно говорить о чрезвычайно возрастающей роли такого инструмента как геоинформационные системы (ГИС), позволяющие одновременно обрабатывать огромные массивы данных, проводить совместные исследования практически любого количества различных параметров, оценивать характер их взаимосвязей. ГИС способны стать "усилителем человеческой интуиции, обнаруживая сущности и закономерности невидимые в иных случаях" (Гуд-чильд). В настоящее время применение информационных технологий (ИТ) в деле обработки данных и инвентаризации почв, осуществления мониторинга состояния почвенного покрова и принятия управленческих решений становится первостепенной задачей мирового почвоведения. Цель исследования
Оценка взаимосвязи факторов почвообразования с характером и географическими особенностями почвенного покрова страны с применением современных геоинформационных технологий на основе концепции почвообразующего потенциала природных факторов.
Задачи исследования S Обобщить, проанализировать и объединить в цифровую базу данных (БД) материалы по почвенным ресурсам и факторам почвообразования РФ. S Показать роль концепции почвообразующего потенциала природных факторов (ПППФ) как методологической основы исследований в экологии почв. S Предложить новые алгоритмы и методы применения ИТдля решения
задач факторной экологии почв на ряде конкретных примеров. / Получить оценки частных почвообразующих потенциалов (ПП) отдельных природных факторов для формирования почвенного покрова, проявления почвенных процессов и свойств. У Получить картографическую оценку разнообразия почвенного покро-
ва, рассматриваемого как результат интегрального действия природных факторов на территории России. S Охарактеризовать территорию страны по степени реализации интегрального ПППФ, т.е. формирования максимально сложноорганизо-ванного и устойчивого к внешним воздействиям почвенного покрова. Научная новизна
В единую цифровую базу данных ГИС России собраны и проанализированы разномасштабные картографические материалы, характеризующие почвенный покров и факторы почвообразования как страны в целом, так и отдельных регионов. В БД вошли карты и картосхемы (оцифрованные с бумажных картографических источников; вновь созданные; полученные от коллег в цифровом виде), а также описания свыше 1000 почвенных разрезов (отобранных из литературных источников и собственных данных).
Разработаны и опробованы новые методы исследования ПППФ: создание картографических моделей ПП климата (для процессов гумусо-накопления и преобразования минеральной части почв), построение сравнительных диаграмм (для оценки влияния климатических параметров на распространение почвенных горизонтов), анализ распределений в целях оценки ПП материнских пород (для идентификации стадии развития почв), картографическая оценка педоразнообразия (путем расчета индексов вертикальной и латеральной дифференциации). Выделены пять основных направлений современного использования ГИС в почвоведении и экологии почв: инвентаризация, визуализация, ГИС-анализ, моделирование, подготовка данных.
Получены картографические оценки различных характеристик факторов почвообразования. Впервые на основе данных среднемесячных и среднегодовых температур почвы по 667 метеостанциям России были построены картографические модели параметров температурного режима почв. Получены картограммы потоков биологической продукции (для основных типов биомов и всей территории страны), дана характеристика поступления органического углерода с растительными остатками и его закрепления в почвенном покрове экосистем. На основе данных об инженерно-геологических комплексах поверхностных пород построены картосхемы преобладающих фракций, получена оценка дробности пород.
Впервые на основе цифровых карт М 1:2 500 000 получена оценка разнообразия почвенного покрова России с учетом его вертикальной и латеральной дифференциации. Установлено, что максимальное разнообразие характерно для равнинных зон дерново-подзолистых почв южной тайги, серых лесных почв лиственных лесов и горных провинций Кавказа и Алтая.
Сопоставление полученных картографических оценок двух аспектов интегрального действия ПППФ на территории России выявило существенные отличия для горных районов, где устойчивость почвенного покрова имеет невысокие значения, а оценка разнообразия варьирует от минимальных значений до максимальных. Максимально сложноорганизо-ванный и устойчивый к внешним воздействиям почвенный покров сформирован в зоне серых лесных почв.
Защищаемые положения S Использование концепции ПППФ в сочетании с технологиями ГИС в почвоведении и экологии почв, объекты изучения которых - почвы, почвенный покров, факторы почвообразования - представляют собой пространственно распределенные данные, является наиболее эффективным инструментом исследования и дает возможность получить новую научную информацию, количественно оценить взаимосвязи. S Картографические оценки отдельных параметров природных факторов позволяют оценить их частные ПП. Из климатических показателей на формирование почвенных горизонтов наибольшее влияние оказывают испарение, разность осадков и испаряемости, валовое увлажнение территории, а также суммы активных температур в почве. Наибольшие значения депонирования углерода в почвенном покрове сосредоточены в горных лесных районах Алтая, Западного Саяна и Южного Урала, а также в лесо-луго-тундровых биомах Камчатки. Абсолютная высота и глубина расчленения рельефа значимы для почв элювиально-подзолистого ряда Европейской России, образуя отдельную экологическую нишу подзолов. Содержание валового Са в породах более 5% обеспечивает потенциальную возможность формирования почв с ЕКО до 50-70 сМ(+)/кг на 15% территории страны, а рассчитанная дробность поверхностных пород картографически характеризует условия дренажа, аэрации, доступности зольных элементов в
почвах. У Количественной характеристикой интегрального ПППФ является оценка комплексной устойчивости почв как компонента ландшафта. Другим проявлением интегрального ПППФ служит способность формировать сложноорганизованные почвенные тела и почвенные покровы. Наиболее полно интегральный ПППФ на территории России реализован в зоне серых лесных почв. Высокой оценкой отличаются также европейская часть страны, юг Сибири, Дальнего Востока и Средняя Сибирь в местах распространения палевых и дерново-карбонатных почв.
