CC BY
118
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ
Наталья Владимировна Гопп
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630099, г. Новосибирск, ул. Советская, 18, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник, тел. 8 (383) 222-76-36, e-mail: natalia.gopp@gmail. com
Отмечена значительная роль морфометрических характеристик рельефа и параметров растительных сообществ в почвообразовании. Сделан вывод, что параметры рельефа являются наилучшими характеристиками, по которым можно экстраполировать результаты исследований и составлять различные тематические карты.
Ключевые слова: дистанционное зондирование Земли, почвоведение, геоморфология. RESEARCH OF INFLUENCE OF A RELIEF ON A SOIL AND VEGETATION COVER
Natalya V. Gopp
Institute of Soil Science and Agrochemistry SB RAS, 18 Sovetskaya Str., Novosibirsk, 630099, Ph.D., research associate, tel. 8 (383) 222-76-36, e-mail: natalia.gopp@gmail.com
Considerable role of morphometric characteristics of a relief and parameters of vegetation in soil formation has been shown. The conclusion has been drawn, that relief parameters are the best characteristics by which it is possible to interpolate results of researches and to make various thematic maps.
Key words: remote sensing, soil science, geomorphology.
Анализ зависимостей между морфометрическими параметрами рельефа и количественными характеристиками почвенно-растительного покрова
необходим для пространственного прогнозирования изучаемых параметров почвенно-растительного покрова. Морфометрические параметры рельефа, рассчитываемые по матрицам высот поверхности Земли, служат в качестве основы для прогнозирования, но только после установления тесной связи с параметрами почв и растительности.
В исследованиях Шарой и др. [2009] сделан вывод, что характеристики рельефа являются ведущими предикторами целого ряда характеристик лесных экосистем, так например, обнаружена тесная связь морфометрических величин рельефа с запасами древесины и запасами влаги в 50-сантиметровом слое почвы. Рассматриваемый в работе [Shary et al., 2002] расширенный набор 18-ти базовых морфометрических величин и подробное описание сопутствующих процессов в ландшафте приводит к выводу, что параметры рельефа являются наилучшими стабильными характеристиками (инвариантами), по которым можно интерполировать результаты исследований. Эти параметры рельефа доступны измерению или расчету по матрицам высот в программе «Аналитическая ГИС Эко» [Shary, 2006].
Объекты и методы исследования
Объектами исследования послужили различные типы и подтипы почв из отдела альфегумусовых и железисто-метаморфических (дерново-подбур иллювиально железистый, подбур глееватый, подбур грубогумусированный, дерново-подбур глееватый, ржавозем грубогумусированный), а также параметры растительности и рельефа Джулукульской котловины (Республика Алтай, Улаганский район, табл.1).
Алгоритмы расчета локальных морфометрических величин по матрицам высот поверхности Земли (Shuttle Radar Topography Mission, разрешение 90 м) описаны в работе [Shary et al., 2002]. Расчет NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) проводился по снимку SPOT 4 (разрешение 20 м).
Результаты и обсуждение
Расчет основных морфометрических параметров рельефа по матрицам высот поверхности Земли позволяет разделить земную поверхность на площадные элементы или контуры в пределах которых проводится анализ взаимосвязей с характеристиками почвенно-растительного покрова (табл.1).
Таблица 1. Коэффициенты корреляции Спирмана (г5) между морфометрическими величинами и параметрами почв и растительности.
Параметры почв и растительности (п=25) Параметры рельес )а (Морфометрические величины)
МСА* F Z kmax** kh* GA*
Содержание орг. углерода (Сорг) НЗ - 0,49 p<0,05 НЗ НЗ НЗ НЗ
Реакция почвенного раствора НЗ НЗ - 0,48 p<0,05 НЗ НЗ НЗ
Г идролитическая кислотность НЗ НЗ 0,41 p<0,05 НЗ НЗ НЗ
Насыщенность основаниями НЗ НЗ НЗ НЗ НЗ НЗ
Содержание подв. железа 0,76 p<0,00001 НЗ НЗ - 0,56 p<0,01 - 0,55 p<0,01 - 0,47 p<0,05
Физ. глина 0,86 p<0,000001 НЗ - 0,44 p<0,05 - 0,63 p<0,001 - 0,60 p<0,01 - 0,55 p<0,01
Физ. песок - 0,70 p<0,0001 НЗ НЗ 0,48 p<0,05 0,46 p<0,05 НЗ
Мощность верхнего горизонта НЗ 0,54 p<0,01 НЗ НЗ НЗ НЗ
Влажность 0,69 p<0,01 НЗ - 0,77 p<0,01 НЗ НЗ - 0,54 p<0,01
Запасы надземной фитомассы НЗ - 0,63 p<0,001 - 0,53 p<0,01 НЗ НЗ НЗ
КОУ! 0,46 p<0,05 НЗ НЗ НЗ НЗ НЗ
Условные обозначения: * - величины описывающие поверхностный сток; ** -величины описывающие геометрические форм; МСА - максимальная площадь сбора; Б, % (склонение 350, азимут 180) - освещенность; Ъ - высота; ктах - максимальная кривизна; кЬ -горизонтальная кривизна; ОЛ - крутизна склонов; НЗ - незначимое значение; р - уровень значимости; п -количество почвенных проб.
