CC BY
103
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
ДИНАМИКА ПОЧВЕННЫХ СВОЙСТВ В СВЯЗИ С ВОЗРАСТОМ СОСНЯКОВ
В.Н. КАРМИНОВ,
О.В. МАРТЫНЕНКО
Почва - важнейший экологический фактор, определяющий существование леса. Она составляет неотъемлемую часть леса как биогеоценоза, или экосистемы. Взаимодействуя с компонентами леса, влияя на них, почва сама находится под их постоянным воздействием. Лес как фактор почвообразования с возрастом претерпевает огромные изменения, что, в свою очередь, сказывается на почве, поэтому почвенные свойства являются динамическими не только в пространстве, но и во времени.
Несмотря на то, что почва является консервативным элементом лесного биогеоценоза, возрастные изменения растительности заметно изменяют ее свойства. Движущей силой динамики свойств почв в ходе возрастных изменений насаждения является изменение структуры древостоя и связанных с ним природных условий экотопа.
Основной задачей данного исследования было установление общих закономерностей изменения свойств почв с возрастом насаждений на примере дерново-подзолистых почв сосновых лесов Подмосковья и сопряженных с ним районов, а также определение с помощью математических методов качественной и количественной оценки этих изменений и построение математической модели связи почвенных и таксационных показателей.
В результате проведенных исследований для условий Подмосковья и сопряженных с ним районов определены основные закономерности изменения важнейших почвенных свойств в процессе возрастного развития насаждения. С помощью многомерных статистических методов выявлены наиболее значимые почвенные показатели и установлены их количественные зависимости, связанные с ростом и развитием соснового биогеоценоза.
Почва - динамическая система, и, следовательно, для управления почвой нужно представлять ее в динамике, найти такие параметры, которые позволят измерять ее из-
менчивость во времени. Ключ к пониманию почвенных процессов в познании динамики почвенных свойств. Почвам присуще непрерывное изменение их состава и свойств во времени, которое обусловлено постоянно идущим почвообразовательным процессом. Подобные взгляды разделяли В.В. Докучаев, П.А. Костычев, Н.М. Сибирцев, П.С. Кос-сович, К.К. Гедройц, В.Р. Вильямс и многие другие выдающиеся почвоведы.
По мнению В.А. Ковды [6], одним из важнейших основных положений почвоведения является «вечное развитие почв во времени и пространстве, движимое внутренними противоречиями процесса, в тесном взаимодействии с условиями географической обстановки». Одним из факторов такого развития почв является растительность и, в частности, возрастная динамика лесного покрова.
Л.О. Карпачевский [5] полагает, что свойства почвы в значительной мере определяются растительностью, поселившейся здесь за последние 20 лет.
Соглашается с ним и Э.Ф. Ведрова [1]: «Формирование почвы внутри парцеллы определяется ее биологическим компонентом, а значит, в течение жизни дерева можно ожидать заметных изменений свойств почвы».
Для лесных почв всегда характерна гетерохронность образования верхних и нижних горизонтов, причем верхняя часть профиля отражает воздействие современного ценоза, т.е. является носителем ценогенетических свойств [10].
Биогеоценологический подход к лесам и лесным почвам позволяет увязать воедино их изменения, оценить взаимозависимость почвы и фитоценоза, построить прогностические модели поведения леса в разных условиях [4, 5].
Изучение влияния лесной растительности на почву через исследование круговорота веществ в биогеоценозе используют Н.П. Ремезов и др. [11], Л.Е. Родин, Н.И. Бази-
50
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
левич [12], С.Г Волков (1967), РМ. Морозова,
Н.Г. Федорец [9]. Динамика круговорота азота и элементов зольного питания выражается в следующем: наибольшее удержание азота и элементов зольного питания происходит в насаждениях первых двух классов возраста, а наименьшее - в насаждениях V класса возраста.
Изменение в круговороте питательных веществ с возрастом насаждения сказывается на основных свойствах почвы. Л.С. Ковалев и
Р.П. Евсеева (1964) отмечают, что сосна первых трех классов возраста в больших количествах потребляет N, K, Ca и другие элементы питания, обедняя ими почву, что особенно заметно на супесчаных почвах.
По данным В.К. Куликовой (1968), в почвах более спелых древостоев увеличивается содержание кальция, калия и углерода, особенно в нижних подгоризонтах подстилки.
К.Л. Забелло (1968) отмечено наиболее низкое содержание калия и нитратного азота в почвах под насаждениями в стадии жердняка (0,6-1,8 мг на 100 г почвы).
Изменение pH почвы связывают с растворами, прошедшими сквозь полог растений и омывающими кору деревьев [1].
В исследовании Н.В. Копыловой [7] динамика питательных веществ в почве с возрастом насаждения представлена следующим образом: начиная с I класса возраста, содержание этих веществ уменьшается и достигает минимума в III-IV классе возраста, далее происходит постепенное повышение концентрации. Минимальное содержание питательных элементов в почве приходится на максимум его потребления - возраст количественной спелости.
Подвержены изменению и морфологические свойства почвы. В лесных биогеоценозах меняется мощность горизонтов и А2 по мере развития леса. Детальные оценки этих изменений позволяют заключить, что процессы оподзоливания в лесных биогеоценозах тайги, в том числе и южной, идут на протяжении всей жизни древостоя [4].