Практическая значимость работы
Создание единой цифровой БД ГИС России, включающей разномасштабные картографические материалы, а также объединение свыше 1000 описаний почвенных разрезов направлены на инвентаризацию почвенных ресурсов. Значительная часть этих материалов уже входит (или будет включена в дальнейшем) в состав Почвенно-географической базы данных (ПГБД) России -формируемого общедоступного центра по сбору, хранению и предоставлению информации, необходимой для осуществления мониторинга состояния почвенного покрова и принятия управленческих решений на основе применения ИТ. Обработанные и проанализированные материалы были подготовлены и вошли в Национальный атлас почв РФ - монографическое издание, обобщающее обширную информацию о почвенном покрове страны. При подготовке Карты почвенно-экологического районирования (ПЭР) РФ М 1:2 500 000 были использованы цифровые карты, что позволило сделать необходимые для содержания карты и легенды расчеты: состава почвенного покрова районов и округов, параметров атмосферных и почвенных режимов равнинных и горных провинций.
Для экологии почв актуальным остается вопрос поиска и совершенствования методов исследования. Входе проведения работ были использованы существующие методы и их различные модификации, разработаны и опробованы новые алгоритмы и методы, их сочетания и последовательность применения. Дана характеристика основных направлений использования ГИС, задействованных в настоящее время в науке о почве. Примеры их применения, вошедшие в работу, востребованы в процессе
обучения почвоведов и экологов дисциплинам, связанным с освоением и использованием ГИС.
Часть исследований выполнялась при финансовой поддержке РФФИ в рамках работ по грантам, в которых автор принимал участие в качестве исполнителя, ответственного исполнителя, руководителя (всего
19 грантов, начиная с 1996 г. и заканчивая последними 12-06-33035
мол_а_вед; 13-04-07011Д; 15-04-03564 А).
Апробация работы
Материалы работы были представлены на различных научных мероприятиях. В их число входят: II - VI съезды Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (1996-2012) и заседание подкомиссии картографии почв и комиссии по педометрике (Москва, 2008); семинар Научного совета по почвоведению РАН (Москва, 2001); международные и всероссийские конференции, симпозиумы, совещания (Львов, 1999; Москва, 1999; 2001; 2010; 2011; 2012; Новороссийск, 2001; Иркутск, 2006; Владивосток, 2007; пос. Варварино, Воронежская область, 2010; Пущино, 2010; Rome, 2010; Paris, 2011; Dresden, 2013; Vienna, 2014; Санкт-Петербург, 2014).
Публикации
По результатам исследовании опубликовано 139 работ, включая:
20 статей в журналах из списка ВАК; свидетельство о регистрации прав на
программное обеспечение; 19 монографий, разделов в коллективных
монографиях, учебных пособий; 28 картографических работ.
Личный вклад автора в работу
Диссертация является результатом многолетних (1990-2015 гг.) исследований автора. Автором сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы полученные результаты, сделаны итоговые выводы. Совместно с коллегами автором сформулирована концепция ПППФ, ставшая методологической основой исследования. Автором лично разработаны представленные в диссертации новые алгоритмы и методы, выполнены все картографические работы. В работе использованы материалы, полученные в соавторстве с аспирантами и студентами, выполнявшими свои исследования под руководством автора. Автор лично представляла результаты исследований на научных мероприятиях, перечисленных выше.
Структура работы
Концепция почвообразующего потенциала природных факторов (ПППФ)
Выделенные основные направления применения ГИС на практике, как правило, используются совместно, в комплексе, дополняя друг друга. Примером таких работ являются развивающиеся в последнее время междисциплинарные исследования почвоведов и историков, выполненные на основе геоинформационных технологий. Здесь интерес представляют как работы с данными по землепользованию, из которых наиболее ранними являются материалы Генерального межевания [Пиотух, 1996; Щекотилов, 2010; Козлов и др., 2013; 121], так и с историческими почвенными картами [Hartemink at al., 2012], включая оценку хозяйственного использования почв [131; 132]. Применение ГИС позволяет осуществить инвентаризацию данных старых картографических материалов и, предварительно оценив их качество, вовлечь в научный обиход [130; 137; 138], получить и визуализировать новые данные на основании легенды и сопроводительных текстов карты, значительно повысив информационную емкость источника [122; 135], проанализировать и обработать различными методами снятые с почвенных карт данные для выявления взаимосвязи между характеристиками землепользования и качеством почвенного покрова [139].
Наряду с развитием методов, в том числе основанных на применении информационных технологий, продолжается разработка методологии исследований как в экологии почв, так и в почвоведении в целом.
Методологический подход к изучению генезиса, эволюции и экологии почвенного покрова, заключающийся в создании системы моделей, предложен СВ. Горячкиным [1996; 2010]. Согласно автору, моделирование (создание не только количественных, но и качественных моделей) является в настоящее время одним из главных направлений и методов почвоведения и географии почв. Алгоритм генетико-эволюционного моделирования включает последовательное создание серии моделей, заканчивающейся эволюционными и прогнозными моделями почвенного покрова (набором почвенных карт). В целом, "моделирование генезиса и эволюции почвенного покрова" - это методология, предполагающая сохранение и совершенствование качественной составляющей направления в географо-генетическом почвоведении, наряду с постоянно развивающимися количественными подходами.