Проведенный анализ зависимости между освещенностью склонов и содержанием Сорг выявил обратную корреляционную связь (г3 = - 0,49, р <0,05). Вероятно, это связано с влиянием освещенности на скорость протекания биохимических реакций, посредством большего (равномерного) прогрева склонов с повышенной освещенностью, следствием чего является интенсивная минерализация органических остатков и формирование более мощного гумусово-аккумулятивного горизонта, по сравнению с менее освещенными склонами. Направление связи указывает на то, что с увеличением освещенности снижается содержание Сорг. Зависимость установленная между освещенностью и мощностью верхних горизонтов почв (г3 = 0,56, р <0,01) подтверждает это предположение, т.е. чем выше освещенность тем больше мощность верхнего горизонта. На участках с освещенностью < 50% минерализация протекает менее активно и в основном в верхнем 10-ти сантиметровом слое, где остается очень много не разложенных растительных остатков, которые обуславливают увеличение содержание органического углерода, но не способствуют формированию мощного гумусового горизонта, вероятно, из-за пониженной температуры нижележащих горизонтов, которые формируются под влиянием мерзлоты.
Наличие слабой обратной корреляции между высотой и кислотностью почвенного раствора (г3 = - 0,48, р <0,05), вероятно, свидетельствует о том, что при отсутствии свободной углекислой извести в почвообразующих породах, незначительные количества кальция поступающие в почву из растительного опада легко выщелачиваются с повышенных элементов рельефа в весенний или осенний период, или сразу включаются в биологический круговорот, вызывая тем самым накопление не нейтрализованных кальцием свободных кислот, которые непрерывно образуются в почве при протекающих в ней биохимических процессах, что способствует смещению реакции почвенного раствора в кислую сторону.
Прямая средняя корреляция между высотой и гидролитической кислотностью (г3 = 0,41, р <0,05) говорит о том, что концентрация поглощенных ионов водорода (Н) повышена на возвышенностях и склоновых участках, что вероятно можно связать с обедненностью почв кальцием и другими основаниями, вступающими в реакции замещения с ионами водорода и легко выщелачиваемыми водой в весенний и осенний периоды с повышенных элементов рельефа.
Установлена корреляция между содержанием подвижного железа и площадью максимального сбора (г3 = 0,76, р <0,00001), что объясняется не только выносом железа с поверхностным и внутрипочвенным стоком и накоплением его в местах с большими значениями МСА, но и корреляцией с содержанием физической глины. Обратная корреляция содержания подвижного железа с максимальной кривизной (г3 = - 0,56, р <0,01) подтверждает это предположение т.е. при приближении к гребням содержание железа соответственно снижается. Обратная корреляция содержания подвижного железа с горизонтальной кривизной (г3 = - 0,55, р <0,01) подтверждает, что на выпуклых отрогах содержание железа снижается. Обратная средняя корреляция
содержания подвижного железа с крутизной склонов (г3 = - 0,47, р <0,05) говорит о снижении содержания подвижного железа на крутых склонах, вероятно в результате выноса в пониженные элементы рельефа. Таким образом, содержание подвижного железа коррелирует с морфометрическими величинами, описывающими как поверхностный сток, так и с величинами, описывающими геометрические формы.
