Введение к работе
2-i>ic^ Актуальность темы исследования. Мониторинг компонентов окружающей среды является одной из наиболее актуальных научных проблем в связи с антропогенными и естественными изменениями биосферы. Основные задачи, возникающие при этом: анализ, оценку и прогноз изменений свойств почв невозможно выполнить корректно, без знания их пространственной вариабельности, от которой зависит методика исследований, точность, достоверность оценок и ценность прогнозов. Мониторинг связан с получением, накоплением, хранением, обработкой и анализом массовых данных о состоянии почвенных объектов. Это„требует дальнейшего развития математических, в том числе вероятностно-статистических методов, что определяется естественной вариабельностью почвы даже в пределах однородных объектов (Карпачевс*ийЛ968;^. Дмитриев.^ 1983„-м др.). При этом функцией факторов почвообразования являются не константные значения почвенных признаков, а некоторый диапазон их варьирования. Вероятностную структуру встречаемости отдельных значений свойства в интервале варьирования отражает вероятностное распределение, которое является полной и универсальной характеристикой случайной величины, или ее моделью. Статистический способ получения этих моделей основан на подборе и подгонке по экспериментальным данным, как вида, так и параметров функций распределений. В работах многих авторов показано, что эмпирические статистические распределения свойств почвы закономерны и часто отличны от нормального распределения (Гаусса) (Важенин, 1963; Савич, 1972 и др.), однако имеющиеся в научной литературе сведения об их математических функциях отрывочны, а иногда противоречивы, что определяет необходимость дальнейших исследований no . этой теме. Вероятностные распределения свойств почв по массовым данным необходимы для достоверной количественной оценки состояния и изменений почв, для более точных земельно-оценочных,-инженерно-мелиоративных, экономических, информационных расчетов, а также математического моделирования почвенных процессов, как в научных, так и в практических целях. В настоящее время свойства почвы характеризуются без учета их естественной вариабельности, хотя сама вариабельность является важной характеристикой протекания почвообразовательных процессов, поэтому актуальным является изучение ее, как закономерного проявления свойств в генетическом профиле, при различных факторах почвообразования и способах использования почвы. В современных физических представлениях о развитии сложных открытых систем подчеркивается фундаментальная. сущность вариабельности, " что приводит к определенным вероятностным законам; которым подчиняются их свойства (Николис," Пригожий, 1990). Все это придает исследованиям и математическому описанию вариабельности почвенных признаков актуальное научно-методологическое, теоретическое и методическое значение.
Цель исследования. Изучение закономерностей вариабельности свойств почвы и вероятностно-статистическое моделирование для разработки статистических методов достоверной оценки состояния и изменений почв. Задачи исследования:
1. Выработать концептуальные математические и вероятностно-статистические модели вариабельности свойств почвы.
2. На основе массовых и экспериментальных фактических данных изучить"' закономерности вариабельности свойств почвы на разных уровнях организации: профильное распредепение статистических характеристик вариабельности; чувствительность вариабельности к факторам почвообразования; устойчивость и изменчивость вариабельности при антропогенных процессах.
Методы и объект
Основной метод исследования - статистико-аналитический. Статистический анализ осуществлялся с использованием стандартных процедур известных пакетов программ, а также новых разработок факультета прикладной математики и информатики Новосибирского Государственного Технического Университета. Вероятностно-статистические распределения свойств почвы получены с использованием известных и новых методических подходов. ДпЯ нескольких десятков известных функций распределения по фактическим данным оценивались параметры по методу максимального правдоподобия. Робастность оценок параметров распределений обеспечена оптимальным группированием данных. Проверка множества гипотез осуществлялась с использованием нескольких статистических критериев согласия, что' обеспечило однозначный выбор функций распределения, наиболее близко аппроксимирующих фактические данные. Всего в работе проанализировано около шестисот выборок, идентификация .вероятностных, распределений проведена для более ста. В диссертации использованы материалы сплошных крупномасштабных исследований значительной территории (16 тыс.км2) каштановых почв юго-запада Кулундинской степи, сформированных на древних озерно-аллювиальных отложениях. Вариабельность свойств изучена в пределах почвенных разновидностей. Лабораторные исследования почвенных образцов выполнены по единым стандартным методикам. На основе полученной информации нами создан банк данных о свойствах почвы в индивидуальных профилях (около 4000 профилей). Объем полученных выборок составлял 50-600 значений. Фактические данные о флуктуациях свойств почвы на близких расстояниях, при выровненных факторах почвообразования, получены путем траншейных исследований. Научная новизна
Предложено выделять три категории изменчивости свойств почвы на каждом уровне организации: неоднородность, вариабельность и флуктуации в зависимости от выровненное факторов почвообразования.