Настоящее исследование проводилось на основе концепции почвообразующего потенциала природных факторов, сформулированной в 1999 г. [21]. Термин "потенциал" давно и широко используется в почвоведении и смежных науках применительно к экосистемам, ландшафтам и их компонентам, что нашло отражение в разного рода справочных изданиях [Словарь общегеографических..., 1976; Реймерс, 1990; Снакин, 2008; Богатырев, Телеснина, 2010; Богатырев, 2015; 13 и др.]. Предложенные авторами формулировки этого понятия довольно существенно различаются по смыслу и назначению и связаны с разными природными объектами. В целом имеющиеся варианты таких толкований (относительно почвы) можно свести к трем условным группам: 1) почва напрямую не учитывается; 2) почва и ее свойства являются источником или входят в состав источника потенциала; 3) почва, почвенный покров являются результатом проявления потенциала.
К первому варианту относятся, в частности, определения, связанные с продуктивными характеристиками биоты. Термин "потенциал зольного фактора" применительно к георастительной системе использовал И.А.Титов [1934; 1952]. Автор рассматривал сопряженные процессы эволюции наземного растительного покрова и эволюции свойств среды, следствием которых является почвообразовательный процесс. Потенциал зольного фактора - это количественное выражение (значение) элементов зольного и азотного питания растений (в формах, допускающих их усвоение) в том или ином пункте георастительной системы [Титов, 1934, с. 30]. Согласно автору, комплекс элементов зольного питания растений, единственный из жизненно важных факторов, не притекает извне к наружным частям коры континента и непрерывно в той или иной мере выносится водой. Таким образом, в пределах георастительной системы происходит постепенное ослабление количественного участия зольного фактора, то есть перераспределение его потенциалов, ведущее к убыванию.
В.В. Бугровский с соавторами предлагают понятие биосферный потенциал лесов [1986]. С его помощью оцениваются две стороны биогеоценоза: процессы производства органического вещества (как вклад в биосферные процессы) и устойчивость по отношению естественным и антропогенным негативным факторам. Авторы вычисляют биосферный потенциал лесов как произведение продукции леса на его биомассу, поскольку только сочетание этих параметров обеспечивает устойчивость лесного биогеоценоза и его вклад в биосферные процессы.
Потенциал трофический (биологическая продуктивность) подразумевает способность производить органическое вещество за счет деятельности живых организмов [Реймерс, 1990]. Понятие биологического потенциала древесной продукции (Воусе, 1975) развивают в своей работе В.А. Усольцев и И.С. Крепкий [1989]. Набор из трех показателей - значений объемов, поверхностей и длин отрезков ветвей и стволов - авторы заменили связанной с ними функционально массой в абсолютно сухом состоянии. Распределение массы фракций ветвей и корней используется для сравнения "биопродуктивностных потенциалов" лесных фитоценозов различных регионов.
Основываясь на значении климата и, в частности, почвенного климата как фактора почвообразовательного процесса и биологической продуктивности почвы, П.И. Колосков ввел понятие биоклиматический потенциал, синтезирующий в себе биологическую продуктивность климата через учет элементов температуры и влаги [1946; 1963]. Развивая эти представления, Д.И. Шашко предложил естественную производительность климата оценивать условными величинами урожайности и разработал способ бонитировки природных условий по климатическим факторам в баллах фактической и потенциальной продуктивности [1958; 1962]. В формулу расчета относительной величины биоклиматического потенциала наряду с климатическим параметром сумма активных температур входит также коэффициент биологической продуктивности, определенный по данным урожайности различных культур [Шашко, 1967]. На основании этого подхода автором была разработана методика бонитировки земли, позволяющая сопоставлять данные по всей стране. Методика сочетает в себе оценку биологической продуктивности по основным климатическим факторам и по свойствам почвы [Шашко, 1973]. Таким образом, в понятие биоклиматический потенциал по Шашко входят и свойства почвы.
Энергетический потенциал органического вещества использует для оценки почвенного плодородия и в качестве критерия бонитировки почв В.К. Козин [1990]. Предложенная формула расчета учитывает запасы энергии в гумусе, содержание гумуса, мощность почвенного слоя, равновесную плотность почвы и групповой состав гумуса.
Специальная единица потенциальной продуктивности (Potential Production Unit), эквивалентная средней продуктивности обычной хорошо возделанной земли фермерского хозяйства, была введена для оценки относительной продуктивности различных типов почв (Stamp, 1954). Для лучших земель была принята оценка 2, для самых худших всего 0,1 [Словарь общегеографических..., 1976, с. 181]. Такой подход аналогичен используемым в нашей стране методикам бонитировки почв.
Изложенные выше различные определения рассматривают биоту, климат и почву в качестве источников, в первую очередь обеспечивающих, определяющих потенциал биологической продуктивности. Почва здесь, прямо или косвенно, учитывается с точки зрения реализации ее экологических функций, проявляющихся как на уровне экосистемы, так и биосферы в целом - почвенного плодородия, как источник вещества и энергии для организмов суши [Добровольский, 2011]. В данной работе почва, напротив, исследуется как результат проявления потенциала внешних по отношению к ней природных почвообразующих факторов.