По мнению О.Г. Чертова (1981), с возрастом древостоев происходит увеличение мощности и запасов подстилки (в дренированных условиях с 3-5 до 6-7 см) и незначительное снижение мощности горизонта At.
Наибольшей мощности подзолистый горизонт достигает под 85-летним насаждением [14].
Под сосняками разного возраста различия в основном сводятся к изменению мощности и степени выраженности генетических горизонтов (Ковалев, Евсеева, 1964).
Л.О. Карпачевский и Ф.В. Карташов (1997) установили, что основные различия в морфологии состоят в незначительном увеличении мощностей горизонтов AtA2 и А2 от почв парцелл молодняка в сторону парцелл спелого леса. Горизонт A2 наибольшую выраженность по морфологическим признакам получает в почвах жердняка.
В.Д. Зеликов [2] исследовал изменение физических свойств почв в возрастном ряду ельников зеленомошных. По его данным, наименьшая величина десукции наблюдается в
18-летнем ельнике. С возрастом она постепенно увеличивается и достигает максимума в 50 лет. Величина суммарного испарения изменяется так же, как и десукция. Также был отмечен факт рыхления почвы корневыми системами деревьев, причем с возрастом и площадь, и глубина разрыхляемого слоя увеличиваются.
A. А. Молчанов [8], исследуя зависимость гидрологических условий от возраста насаждений, обнаружил, что для сосновых насаждений максимумы транспирации и задержания влаги кронами деревьев наблюдаются в сорокалетнем возрасте, величина испаряемости с поверхности почвы постепенно увеличивается с возрастом насаждения. Установлено заметное повышение водопроницаемости и водовместимости почв с возрастом (М.В. Рубцов, 1968; И.К. Блинцов, 1975).
B. А. Бганцовой (1991) показано, что плотность почв динамична во времени. Так, в сосняке лещиновом на дерново-подзолистой супесчаной почве плотность различалась под разными растениями.
Гранулометрический состав почв достаточно консервативен, поэтому не может быть существенной динамики гранулометрического состава ни в суточном, ни в сезонном, ни в многолетнем цикле [4].
Таким образом, основные химические, морфологические и водно-физические свойства почвы заметно изменяются в зави-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
51
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
симости от роста растений, и эти изменения, как правило, имеют циклический характер. Гранулометрический состав, напротив, изменяется очень медленно, в основном в результате геологических процессов, и его изменение имеет вид тренда.
Зависимость свойств почвы от возраста древостоя свидетельствует о том, что почвенные свойства, включая мощность горизонтов, также ценогенетические. Приведенные данные подтверждают наличие связи между почвой и лесом, а также влияние леса на почву вплоть до формирования горизонтов. Из всего вышесказанного следует, что в оценку почвы как природного тела следует включать параметры, отражающие динамичность ее свойств.
Все исследователи, говоря о влиянии отдельных древесных пород на почву или об изменении свойств почв в результате смены древесных пород, единодушны в том, что в любой почве происходит изменение таких признаков, которые характеризуют современное течение почвообразования, т.е. изменение кислотности, степени насыщенности основаниями, биогенного накопления некоторых зольных элементов, мощности генетических горизонтов. Однако о характеристике величины и направленности процессов почвообразования единого мнения нет. Также отмечается, что выявлению четких и достоверных различий между почвами разных парцелл мешает высокая неоднородность, унаследованная от почвообразующей породы, от предыдущей почвы и от современной ценогенетической структуры, играющей ведущую роль.
Таким образом, необходима комплексная оценка изменений основных свойств почв в зависимости от возраста насаждений, которая должна быть осуществлена с применением современного аппарата статистического анализа [13].
Настоящее исследование проводилось на двух объектах. Первый объект - Киржач-ское лесничество Киржачского лесхоза, находящееся в западной части Владимирской области. Второй - Свердловское лесничество Щелковского учебно-опытного лесхоза (ЩУОЛХ), расположенное в северо-восточной части Московской области. Полевые
исследования проводились в максимально сжатые сроки для исключения или по возможности уменьшения влияния на результаты исследований динамики почвенных свойств во время вегетационного периода.
В специально подобранных участках леса закладывались пробные площади размером 50 х 50 м. На пробных площадях уточнялись тип леса (В.Н. Сукачев, С.Ф. Зонн, 1961) и основные таксационные показатели с использованием высотомера ВН-1, мерной вилки, рулетки, призмы Анучина.
Для изучения различных свойств почвы с соблюдением всех правил и требований закладывались разрезы, полуразрезы и прикопки. Все почвенные образцы отбирались по генетическим горизонтам. Отбор проб для определения плотности и влажности проводился с помощью стальных цилиндрических буров объемом 100 см3 с 5-7-кратной повторностью для обеспечения необходимой (5 %) точности опыта.
Последовательность определения и основные формулы наиболее полно рассмотрены А.Ф. Вадюниной и З.А. Корчагиной (1986).
Из химических свойств почвы определялось содержание гумуса, pH „ и pH „, гидролитическая кислотность, обменная кислотность, поглощенные Ca++ и Mg++, подвижные P, K, Na принятыми методами (Е.В. Ари-нушкина, 1970).