Количественно изучена вариабельность свойств в пределах разновидностей каштановых почв в литокатене от песка рыхлого до среднего суглинка в автоморфных и полугидроморфных условиях. Показано, что гранулометрический состав является фактором, определяющим вариабельность почв, а вероятностно-статистические распределения содержания гранулометрических фракций определяются процессами литогенеза, дефляцией и почвенными процессами. Выявлена однотипность среднего соотношения фракций гранулометрического состава во всех разновидностях каштановых почв на одной территории аллювиального генезиса.
С использованием новых методических подходов определены математические
функции и параметры вероятностных распределений свойств каштановой почвы
различных разновидностей. Показано, что полученные функции адекватно отражают
закономерности изменения вариабельности почвенных признаков в генетических
горизонтах, при различиях факторов почвообразования, а так же при современных
антропогенных процессах, то есть являются вероятностно-статистическими моделями
свойств почвы. Это позволяет использовать эти функции в качестве
статистического эталона для оценки состояния почвы, геологических, ландшафтных и антропогенных процессов с учетом ее вариабельности. Теоретическая значимость
Использование новых методических подходов к анализу распределений позволило перейти от эмпирических статистических к математическим функциям вероятностных распределений. Результаты статистического исследования показали, что вероятностные распределения свойств почвы описываются большим набором функций распределений: семейства Джонсона, семейства экспоненциальных.
экстремальных (минимального или максимального) значений, показательных, нормальных, Вейбулла, логнормальных, Коши и, в редких случаях - Накагами и бета-распределением 1-го рода. В диссертации обоснована закономерность «волны» вероятностных распределений почвенных свойств в зависимости от факторов и процессов почвообразования, заключающаяся в взаимосвязанном изменении сдвига, рассеяния и формы распределения. Это объясняет большое . разнообразие математических моделей распределений, и дает основу для дальнейшего построения более универсальной модели.
Модели вариабельности свойств почвы в пределах элементарных почвенных ареалов V могут послужить базой для построения более общей модели почвенного покрова, и .необходимы для развития теоретических представлений о почве. Установлено, что вероятностные распределения почвенных признаков являются диагностическими характеристиками, позволяющими достоверно оценивать почвенные свойства, .с учетом всей их вариабельности. Это позволяет следить за почвенными процессами и изменениями состояния почвенных объектов. Защищаемые положения
-
Полной количественной характеристикой свойства почвы является характеристика его вариабельности, отражаемая математической функцией вероятностно-статистического распределения (ВСР).
-
ВСР свойств почвы характеризуются большим разнообразием математических функций, различающихся как по сдвигу, рассеянию, так и по форме. ВСР чутко реагируют на изменение факторов почвообразования, даже при близких интервалах варьирования. Небольшие изменения выражаются различием параметров распределений, при более существенных - меняется тип распределения.
-
Антропогенные процессы приводят к изменению математических функций и параметров ВСР свойств почвы. Анализ изменения ВСР дает информацию об устойчивости к изменениям локальных участков, что позволяет делать дифференцированную количественную оценку фактических изменений свойств почвы. Наблюдаются три основных варианта изменения ВСР свойств почвы: изменение вероятностей значений при постоянном интервале варьирования; сжатие или расползание распределения и сдвиг распределения.