Проблема почвообразующего потенциала всегда имела большое значение в интерпретации генезиса почв, их географии, а понятие это использовалось во многих почвенно-генетических концепциях. К наиболее фундаментальным разработкам по проблеме факторов почвообразования относятся работы В.В. Докучаева [1899], Г. Пенни [1948], А.А. Роде [1947, 1958], внесших значительный вклад в развитие и углубление представлений о факторах-почвообразователях, в том числе с использованием количественных оценок.
Начало современным представлениям о почвообразующем потенциале природных факторов было положено в 1982 г. В.О. Таргульяном, предложившим понятие почвообразующего потенциала климата и биоты, который был определен как теоретически мыслимая способность стабильного сочетания климата и биоты через процессы выветривания и почвообразования максимально полно и глубоко преобразовать материнскую породу (в определенный условиях рельефа) в климаксное почвенное тело за неограниченное время действия.
В развитие этого подхода А.Н. Геннадиевым было предложено более расширенное понятие "почвообразовательный потенциал географической среды в целом" [1985; 1990]. Автор указал на необходимость учитывать, наряду с климатическим и биологическим факторами, тополитологическую основу, на которую они проецируются, отметив, что породы "тоже выступают как своеобразные потенциалоносители, что обусловлено резервным содержанием в них способных к выветриванию минералов, способных к растворению солей и т.д." [Геннадиев, 1985, с. 42].
Результаты исследования почвообразующего потенциала пород изложены в работах [1; 19]. Для одного из свойств материнской породы, а именно содержания в ней валового Са (и Mg), был введен термин "почвенный потенциал" ("почвообразующий потенциал породы"), определяющий максимальную величину емкости поглощения, которую могут иметь сформированные на данной породе почвы (см. раздел 3.6).
Новым шагом в развитии представлений о роли факторов в формировании почв и почвенного покрова явилась концепция почвообразующего потенциала природных факторов [21], в которой термин "почвообразующий потенциал" используется и исследуется как по отношению к отдельным факторам или группе факторов - частный ПП, так и к географической среде, или всей совокупности природных факторов -интегральный ПП. Немаловажную роль в активизации исследований сыграло ставшее возможным получение в ГИС картографических образов параметров самих факторов почвообразования, различных характеристик почв и почвенного покрова, оценок степени реализации ПП, что придало новый импульс работам в этом направлении.
Основываясь на оценке интегральной ситуации почвообразования (почвообразовательный потенциал географической среды [Геннадиев, 1990] и почвообразующий потенциал природных факторов [21]), П.В. Голеусов и Ф.Н. Лисецкий исследовали ПП комплекса наиболее варьирующих, по определению авторов, факторов почвообразования: биоты и материнских пород. Была предложена и изучалась на примере лесостепной зоны экосистемная характеристика "почвообразовательный потенциал биолитокомбинации", рассматриваемая как составная часть ПППФ [Голеусов, 2003; Голеусов, Лисецкий, 2005].
Почвообразовательный потенциала климата Крымского полуострова исследовала Е.И. Ергина [2013]. Для оценки динамики климатического потенциала и его влияния на структуру почвенного покрова автор использовала энергетический подход, применяя разработанный В.Р. Волобуевым способ оценки эффективности почвообразовательного процесса на основе годовой величины затрат радиационной энергии на почвообразование.
В рассмотренных представлениях о потенциале факторов и исследованиях разных аспектов его проявления почва понимается и изучается как результат действия и реализации данных внешних воздействий, в ходе которых происходит трансформация твердофазной матрицы материнских пород в педоматрицу (почвенные тела, почвенный покров), или почвообразование, в узком смысле, по В.О. Таргульяну и П.В. Красильникову [Targulian, Krasilnikov, 2007].
ПП климата для формирования гумусовых, элювиальных, иллювиальных, метаморфических горизонтов почв (равнинная территория России)
Существенным, даже принципиальным при работе с цифровыми картами является выбор пространственных объектов, в границах которых осуществляются расчеты и визуализируются полученные результаты. Главным образом, он определяется поставленными целями исследования и рабочей гипотезой. Наряду с этим, причиной выбора объектов могут служить и ограничения методического характера.
Для исследований, описанных в этой работе, в качестве объектов были использованы природно-территориальные выделы с цифровых карт различных масштабов: почвы; почвенные горизонты; единицы почвенно-экологического районирования; геохимические ландшафты; растительность; инженерно-геологические комплексы пород и др. Кроме того, применялась сетка географических трапеций 1 градус широты на 1 градус долготы.
Почвенные карты. Использовали почвенную карту СССР М 1:17 000 000 под редакцией Н.Н. Розова [Атлас СССР, 1969]; почвенную карту России М 1:25 000 000 [34], а также Почвенную карту РСФСР М 1:2 500 000 [1988, скорректированная цифровая версия 2007].