Статистическая обработка данных осуществлялась на ПК с применением корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализа, а также методов многомерного статистического анализа, таких как метод главных компонент, дискриминантный анализ, а также кластерный анализ, осуществляемый с помощью построения дендрограмм. Для этого применялся пакет прикладных программ TAXON [13], программа Statistica 6.0 (В.П. Боровиков, И.П. Боровиков, 1998), статистический пакет анализа в программе Excel MS Office 2000.
В процессе исследований было заложено 12 пробных площадей, 27 почвенных разрезов и полуразрезов, 107 почвенных прикопок. Из всех разрезов и дополнительно из отдельных прикопок отобраны 153 почвенные
52
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
пробы для химических анализов, 643 почвенные пробы для определения водно-физических свойств, 110 почвенных проб для определения гранулометрического состава.
Для изучения возрастной динамики почвенных свойств были подобраны про-
бные площади так, чтобы в пределах объекта исследования они характеризовались максимально возможным сходством в рельефе и лесорастительных условиях и отражали бы последовательные возрастные стадии развития насаждений (табл.1).
Таблица 1
Таксационная характеристика исследованных насаждений
№ пробной площади/ год исследования № квартала cd Ц 1) 3 н0 оа £ Состав Тип леса s |i , 2 <D н 3 а вас Ё°Я Ш к-Ч w S ю-S И Возраст, лет Класс возраста Высота, м Диаметр, см Полнота Запас, м3
I объект исследования
1/01 22 6 10С л/к сосняк брусничный I (29) 40 II 16,1 16,9 0,81 221,5
2/01 22 1 10С л/к сосняк брусничный I (29) 46 III 17,3 18,4 0,70 210,3
3/01 22 10 10С сосняк брусничный I (29) 75 IV 26,2 28,3 0,68 335,2
4/01 22 7 10С сосняк брусничный I (29) 95 V 26,5 32,8 0,59 290,7
5/01 21 11 10С сосняк брусничный I (29) 105 VI 28,4 36,1 0,58 310,2
1/02 12 26 10С сосняк брусничный I (29) 52 III 19,2 20,0 0,79 270,8
2/02 15 12 10С сосняк брусничный I (29) 75 IV 26,2 28,5 0,69 336,4
3/02 17 13 10С сосняк брусничный I (29) 100 V 30,1 35,7 0,62 358,8
II объект исследования
6/01 33 12 9С1Е+Б сосняк кисличный I (29) 140 VII 32,4 39,9 0,78 488,5
7/01 32 36 10С л/к сосняк кисличный I (29) 41 III 16,5 17,1 0,89 250,4
4/02 32 12 9С1Е+Б сосняк кисличный I (29) 140 VII 32,4 39,9 0,78 488,5
5/02 32 12 9С1Е+Б сосняк кисличный I (29) 140 VII 32,4 39,9 0,78 488,5
Таблица 2
Основные химические свойства исследованных почв
Горизонт Границы горизонта, см Гумус, % pH Обменная кислотность по Соколову Гидро- лити- ческая Поглощенные основания Насыщенность основаниями, % Подвижные
рА K2O
H2O KCl А1+++ H+ кислот- ность Ca++ Mg++
мг-экв/100 г почвы мг/100 г почвы
I объект исследования
Ап 0-6 н.о. 4,08 3,10 6,00 5,00 98,00 38,100 4,570 30,33 3,09 62,780
А, 6-34 1,83 4,90 3,83 1,20 0,04 5,25 1,316 0,124 21,52 5,02 1,407
B 34-73 0,48 4,94 4,47 0,28 0,02 2,28 2,880 0,099 56,70 24,01 1,198
BC 73-150 0,17 5,10 4,39 0,32 0,02 0,78 4,218 0,083 84,52 8,87 1,269
C 150-... 0,07 5,85 4,49 0,14 0,02 1,75 3,324 0,214 66,91 4,01 1,055
II объект исследования
А„ 0-6 н.о. 4,66 4,04 1,40 2,00 63,87 13,528 1,786 30,63 3,76 76,110
А. 6-21 5,39 4,39 3,50 3,98 0,06 16,18 3,486 0,363 7,70 3,24 5,855
А2 21-49 1,36 4,68 3,56 3,00 0,30 8,14 2,674 0,336 6,02 0,96 3,345
А^В 49-65 1,15 4,65 3,36 5,92 0,04 12,16 8,118 1,186 18,61 2,34 8,113
В 65-113 0,28 4,70 3,18 4,82 0,02 10,68 7,539 1,737 18,55 1,15 4,181
BC 113-... 0,17 4,60 3,17 4,25 0,03 10,33 10,339 2,409 25,50 4,30 7,975
Примечание: «н.о.» - показатель не определялся.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
53
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
Почвы первого объекта представляют собой дерново-слабоподзолистые почвы, преимущественно супесчаные, образованные на песчаных флювиогляциальных отложениях. Основной отличительной особенностью данных почв является слабая выраженность проявлений подзолистого процесса, лишь на единичных профилях диагностировались подзолистые пятна или маломощные прерывистые подзолистые горизонты.
Другой характерной особенностью данных почв является легкий механический состав, который обуславливает как слабую дифференциацию профиля на генетические горизонты, так и его бедность гумусом и элементами питания и низкую насыщенность основаниями (табл. 2).