Научно-прикладное значение и пути реализации
1. Статистические исследования в пределах одного подтипа каштановых почв,
проведенные на основании большого массива данных, показали, что вариабельность
свойств почвы в большой мере определяется гранулометрическим составом. В связи с
этим в названии почвы предлагается характеристику гранулометрического состава
приводить сразу после характеристики подтипа. „ і._
2. Вероятностно-статистические модели дают наглядную и компактную форму
количественного описания свойств почв с учетом вариабельности. Многочисленные
данные крупномасштабных и детальных почвенных обследований могут быть
свернуты путем указания типов вероятностных распределений признаков и их
параметров. По этим характеристикам легко восстановить сами кривые
распределения и использовать для необходимых расчетов с точностью, которая
другими способами недостижима. Вероятностно-статистические распределения дают
возможность использовать вероятностные подходы (например, метод Монте-Карло)
для имитационного математического моделирования почвенных процессов и
информационных советующих систем.
3. Вероятностно-статистические модели свойств шести разновидностей каштановых и
трех разновидностей лугово-каштановых почв юго-запада Кулундинской степи,
полученные в работе, могут быть использованы для практических целей. Результаты
исследования положены в основу банка данных о состоянии почв Кулундинской степи
и используются при создании математического и информационного обеспечения мониторинга почв
-
В результате статистического анализа большого массива фактических данных получены достоверные оценки изменения содержания гумуса и гранулометрических фракции в каштановых почвах при дефляций и почвозащитном земледелии Также выполнена оценка изменения содержания солеи обменных катионов и гранулометрических фракции год воздействием орошения слабоминерализованнои водой гидрокарбонатно натриевого состава
-
Концептуальная схема информационного и математического обеспечения мониторинга почв служит основой для создания системы банков данных математических методов и моделей обеспечивающих достоверность анализа и прогноза изменении свойств почв в результате современных антропогенных и естественных процессов
Вклад автора в разработку проблемы
Автором выполнена постановка задач исследования методолопические и теоретические разработки моделей формирование банка данных статистический анализ и обобщение результатов Полевые исследования пространственных флуктуации и вариабельности свойств почвы з также сбор данных проведен совместно с кбн Кузьминой ЕД Автор является инициатором и руководителем проекта "Исследование почвенном вариабельности и моделирование ее структуры и динамики РФФИ (N 94 04 11506) Апробация и публикация результатов исследовании
Результаты исследовании докладывались на региональных российских и международных
конференциях симпозиумах и съездах посвященных вопросам почвоведения экологии
рационального природопользования на конференции *Ландшафтно-экологические основы
природопользования и природоустроиства" в Целинограде (1989) на ученых советах ИПА
СО РАН (1993 1996 2000) на научно-практической конференции О создании единой
региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения
Сибири (1996) и Третьем россииско корейском симпозиуме по науке и технике (1999) в
Новосибирске на Международной конференции стран Содружества "Экология и Физика
поча" в Пущино (1992) на международных симпозиумах МОП "Genesis and Control of
Fertility of salt affected soils* а Волгограде (1991) и "Sustainable management of salt affected
soils in the and ecosystem" в Каире (1997) на съездах Российского оЪщества почвоведов в
Санкт Петербурге (1996) и Суздале (2000) на международной конференции Проблемы
антропогенного почвообразования* (1997) и Всероссийской конференции "Антропогенная
деградация почв и почвенного покрова" (1998) в Москве Основные результаты
исследовании по теме диссертации опубликованы в 34 работах из них 2 - в журнале
"Почвоведение" на русском и английском язьках Опубликована Ьрошюра с
методическими рекомендациями "Анализ изменении свойств почвы по изменению их статистического распределения" Опубликована монография (2001) Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения 3 основных разделов в 7 главах научно практических предложении и выводов Работа изложена на 360 страницах включая 62 таблицы и иллюстрирована 61 рисунком Список использованной литературы насчитывает 187 работ на русском и 40 работ на английском языке