На основе Почвенной карты РСФСР были построены карты почвенных горизонтов на равнинной территории страны [Неданчук, 2010], которые также выступали объектами исследования. Информация о горизонтах почвенных типологических единиц взята из пояснительной записки к Почвенной карте РСФСР [Почвенный покров..., 2001]. Набор горизонтов, используемых при анализе, был скорректирован по классификации 2004 года [Классификация..., 2004]. Почвенные горизонты объединены в 4 группы. Гумусовые горизонты: Серогумусовый (AY); Темногумусовый (AU); Светлогумусовый (AJ). Элювиальные горизонты: Подзолистый (Е); Элювиальный (EL); Гумусово-элювиальный (AEL). Иллювиальные горизонты: Альфе гумусовый (BHF); Текстурный (ВТ); Солонцовый (BSN). Метаморфические горизонты: Структурно-метаморфический (ВМ); Ксерометаморфический (ВМК); Палевометаморфический (BPL). Представление о почвенных горизонтах как об основной структурной единице почвенного покрова в пространстве, на уровне которых протекают важнейшие почвообразующие процессы, получило широкое распространение в отечественной и зарубежной науке [Герасимов, 1973; Ruellan 1989; Элементарные..., 1992; Таргульян, 2005]. В последние годы, благодаря развитию ГИС, компьютерные технологии используются в ходе совместного изучения почвенной информации и факторных характеристик, для построения ареалов почвенных горизонтов [82; 89; 103; 118; 129], а также составленных из отдельных горизонтов моделей почвенного покрова [63; 80; 81], в том числе трехмерных [Mendona Santos at al., 2000]. По выражению Тонконогова [2008], представления исследователя о горизонтах более объективны, чем о почвах; ареалы генетических горизонтов несут более точную информацию об их связи с факторами почвообразования, чем ареалы почв. А сопоставление почвообразующих факторов с распространением горизонтов является инструментом установления причинно-следственной связи между ними.
Карта почвенно-экологического районирования. В работе использовали природно-территориальные выделы различного уровня таксономической системы деления Карты ПЭР РФ М 1:2 500 000 [125].
Другие карты объектов. В ряде исследований расчеты проводили в границах, снятых с карты геохимических ландшафтов М 1:30 000 000, созданной на основе карты геохимических ландшафтов СССР М 1:20 000 000 [Перельман, 1964], с Карты растительности СССР М 1:4 000 000 [1990], а также с Инженерно-геологической карты СССР М 1:2 500 000 [1968].
Наряду с природно-территориальными объектами, в ряде работ, включающих сопоставление и совместную обработку в ГИС значительного количества разномасштабных цифровых карт, была использована сетка географических трапеций 1 градус широты на 1 градус долготы. Это связано с тем, что при пересчете данных с одной карты на другую происходит потеря той или иной части информации, и величина этой потери напрямую зависит от масштаба и степени детальности контуров исходных карт. В таких случаях наиболее подходящим вариантом для корректного объединения информации на единой картографической основе оказывается регулярная сетка.
Для характеристики факторов почвообразования были использованы картографические материалы, а также собранные под определенные задачи базы данных.
Климат. Основным источником данных, характеризующих климат, послужили различные карты. В работе использовали параметры атмосферных и почвенных режимов, информацию о которых содержат карты ПЭР Восточно-Европейской равнины [1997] и ПЭР РФ [125], а также другие, для которых известно пространственное распределение климатических показателей на территории страны: Суммы температур воздуха за период с устойчивой температурой выше 10; Число дней в году со средней суточной температурой воздуха выше 10; Длительность безморозного периода [Атлас сельского хозяйства СССР, 1960. М 1:30 000 000]; Разность осадков и испаряемости; Испарение с поверхности суши [Климатический атлас СССР, 1960. М 1:25 000 000]; Количество осадков (год); Количество осадков (теплый период); Валовое увлажнение территории [Физико-географический атлас мира, 1964. М 1:35 000 000]. Эти карты, а также картосхемы (масштаба около 1:50 000 000) Континентальность климата СССР [Шашко, 1967]; Суммы активных температур почвы на глубине 0,2 м; Годовая амплитуда температуры почвы на глубине 0,2 м [Димо, 1972] были оцифрованы [31] (Приложение I, рис. 1.1).
На основе БД по температуре почв России, созданной в лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН совместно с Всероссийским научно-исследовательским институтом гидрометеорологической информации, были построены картографические модели параметров температурного режима почв [99; 100; 127]. При их составлении использованы данные наблюдений по 667 метеостанциям России за период 1961-1990 гг., принимаемый Всемирной метеорологической организацией в качестве климатической нормы теплообеспеченности почв в годовом и сезонном циклах. Параметры карт (среднемноголетние значения) получены расчетным методом на основе данных среднемесячных и среднегодовых температур почвы за отдельные годы.
Карты представляют собой простые картографические модели, построенные по данным метеостанций. Ввиду мелкого масштаба (1:60 000 000) при составлении карт не учитывались рельеф местности и ландшафты, влияние морей и других природных факторов на температуру почвы. Станции по координатам нанесены на карту России, далее в результате интерполяции точечных данных о величинах температурных показателей методом обратных взвешенных расстояний (IDW) создана серия растровых поверхностей. С помощью дополнительного модуля, позволяющего по растровой поверхности построить карту изолиний с заданными параметрами, были получены векторные карты температурных характеристик почв (Приложение I, рис. 1.2).
Растительность. В компьютерный картографический банк данных, созданный для характеристики биоты как фактора почвообразования [32], вошли: картосхема Емкость биологического круговорота зольных элементов в естественных фитоценозах [Добровольский и др., 1984] масштаба около 1:40 000 000; картосхема экосистем (масштаб около 1:35 000 000), содержащая серию первичных биотических показателей [Тишков и др., 1994]. Также в цифровую форму были переведены [Лапаева, 2004; 2006] карты Запасы гумуса почв и торфов [Орлов и др., 1996] и Экологические функции растительного покрова [Волкова, Федорова, 1995] масштаба 1:16 000 000 (Приложение I, рис. 1.3).