Почвы второго объекта дерново-сильноподзолистые, большей частью среднесуглинистые, образовавшиеся на покровных суглинках и подстилаемые красно-бурой, каменистой, суглинистой мореной. Данные почвы являются типичными подзолистыми почвами с достаточно четко дифференцированным профилем и хорошо выраженным мощным подзолистым горизонтом.
Почвы обоих объектов исследования характеризуются сильнокислой реакцией среды, что показывают значения pH водной и солевой вытяжек. Кислая реакция среды отражается также в высоких значениях гидролитической и обменной кислотности. Последняя выражена главным образом обменным алюминием, тогда как обменный водород присутствует в незначительных количествах. Эти почвы обладают низкой емкостью катионного обмена и не насыщены основаниями.
Однако, несмотря на высокую кислотность и ненасыщенность основаниями, почвы второго объекта, благодаря значительно большему присутствию в гранулометрическом составе фракций физической глины (30-34 %) по сравнению с почвами первого объекта (6-12 %), более обеспечены элементами питания, такими как фосфор и калий, а также содержат большее количество гумуса.
Данные почвы обладают хорошими водно-физическими свойствами, так как в почвах первого объекта плотность гу-
мусовых горизонтов находится в пределах 1,1-1,2 г/см3, второго объекта - 0,9-1,1 г/см3.
В целом изученные почвы благоприятствуют произрастанию сосновых насаждений высших классов бонитета.
Изменение морфологических
свойств. Для характеристики почвенных свойств каждой пробной площади были использованы усредненные показатели. На рис. 1 показано изменение мощностей генетических горизонтов. Данный график построен по обобщенным данным двух исследованных возрастных рядов I объекта исследований.
Как видно из графика, мощность лесной подстилки - горизонта A показывает тенденцию к увеличению с возрастом насаждения. Увеличение мощности лесной подстилки с возрастом насаждения, вероятно, объясняется тем, что опад спелых и перестойных сосновых насаждений разлагается несколько медленнее, а также тем, что в таких насаждениях увеличивается присутствие елового подроста, хвоя которого разлагается более медленно, чем сосновая.
Изменение мощности горизонта At может быть определено как постепенное возрастание до IV класса возраста, после чего наблюдается медленное ее снижение у спелых и перестойных насаждений, что, по всей видимости, связано с уменьшением количества опада. Подобные тенденции в изменении морфологических свойств лесных почв с возрастом насаждения отмечает в своих исследованиях О.Г Чертов (1981).
25 I
20-
5!
О
5 15-
О
О
к
6 Щ
I10-
5-
B
»•
Ai
A
0
01-----1----1----1----1----1----1----1----1
30 40 50 6 0 70 80 90 1 00 110
Возраст, лет
Рис. 1. Изменение мощностей генетических горизонтов A0, A1 и B в возрастном ряду сосновых насаждений
54
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
1,4 ]
41
и
А
ь
о
в
о
ч
с
1,3-
1,2-
1,1
_ B
A,
1,0-1----1----1----1-----1----1-----1----1----,
30 4 0 5 0 60 7 0 80 90 100 110
Возраст, лет
Рис. 2. Изменение плотности почвы в возрастном ряду сосновых насаждений
15,0]
14,0-
'•р
О4
А
Ь
о
и
ч
m
13,0-
12,0 -
11,0-
10,0-1—
40
A1
50 60 70 80 90 100 110
Возраст, лет
Рис. 3. Изменение влажности почвы в горизонте А1 в возрастном ряду сосновых насаждений
По второму объекту лесхоза отмечается увеличение мощности подзолистого горизонта при переходе от насаждений III класса возраста к насаждениям VII класса возраста, в среднем с 11 до 17 см. Этот факт согласуется с данными Л.О. Карпачевского (1997), который отмечает, что процесс оподзолива-ния идет на протяжении всей жизни дерева и более тесно связан с возрастом дерева, чем с запасом биомассы.
Изменение водно-физических
свойств. Плотность почвы является важнейшим показателем, определяющим водный, воздушный и тепловой режим почвы. На основании средних значений плотности по генетическим горизонтам построен график, изображенный на рис. 2, также полученный при обобщении данных двух возрастных ря-
дов Киржачского лесхоза. Для горизонта A1 наименьшие значения плотности были выявлены в насаждениях II и III класса возраста. Вероятно, это вызвано тем, что указанные насаждения создавались искусственно и при их посадке имела место механическая обработка почвы.
Рассматривая изменение плотности в горизонте A1 отдельно для насаждений естественного происхождения, можно наблюдать тенденцию к уменьшению плотности с возрастом насаждения. Динамика плотности в горизонте B выражена довольно слабо. Для горизонта A1 в почвах насаждений второго возрастного ряда Киржачского лесхоза дополнительно в 2003 г. были определены значения влажности (влажность определялась практически одновременно в течение 2-3 часов на всех пробных площадях). График ее изменения приведен на рис. 3. Наибольшая влажность гумусового горизонта (13,5 %) была обнаружена под насаждениями 100-летнего возраста, что, возможно, связано с наибольшей мощностью подстилки в насаждениях этого возраста, и, как следствие, уменьшением испарения с поверхности почвы. Минимальное значение (10,9 %) было зафиксировано в горизонте Aj у насаждений 75-летнего возраста. Аналогичное уменьшение плотности почвы, а также ее водопроницаемости и водовместимости с возрастом насаждения отмечают в своих работах М.В. Рубцов (1968), И.К. Блинцов (1975).