Установлена корреляция между содержанием физической глины и площадью максимального сбора (г3 = 0,86, р <0,000001), что говорит об увеличении содержания физической глины в депрессиях, где значения МСА наибольшие. Обратная средняя корреляция физической глины с высотой (г3 = -0,44, р <0,05) говорит о не явном уменьшении содержания глины при увеличении высоты. Обратная средняя корреляция физической глины с максимальной кривизной (г3 = - 0,63, р <0,001) подтверждает это
предположение т.е. при приближении к гребням содержание физической глины снижается. Обратная корреляция содержания физической глины с горизонтальной кривизной (г3 = - 0,55, р <0,01) подтверждает, что на выпуклых отрогах содержание ее снижается. В целом, рассматривая корреляцию между морфометрическими величинами, содержанием подвижного железа, и физической глины обнаруживается, что подвижное железо и физическая глина коррелируют с одними и теми же величинами, что возможно связано с одинаковыми механизмами их перераспределения по элементам рельефа, главная роль при этом отводится поверхностному и внутрипочвенному стоку.
Содержание физического песка коррелирует с площадью максимального сбора (МСА) в обратной последовательности по сравнению с физической глиной. Установленная обратная корреляция между содержанием физической песка и площадью максимального сбора (г3 = - 0,70, р <0,0001), говорит об уменьшении содержания физического песка в депрессиях, где значения МСА наибольшие. Средняя сила корреляционной связи между физическим песком и максимальной кривизной (г3 = 0,48, р <0,05) подтверждает вывод сделанный для МСА. Корреляция между содержанием физического песка и горизонтальной кривизной (г3 = - 0,55, р <0,01) подтверждает, что на выпуклых отрогах содержание песка увеличивается. Установленные зависимости позволяют сделать вывод о том, что фракции физического песка в силу своей большей размерности менее подвержены поверхностному и внутрипочвенному перераспределению, чем фракции физической глины.
Аналитические и статистические данные показывают, что влажность почв увеличивается соответственно увеличению площади максимального сбора МСА (г3 = 0,69 р<0,01), которая описывает поверхностный сток, т.е. пониженные участки характеризуются повышенным содержанием влаги в почве, а повышенные меньшим. Как показывают данные проведенных полевых исследований связано это не только с поверхностным стоком, но и с наличием островной мерзлоты в срединных горизонтах и почвообразующих породах и с неглубоким залеганием грунтовых вод в депрессиях.
Обратная корреляция наблюдается между запасами надземной фитомассы и освещенностью Б (г3 = - 0,63, р <0,001), что говорит о том, что чем больше
освещенность, тем запасы фитомассы снижаются, вероятно это связано с недостатком влаги, в результате ее увеличенной испаряемости с поверхности почвы, которую вызывает повышенная освещенность. Обратная корреляция наблюдается между запасами надземной фитомассы и высотой Z (rs = - 0,53, р <0,01), т.е. запасы фитомассы снижаются с увеличением высоты, где в сочетании с повышенной освещенностью и уменьшением содержания влаги в почве происходит снижение запасов надземной фитомассы.
Средняя корреляция между МСА и NDVI (rs = 0,46 р <0,05) говорит об увеличении значений NDVI в депрессиях, где наблюдается повышенное содержание влаги в почве, которая способствует формированию больших запасов надземной фитомассы растительных сообществ, которые тесно связаны со значениями NDVI.
Выводы
Установлено, что из 6 параметров рельефа, наибольшее влияние на свойства почв оказывают: площадь максимального сбора, освещенность, высота, максимальная кривизна.
На параметры растительного покрова наибольшее влияние оказывают: высота, освещенность, площадь максимального сбора.
Таким образом, параметры рельефа влияют на свойства почв и растительности опосредованно, через регулирование факторов среды. Для каждого параметра рельефа характерен свой спектр влияния на почвеннорастительный покров. Для Джулукульской котловины максимальная контрастность процессов сноса и аккумуляции, как функции от действия сил гравитации, обусловливается грядово-холмистым и гривисто-западинным рельефом. По мере удаления от областей сноса (холмы, средневыпуклые седловины) и приближения к зонам аккумуляции (депрессии, средневогнутые седловины) наблюдается изменение физико-химических параметров почв, при совокупном воздействии грунтовых вод в понижениях изменяется соответственно и видовой состав растений на мезофильные и гигрофильные виды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шарая Л.С., Шарый П.А. Изучение пространственной организации лесных экосистем с помощью методов геоморфометрии // Экология. - 2011. - №1. - С. 3-10.
2. Shary P.A., Sharaya L.S., Mitusov A.V. Fundamental quantitative methods of land surface analysis // Geoderma. - 2002. - V.107. - N.1-2. - P. 1-32.
3. Personal research website on geomorphometry and applications (2006) [Electronic resource] / Shary P.A. - Режим доступа: www.giseco.info/. - Загл. с экрана.
© Н.В. Гопп, 2012