В работе, наряду с рядом этих карт, были использованы: Карта растительности СССР М 1:4 000 000 [1990], Карта лесного фонда Камчатской области М 1:500 000, а также данные Аэрокосмического агентства США (NASA) о величине листового индекса LAI в географических трапециях сети 1x1 градус [Sellers et al., 1994].
Рельеф. Источником параметров рельефа послужила оцифрованная Карта геоморфологического районирования СССР М 1:8 000 000 [1983], с которой использовали данные о средней глубине расчленения и средней абсолютной высоте районов,
ПП материнской породы как оценка содержания валового кальция в поверхностных породах (Россия)
Наряду с химическим и минералогическим составом, существенную роль в формировании почв играет плотность горных пород, их фракционный состав, степень дисперсности, определяющие условия дренажа, аэрации. Известно, что на плотных породах почвы развиваются очень медленно и имеют укороченный профиль [Винокуров, Колоскова, 1975; Самойлова, 1983]. Потенциальный запас зольных элементов, по мере выветривания минералов, постепенно переходящих в почвенный раствор, тем более доступен растениям, чем выше степень дисперсности минеральной массы [Гагарина, 2004]. Показатель дисперсности, или дробности характеризует степень плотности-рыхлости исходного субстрата, служащего материнскими почвообразующими породами, определяя, в первую очередь, общую скорость формирования рыхлой, порозной почвенной толщи.
Для визуализации этих характеристик была использована Инженерно-геологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000 [1968]. На карте показаны дочетвертичные и четвертичные отложения (отсутствуют на карте, если покров четвертичных пород характеризуется прерывистым распространением и мощность его не превышает 2-3 м), то есть поверхностные породы. Приводятся генезис и возраст (формации) отложений, а также их состав на основе инженерно-геологической классификации комплексов горных пород [Чуринов и др., 1970].
Инженерно-геологическая карта была генерализована с учетом классификации комплексов горных пород по наличию или отсутствию жестких связей и составу пород, а также степени их дробности, то есть преобладающему размеру обломков рыхлых пород. Составленная цифровая карта на территорию бывшего СССР включает 359 полигонов, характеризующихся сходным составом геолого-генетических комплексов.
На основе данных геологической и почвенной литературы состав инженерно-геологических комплексов, в которых преобладают рыхлые породы, был преобразован во фракционный (табл. 8). Таким образом, компьютерная база атрибутивных данных обработанной карты содержит информацию о том, какие формации входят в каждый полигон (на территории России выделено 277 полигонов), какой процент площади полигона они занимают, какими комплексами представлены, а также какая доля приходится на отдельные фракции рыхлых пород (табл. 9).
Все данные полученной цифровой карты с помощью ГИС могут быть визуализированы (рис. 40-45), а также использованы для получения новых характеристик пород, комплексных исследований. Рис. 40. Содержание скальных и полускальных плотных отложений в поверхностных породах
База данных была дополнена экспертной оценкой степени дробности (и обратной величины - жесткости) в условных баллах (процентах), которую получила каждая порода или фракция (табл. 10). В ГИС для всех полигонов цифровой карты была рассчитана средневзвешенная оценка дробности (жесткости) поверхностных пород занимаемой ими площади.
Полученный расчетный показатель был использован для построения ряда картосхем, отражающих свойства структуры поверхностных пород. Интегральная карта жесткости поверхностных пород (рис. 46) была составлена в качестве одной из характеристик природных условий существования лесов на территории СССР [15; 16]. На рис. 47 представлен обратный показатель - степень дисперсности пород, тесно связанный со свойствами формирующихся на них почв [101].
Высокая дисперсность поверхностных пород (5 и более баллов) рассчитана для 18% территории страны. Это южная часть Западно-Сибирской равнины, Яно-Индигирская и Колымская низменности, ряд комплексов на европейской части страны. По 40% приходится на территории, занятые породами с оценкой дробности от 3 до 5 баллов, и с преобладанием скальных и полускальных пород (менее 3 баллов). К последним относятся горы и плоскогорья Сибири, Дальнего Востока, Урал, Кавказ.
Экспертным путем была получена картографическая характеристика еще одного из потенциал-определяющих параметров фактора "материнские породы" - их водопроницаемости [41]. Вся совокупность пород была разделена на следующие категории по обеспеченности природного внутрипрофильного дренажа почв: исключительно высокая (провальная фильтрация в скальных, полускальных и крупнообломочных породах) - 7/6/5 баллов; высокая (песчаные породы) - 4 балла; умеренная (суглинки - алевриты по карте) - 3 балла; ограниченная (глины) - 2 балла; фильтрация отсутствует - 1 балл по степени фильтрации. В последнюю категорию вошли органогенные породы, поскольку в торфяных толщах, насыщенных водой, внутренний дренаж отсутствует. В эту же категорию войдут и глины в районах с вечной мерзлотой, где полученная балльная оценка "сдвигается" на градацию вниз в связи с хорошо известной "запирающей" функцией вечной мерзлоты, как механического барьера.
На основании рассчитанной в границах каждого контура средневзвешенной (по площади) оценки была построена картосхема внутреннего дренажа поверхностных пород (рис.48).
По разному представленные, но единые по сути, интегральные показатели жесткости, дробности, водопроницаемости поверхностных пород могут, по-видимому, служить характеристикой одного их частных свойств ПП пород как фактора почвообразования - способности измениться под действием климата и биоты in situ или, в более узком смысле, степени консолидированности-неконсолидированности (плотности-рыхлости) исходного субстрата, определяющей, с одной стороны, специфику процессов функционирования почвенной системы, собственно педогенеза и выветривания, а с другой, общую скорость формирования рыхлой, порозной почвенной толщи [41]. Эти параметры можно рассматривать как оценку некоторых аспектов почвообразующего потенциала материнских пород.