Изменение химических свойств. Для описания динамики почвенных свойств в связи с возрастом насаждения, так же как и в случае с морфологическими и водно-физическими свойствами, использовались обобщенные значения двух возрастных рядов Киржачского лесхоза. Графики изменения основных химических свойств представлены на рис. 4.
Основываясь на этих данных, мы можем сказать, что все виды почвенной кислотности характеризуются сходной динамикой. Четко прослеживается положительная связь гидролитической и обменной кислотности с содержанием гумуса в горизонтах At и B. Можно сказать, что для горизонта At кислотность имеет тенденцию к увеличению с возрастом насаждения. Динамика кислотности
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
55
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
горизонта B выражена менее ярко и смазана исходной кислотностью почвообразующей породы. Динамика кислотности горизонта А0 - лесной подстилки, подвержена резким колебаниям, вызванным, по всей видимости, ее природной гетерогенностью. Содержание обменного кальция и магния показывает тенденцию к снижению с возрастом древостоя. Похожая динамика наблюдается у показателя степени насыщенности почв основаниями.
Изменение содержания гумуса в почвах насаждений возрастного ряда может быть описано параболой с точкой перегиба в насаждении 75 лет, где отмечается минимум его содержания. Так, в среднем содержание гумуса с 2,6 % для насаждений 50 лет уменьшается до 2 % для 75-летних насаждений, после чего вновь увеличивается практически до 3 % в 100-летнем насаждении. Для горизонта B изменение содержания гумуса имеет сходный характер, но выражено значительно слабее.
Хорошо заметна динамика подвижного калия, сходная с динамикой гумуса. Для гумусового горизонта At выраженный минимум (в среднем около 1,5 мг на 100 г почвы) наблюдается в почвах насаждений 75-летнего возраста и совпадает с минимумом для горизонта B.
Содержание подвижной формы фосфора в горизонте Aj почв возрастных рядов образует кривую, обратную распределению содержания подвижного калия и гумуса, т.е. в почвах насаждений 75-летнего возраста обоих возрастных рядов наблюдается наибольшее (в среднем около 8,5 мг на 100 г почвы) содержание подвижного фосфора.
Гранулометрический состав исследованных почв. Как известно, не может наблюдаться существенной динамики гранулометрического состава ни в суточном, ни в сезонном, ни в многолетнем цикле, возможен лишь столетне-тысячелетний цикл [4]. Поэтому гранулометрический состав может рассматриваться как постоянное, статичное, а не динамическое свойство, но, разумеется, влияющее на динамику других свойств почвы. Таким образом, однородность механического состава исследованных почв может свидетельствовать о качестве подбора пробных площадей возрастного ряда.
Анализ гранулометрического состава гумусового горизонта At показал, что наибольшее варьирование наблюдается в соотношении фракций песка крупного и мелкого. Заметные колебания отмечаются в соотношении пыли средней и мелкой, но подобное варьирование в соотношении фракций происходит внутри групп фракций физического песка и физической глины. Соотношение между этими группами фракций остается примерно одинаковым у всех профилей.
Статистическая достоверность полученных результатов. Морфометрические показатели исследованных почв, такие как мощности и глубины залегания генетических горизонтов, являются очень важными показателями, характеризующими исследуемые почвы. Для морфометрических показателей большинства органогенных горизонтов показатель точности опыта находится в пределах
5-8 %, что позволяет нам считать полученные результаты удовлетворительными.
Проверка статистической значимости различий средних показателей при помощи ^-критерия и дисперсионного анализа. Для определения статистической значимости использовался ^-критерий Стьюдента. Данный критерий является наиболее часто используемым для обнаружения статистического различия между средними двух выборок. Теоретически ^-критерий может применяться, даже если размеры выборок очень небольшие и если переменные нормально распределены (внутри групп), а дисперсии наблюдений в группах не слишком различаются. Известно, что ^-крите-рий устойчив к отклонениям от нормальности.
Применение данного критерия показало, что между большинством пробных площадей по средним значениям морфометрии органогенных горизонтов имеются статистически достоверные различия.
Для химических свойств наилучшие результаты применение ^-теста дало для средних значений содержания подвижного фосфора, емкости поглощения катионов, pH солевой вытяжки и обменной кислотности.
Применение дисперсионного анализа, так же как и ^-критерия, выявило наличие статистически достоверного влияния возраста насаждений на основные свойства почв.
56
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
43
S
о
К
w
5
о
S
о
X
S
о
О
о
X
о
03
X
Е
х
х
S
о
о
я
S
X
о
03
о
Sc
о
а
я
о
Гидролитич. кислота., мг-экв/100 г (Л о\ -J 00 щ о
Обменная кислотность, мг-экв/100 г
pH солевой
Гумус, %
и>
о
-р
о
L/1
О
6 ® и>
43
р <1
я °
и
й §
40
о
о
о
и>
о
-р
о
о
со
К20, мг/100 г
w а
43
Р <1
Р °
U
й §
40
О
о
о
о
К)
у>
U> ,
о
-р
О '
О '
W й'
43
р <1
л °'
р
й gj
40 .