Поведение углерода в наземных экосистемах играет ведущую роль в структуре и функционировании почв. Сущность почвообразования самым тесным образом связана с синтезом и разложением органического вещества [Вильяме, 1947; Крупеников, 1979]. М.А. Глазовская определяет педолитогенез как "совокупность процессов образования в почвах потенциально стабильных, содержащих гумус комплексов и соединений, и захоронения в глубоких горизонтах почв и толщах рыхлых отложений" [2009, с. 8]. На основе характеристики гранулометрического состава материнских пород была получена интегральная оценка их почвообразующего потенциала, относящегося к поведению/закреплению Сорг в пределах почвенного профиля, характеризующая, в первую очередь, вертикальные перемещения веществ и консервацию стабильного гумуса в горизонтах ВС и С.
В основе работы лежала концепция вероятного закрепления углерода на минеральной матрице почвы в зависимости от гранулометрического состава, условий среды (уровень кислотности) и особенностей биомов. Такой взгляд на поведение углерода хорошо увязывается с типологией и генезисом основных почвенных разностей, которые специально не использовали при построении карты поведения углерода, чтобы не быть изначально связанными рамками классификационной принадлежности почв.
Исследование проводили в границах природных территориальных единиц -геохимических ландшафтов и биомов [84; 85; 95; 106]. В основу созданной цифровой карты положена карта геохимических ландшафтов СССР М 1:20 000 000 А.И. Перельмана [1964]. (На рис. 49 представлена эта карта, оцифрованная в границах России [105]).
Классы геохимических ландшафтов, выделенные А.И. Перельманом [1964] по особенностям водной миграции в автономных ландшафтах - почвах, коре выветривания, континентальных отложениях, объединили в 5 групп (табл. 11): Н+-класс; Н+-Са2+-класс; Са2+-класс; Са2+-Ма+-класс; Na+,CI,S042- класс. Были учтены также современные сведения о широком распространении в пределах Таймыра почвообразующих пород с высокой степенью насыщенности основаниями [Васильевская, 1980], что позволило выделить этот регион как отдельную территорию с повышенной потенциальной ролью кальция в формировании гумусового состояния почв (рис. 50).
Национальный атлас почв Российской Федерации
В первом разделе "История почвенной картографии" воспроизведены 19 карт (1851-2004 гг.). Раздел о факторах почвообразования включает серию карт характеристик природных факторов, влияющих на формирование почв и почвенного покрова. Третий раздел содержит основанное на почвенной карте России масштаба 1:15 000 000 систематическое описание почв и почвенных комплексов, распространенных на территории страны. В следующих разделах приведены карты и пояснительные записки к ним, характеризующие почвенный покров, его строение и структуру, особенности функционирования, распространение почвенных горизонтов, а также режимы и свойства почв. Соответствующие разделы посвящены антропогенным изменениям и охране почв и почвенного покрова, они также состоят из тематических карт с пояснительными текстами.
Использование земельных ресурсов и почв охарактеризовано в Атласе на двух уровнях: общегосударственном и региональном. Опубликованы общегеографические карты и карты хозяйственного использования земель федеральных округов, которые сопровождают пояснительная записка и справочная информация о составе почвенного покрова, возделываемых сельскохозяйственных культурах и структуре сельскохозяйственных угодий этих территорий. Далее по федеральным округам представлены почвенные карты всех субъектов Российской Федерации (в границах субъектов опубликована Почвенная карта РСФСР 1988 г.). Для каждой области, республики или края приводится почвенная карта и легенда, в которой рассчитан состав почвенного покрова. Кроме того, публикуются данные государственной статистической отчетности на 1 января 2006 г. (форма 22-2) - структура земельных угодий по всем административным районам субъекта Российской Федерации.
Всего Атлас содержит около 300 картографических произведений, в том числе, тематических карт, картограмм и картосхем на территорию всей страны (масштаба 1:15 000 000 - 1:60 000 000), карты федеральных округов (1:3 000 000 - 1:10 000 000) и карты почв субъектов Российской Федерации (1:2 500 000), а также пояснительные тексты, рисунки, таблицы, цветные фотографии, справочные материалы.
Большое число карт и пояснительных записок к ним были подготовлены специально для этого издания. Это карта почвообразующих пород, серия картографических моделей по данным о температуре в почвах, карты почвенных горизонтов, параметров температурных и водных режимов почв, грануло-петрографо-минералогических разрядов почв, содержания в них микроэлементов, закрепления органического углерода в почвах экосистем, разнообразия почвенного покрова, картограммы разных видов землепользования и др. Наряду с последними разработками в Атлас были включены также картографические материалы, являющиеся важными вехами в развитии науки о почве: Структура почвенного покрова В.М. Фридланда, Геохимические ландшафты А.И. Перельмана [134].
Автор (наряду с выполнением редакторских функций) также принял участие в подготовке отдельных материалов и разделов, вошедших в Атлас [98-111]. Важным является тот факт, что большинство опубликованных карт были выполнены в ГИС 121 программе и в дальнейшем могут обрабатываться и анализироваться с использованием ГИС-технологий.