о
О ■
о
со
Р90«, мг/100 г
Насыщеность почв основаниями, %
Емкость поглощения, мг-экв/100 г
и>
о
-р
о
о
U>
43
Р <|
Р
2 00
L0
<1
МОНИТОРИНГ почв
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
Уравнения связи таксационных показателей насаждения с почвенными свойствами. Для построения математических зависимостей между таксационными показателями исследованных насаждений и свойствами почв использовались линейные множественные регрессионные модели. Построение этих моделей осуществлялось последовательным включением в них лишь статистически достоверных коэффициентов с уровнем значимости 0,05.
Исходя из этого, в качестве зависимых переменных были выбраны такие показатели, как запас насаждения в м3/га, характеризующий динамику биомассы, и средняя высота древостоя, имеющая более тесную связь с возрастом насаждения.
Построение регрессионных уравнений проводилось как для каждого генетического горизонта в отдельности, так и для всего профиля.
В качестве независимых переменных использовались:
- мощность горизонта, см;
- нижняя граница горизонта, см;
- содержание гумуса, %;
- pH водной вытяжки;
- pH солевой вытяжки;
- обменный алюминий, мг-экв /100 г почвы;
- обменный водород, мг-экв/100 г почвы;
- обменная кислотность, мг-экв/100 г почвы;
- гидролитическая кислотность, мг-экв/100 г почвы;
- обменный кальций, мг-экв/100 г почвы;
- обменный магний, мг-экв/100 г почвы;
- сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы;
- емкость поглощения, мг-экв/100 г почвы;
- степень насыщенности почв основаниями, %;
- подвижный калий (K2O), мг/100 г почвы;
- подвижный натрий (Na2O), мг/100 г почвы;
- подвижный фосфор (P2O5), мг/100 г почвы;
- плотность почвы, г/см3;
Всего было использовано 18 свойств для четырех горизонтов: A0, Ap B и BC.
Из-за недостатка места приводятся лишь уравнения связи таксационных показателей с комплексом почвенных свойств всего профиля.
Уравнение связи запаса насаждения и комплекса почвенных свойств:
у = 579,358 + 0,213 х х1 + 0,268 х х2 +
+ 0,307 х х3 + 0,101 х х4 - 3,469 х х5 +
+ 3,407 х х6 - 1,993 х х7 + 0,481 х х8 -- 0,282 х х9 - 0,213 х х10 + 0,737 х х11, где у - запас, м3;
х1 - мощность A0, см;
х2 - мощность горизонта A1 + A0, см;
х3 - содержание гумуса в горизонте
Aj, %;
х4 - pH солевой вытяжки горизонта Аг х5 - гидролитическая кислотность горизонта А мг-экв/100 г почвы; х6 - емкость поглощения катионов в горизонте A1, мг-экв/100 г почвы; х7 - степень насыщенности основаниями в горизонте Aj, %;
х8 - подвижный фосфор (P2O5) в горизонте A мг/100 г почвы; х9 - подвижный калий (K2O) в горизонте A1, мг/100 г почвы;
х - pH солевой вытяжки горизонта B; х - мощность горизонта BC, см;
А2 = 0,999; F = 347,120; p = 0,01.
Уравнение связи средней высоты и комплекса почвенных свойств:
у = 84,573 + 0,131 х х1 + 0,591 х х2 +
+ 0,478 х х3 - 0,391 х х4 + 0,445 х х5 - 0,294 х х х6 - 0,685 х х7 - 0,377 х х8 + 0,787 х х9, где у - средняя высота, м;
х1 - pH солевой вытяжки горизонта A0; х2 - мощность горизонта A1 + A0, см; х3 - содержание гумуса в горизонте A„ %;
х4 - степень насыщенности основаниями в горизонте Aj, %;
х5 - подвижный фосфор (P2O5) в горизонте A мг/100 г почвы; х6 - подвижный калий (K2O) в горизонте A1, мг/100 г почвы;
58
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
x7 - плотность почвы в горизонте A г/см3;
х8 - pH солевой вытяжки горизонта B; х9 - мощность горизонта BC, см;
R2 = 0,981; F = 40,187; p = 0,01;
Характеризуя приведенные уравнения, следует отметить, что в обоих уравнениях наибольшее количество коэффициентов, включенных в итоговое уравнение, отражает различные свойства гумусового горизонта
A1. Данный факт показывает, что наиболее тесную связь с возрастом насаждения имеют свойства горизонта A1 - основного корнеобитаемого слоя.
Для ряда основных почвенных свойств были получены зависимости от возраста насаждений. Наилучшую аппроксимацию обеспечил полином второй степени. Таким образом, был получен ряд уравнений, приведенных ниже.
Уравнения связи возраста насаждения и основных почвенных свойств:
для содержания гумуса в горизонте A1, %: у = 0,0013 х х2 - 0,2038 х х + 9,3907; R2 = 0,65 для содержания подвижного калия в горизонте A1, мг/100 г почвы: у = 0,0005 х х2 - 0,071 х х + 4,209; R2 = 0,53 для содержания подвижного фосфора в горизонте A1, мг/100 г почвы: у = - 0,0057 х х2 + 0,8632 х х - 27,707; R2 = 0,94 для емкости поглощения катионов в горизонте A1, мг-экв/100 г почвы: у = 0,0023 х х2 - 0,3491 х х + 20,796; R2 = 0,32 для степени насыщенности почв основаниями в горизонте A1, %:
у = - 0,0052 х х2 + 0,6021 х х + 5,4334; R2 = 0,65 для мощности A1, см:
у = - 0,0093 х х2 + 1,388 х х - 29,2; R2 = 0,48 для мощности A см:
у = 0,0013 х х2 - 0,156 х х + 10,0; R2 = 0,40, где х - для всех уравнений возраст насаждения, лет.
Все уравнения значимы на уровне 0,05.
Группировка почвенных объектов с помощью методов численной классификации. Методы численной классификации направлены прежде всего на полное извлечение информации и представление ее в наглядном виде. Согласно определению численной классификации, ее центральной проблемой
является построение таксонов (классов) почв или структуризация множества заданных почвенных объектов. Для решения этой проблемы необходимо ввести понятие сходства и различия объектов и их совокупностей, а также способы формирования классов. Это может быть выполнено несколькими методами и алгоритмами. Наиболее распространены иерархические агломеративные группировки, в которых происходит объединение объектов сначала в мелкие, а затем во все более крупные классы. Объединяются сначала наиболее сходные объекты, а затем эти группы объединяют с наиболее сходными с ними объектами или другими группами и т.д., пока они не образуют единое множество.
Результаты отображаются в виде дендрограммы. Дендрограммой называют график, на котором по вертикальной оси откладывают значение сходства (или различия), а по горизонтальной - номера объектов с равными интервалами. В качестве меры различия было выбрано евклидово расстояние.
Почвенные объекты являются многопараметрическими или многомерными в том смысле, что они описываются одновременно комплексом признаков. Поэтому совокупность наблюдений над множеством объектов образует многомерную выборку, представленную в виде матрицы или массива данных.
При объединении данных морфометрии, водно-физических свойств почв и результатов химического анализа была получена матрица наблюдений, насчитывающая 19 объектов, в качестве которых выступали разрезы, которые, в свою очередь, характеризовались 70 признаками или свойствами последовательно по горизонтам A0, Ap B и BC. Однако полный набор признаков не обеспечивал удовлетворительного разделения почвенных объектов на классы в зависимости от возраста насаждений, поэтому путем исключения отдельных признаков было установлено, что наилучшая классификация объектов обнаруживается при использовании основных химических свойств горизонта At и мощности горизонта A0. На рис. 5 изображена дендрограмма, построенная по сокращенной матрице наблюдений, включающей данные по двум возрастным рядам.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
59
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
II III III IV IV V V VI
~V"'
лесные культуры насаждения естественного происхождения
Рис. 5. Дендрограмма объектов по данным объединенных возрастных рядов. Объединение кластеров методом одиночной связи
Рис. 6. Группировка почвенных объектов в пространстве главных компонент
Как можно видеть, очень хорошо происходит разделение объектов по происхождению древостоев, т.е. объекты с лесными культурами резко отличаются от объектов, насаждения которых имеют естественное происхождение.
Все объекты в целом показывают хорошую группировку в пределах соответствующей пробной площади. В то же время
объекты, исследованные в разные годы, но относящиеся к одному классу возраста, такой четкой агломерации не проявляют, что связано с влиянием сезонной динамики изучаемых почвенных свойств. Вследствие чего для получения более полной информации о динамике почвенных свойств и адекватного сопоставления данных, полученных в разные годы, необходимо проведение многолетнего мониторинга лесных экосистем на основе ГИС.
Классификация почвенных объектов с помощью метода главных компонент. Метод главных компонент (МГК) является наиболее общим подходом к оценке информативности признаков объектов и замене исходного пространства признаков пространством меньшей размерности.
Информативность определяется абсолютной величиной элементов собственных векторов, а в качестве новых признаков выступают главные компоненты, получаемые в результате линейного преобразования исходных. При этом производится замена исходных координат объектов новыми, оси которых направлены вдоль наибольшего варьирования признаков.
60
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
Таблица 3
Собственные числа (X) компонент
№ компоненты Дисперсии компонент, X Накопленное варьирование, %
1 6,34 49
2 5,41 90
На рис. 6 показано расположение почвенных объектов в ординатах главных компонент. Хорошо прослеживается объединение объектов в пределах пробной площади. Как мы можем видеть, достаточно близко расположились насаждения II и III классов возраста. Заметна группировка насаждений IV класса возраста. В целом отмечается высокая степень сходства с дендрограммой, приведенной на рис. 5.
В табл. 3 отражены данные, характеризующие, какую часть общей дисперсии описывают полученные главные компоненты. Так, первая компонента описывает 49 % общей дисперсии, а вторая в сумме с первой - 90 %.
В табл. 4 приведены веса признаков, которые дают представление о нагрузке, которую несет каждый из учтенных признаков в данной компоненте. Так, для первой компоненты наибольшие веса имеют морфометрия, содержание гумуса, емкость поглощения и плотность почвы, для второй - величины pH солевой и водной вытяжек, обменная и гидролитическая кислотность и степень насыщенности почв основаниями.
Построение диагностической модели на основе линейной дискриминантной функции. Задача дискриминантного анализа состоит в построении плоскости, разделяющей классы объектов в пространстве призна-
ков. Очевидно, что между двумя непересекающимися классами таких плоскостей можно построить бесконечное множество. Решением будет та из них, проекции классов на которую максимально отстоят друг от друга. Такая плоскость описывается дискриминантной функцией, параметры которой определяются методом наименьших квадратов [13].