Национальный атлас почв Российской Федерации пополнил список картографических изданий, которые раскрывают богатейший природный потенциал страны. На настоящий момент это произведение является наиболее полной национальной сводкой обширной информации, касающейся почвенного покрова России. Атлас, сконцентрировавший усилия и знания многих специалистов, содержащий как первичный фактический материал, так и его глубокий анализ, явился первым шагом в создании общенационального банка почвенных данных.
Работы над проектом "Почвенно-географическая база данных России" были инициированы Обществом почвоведов им. В.В.Докучаева в 2005 г. [54] и вступили в активную фазу в 2008 г. [73; 83]. Целью проекта является создание научно-технической основы государственной стратегии устойчивого рационального землепользования, мониторинга состояния почвенного покрова, охраны почв, формирования государственных стандартов качества и систем сертификации почв. К этому времени стало очевидно, что назрела крайняя необходимость компьютерной инвентаризации почвенной информации России с использованием современных ГИС-технологий, появились публикации, ставящие эту проблему и предлагающие варианты ее решения [Столбовой и др., 2001; Добровольский, Куст, 2003; Рухович, Куст, 2005; 43; 52], а также вышел CD "Земельные ресурсы России" [Stolbovoi, McCallum, 2002].
В основу создания и функционирования ПГБД положены принципы постоянной пополняемое, открытости и общедоступности БД. Объединение почвенной информации осуществляется на базе цифровых карт с использованием современных ГИС-технологий (основной масштаб 1:2 500 000). Выбор масштаба обусловлен тем, что это наиболее крупный масштаб цифровой карты всей территории России, созданной по единой методике на основе общей легенды. Отличительной чертой проекта является стремление привлечь к наполнению ПГБД широкий круг специалистов в области почвоведения и смежных наук, а также экспертов для работы с поступающими материалами.
Почвенно-географическая база данных состоит из двух основных блоков: географической базы данных и профильной атрибутивной базы данных измеренных свойств.
Основу картографического блока - географической базы данных - составляют два цифровых покрытия и ряд дополнительных материалов в формате Maplnfo [67; 97]. ПОКРЫТИЕ 1 представляет собой цифровую карту, в которой объединены скорректированная версия (2007) Почвенной карты РСФСР масштаба 1:2 500 000 [1988] и цифровая Карта почвенно-экологического районирования РФ того же масштаба [125]. Оно содержит информацию с обеих карт: о почвах и гранулометрическом составе, почвообразующих породах, составе почвенного покрова, его бонитете, генетических типах рельефа, структуре земельных угодий, параметрах атмосферных и почвенных режимов. ПОКРЫТИЕ 2 - это цифровая схема административного деления России масштаба 1:1000 000. Оно содержит данные федерального государственного статистического наблюдения за земельными ресурсами, осуществляемого Федеральным агентством кадастра объектов недвижимости, наличии и распределении земель по категориям и угодьям на 1 января 2006 года (форма 22-2).
Наполнение атрибутивного блока - профильной базы данных измеренных свойств -осуществляется путем инвентаризации и формализации почвенных данных России с отбором репрезентативных профилей, обеспеченных полным набором показателей морфологического строения, физико-химических свойств, имеющих точную географическую привязку. Для наполнения профильной базы данных была разработана структура - унифицированная система представления всех почвенных данных. Составлены классификаторы свойств почв на основе существующих концепций морфологии почв и базовых шкал, положенных в основу описаний почвенных профилей [Колесникова, Шоба, 2009; 88], создана концептуальная схема представления физико-химических характеристик почв [Воробьева, Колесникова, 2009]. В основу профильной базы данных положена иерархическая модель описания почвы на нескольких уровнях: ПОЧВА-РАЗРЕЗ-ПРОФИЛЬ-ГОРИЗОНТ-МОРФОН-ОБРАЗЕЦ. На основе разработанной структуры профильной базы данных был создан алгоритм программного представления данных и написана программа Soil-DB [77], разработаны структура организации информации в ПГБД и инфологическая схема атрибутивной БД измеренных свойств почв [90].
В настоящее время проект активно развивается, начат этап полномасштабного составления ПГБД [86; 91; 112; 113; 117; 119]. На примере пилотного региона Ростовской обл. осуществляется подключение региональной информации в ПГБД РФ и ее использование для решения практических задач. Подготовлен и опубликован Единый государственный реестр почвенных ресурсов России [126], в том числе и на компакт-диске. Он включает описания почв, вошедшие на момент публикации в ПГБД, информацию о почвенных ресурсах субъектов РФ, о цифровой модели описания почвенных данных, материалы Карты почвенно-экологического районирования [125].
Задачи практического плана реализованы в виде информационной системы ПГБД РФ [124], в которой в цифровом виде собран значительный фактический материал по почвенным ресурсам России, произведено объединение географической и профильно-атрибутивной баз данных на единой вычислительной платформе в Интернет. Информационная система ПГБД РФ является программным средством и интернет-ресурсом (http://www.soil-db.ru/), предназначенным для формализованного сбора данных по почвенным профилям в автономном (локальном) и оперативном (Интернет) режимах (рис. 85). ИС позволяет осуществить подгрузку (upload) заполненных в автономном режиме данных в интернет-ресурс, провести экспертную оценку достоверности и принять решение о включении информации в базу данных. Информация о географических координатах почвенных профилей в ИС позволяет отобразить их на картах России, входящих в картографический блок ПГБД, а также на динамически подключаемой (online) карте Yandex. Реализована возможность получения атрибутивной