Диагностика объектов относительно двух классов может быть выполнена через подстановку в полученное уравнение признаков диагностируемого объекта. Если результат больше или равен нулю, то объект относят к первому классу, в противном случае - ко второму.
Таким образом были получены линейные дискриминантные функции между классами 1 и 2:
у = 21,59 + 42,13 х х1 + 93,85 х х2 +
+ 6,38 х х3 - 33,67 х х4 + 2,57 х х5 между классами 1 и 3:
у = - 162,76 + 4,24 х х1 - 80,52 х х2 +
+ 40,05 х х3 - 46,11 х х4 + 37,20 х х5 между классами 2 и 3:
у = 61,30 + 9,92 х х1 - 6,44 х х2 -- 18,48 х х3 + 43,01 х х4 - 18,31 х х5, где х1 - мощность горизонта A см;
х2 - содержание гумуса в горизонте А„ %;
х3 - гидролитическая кислотность в горизонте А мг-экв/100 г почвы; х4 - степень насыщенности основаниями в горизонте Aj, %;
х5 - подвижный фосфор (P2O5) в горизонте А мг/100 г почвы.
К классу 1 относятся насаждения 50 лет, к классу 2-75 лет и к классу 3 - насаждения 100 лет.
Т а б л и ц а 4
Веса признаков на компонентах
№ компоненты Нижняя граница Мощность Гумус PHH2O PHKCl Обменная кислотность Гидролитическая кислотность Поглощенные основания Емкость поглощения Насыщенность основаниями РА K2O Плотность
1 0,36 0,36 -0,28 0,23 0,10 -0,16 -0,27 -0,27 -0,35 -0,11 0,09 -0,27 -0,35
2 -0,01 0,04 -0,17 0,31 0,31 -0,34 -0,29 0,26 -0,14 0,38 0,08 -0,03 -0,24
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
61
МОНИТОРИНГ ПОЧВ
Таблица 5
Результаты многомерного статистического анализа (f = 5)
№ классов № классов Расстояние Махаланобиса (D2) F
1 2 101,94 89,2 4
1 3 122,39 98,5 4
2 3 67,81 57,2 4
Таблица 6
Проекции объектов на разделяющую линию
Между 139 141 136
классами 1 и 2 3 1 0
Между - 126 - 125 - 121
классами 1 и 3 0 0 - 5
Между 75 58 68
классами 2 и 3 2 3 0
В диагностическую модель были включены только те свойства, которые более тесно связаны с возрастом насаждений и обеспечивали наиболее полное разделение исследуемых объектов на заданные классы. Такие свойства были выявлены во время регрессионного и кластерного анализа. Таким образом, в диагностическую модель были включены: мощность, содержание гумуса, гидролитическая кислотность, степень насыщенности почв основаниями и содержание подвижного фосфора в горизонте Лг
В табл. 5 приведено обобщенное расстояние Махаланобиса (D2), характеризующее расстояние между классами в многомерном пространстве признаков.
В табл. 6 показаны проекции классов на числовую ось. Чем дальше отстоят проекции классов друг от друга, тем более точной будет диагностика новых объектов.
Основываясь на данных табл. 6, можно сказать, что проекции классов во всех случаях не пересекаются, из чего следует пригодность построенной модели для диагностики новых объектов.
Основные результаты и выводы
1. Изученные почвы характеризуются значительной динамикой свойств как морфологических, так химических и водно-физи-
ческих, обусловленной возрастными изменениями сосновых древостоев.
2. Большинство основных свойств почвы (плотность, влажность, мощность гумусового горизонта, содержание элементов питания, гумуса) изменяется по параболе с перегибом в насаждении 75-летнего возраста, т.е. в возрасте количественной спелости. Только кислотные свойства почвы и мощность лесной подстилки показывают тенденцию к монотонному увеличению с возрастом насаждения.
3. С помощью ^-критерия Стьюден-та и дисперсионного анализа статистически достоверно (с уровнем значимости не менее 0,05) показано различие в морфологических и химических свойствах почв под насаждениями разного возраста.
4. Получены линейные регрессионные уравнения зависимостей таксационных показателей насаждений, таких как запас и средняя высота, от комплекса наиболее значимых почвенных свойств для условий Подмосковья и сопряженных районов. Также установлены связи отдельных свойств почвы с возрастом насаждения, которые лучше всего аппроксимируются полиномом второй степени.
5. Построенные уравнения связи таксационных показателей насаждений со свойствами почвы с учетом региональных ограничений могут использоваться при прогнозировании и оценке объемов лесных ресурсов.
6. Применение многомерных статистических методов, в частности кластер-анализа с построением дендрограмм и метода главных компонент, также показало существенное изменение комплекса почвенных свойств в зависимости от возраста насаждения. Наиболее информативны с точки зрения возрастной динамики насаждения свойства гумусового горизонта A а также мощность горизонта Л0.
7. Использование многомерных статистических методов выявило, что наилучшая группировка почвенных объектов в зависимости от возраста насаждения осуществляется по набору признаков, состоящих из основных свойств горизонта Л1 - основного корнеобитаемого слоя и мощности горизонта A Включение в исходный набор признаков
62
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 7/2007
