CC BY
9Методика математичного моделювання та картографування граничноi потужност1 гумусового горизонту г*рунт1в
Тавршський нацюнальний ужверситет iMeHi В. I. Вернадського, м. Сiмферополь e-mail: YazcivLena@ramber.ru, mikhailov_v@ ramber.ru
Анотаця. 06fpyHmoeaHi математичнi моделi розрахунку гранично¡' потужностi гумусового горизонту fpyHmie, як можуть використовуватися при прогнозах використання деградованих ероз/'ею ландшафтiв. Запропоновано методику ПС-картографування розрахункових значень гранично¡' потужностi гумусового горизонту з урахуванням мiкроклiматичних особливостей фунтоутворення на схилах.
Ключовi слова: ерозiя, енергетичнi витрати на фунтоутворення, математичнi моделi, гранична потужнсть гумусового горизонту, картографування, Г1С.
Сучасн природы та антропогенн ландшафти зазнають деформацшного впливу на Bci компоненти, але особливих змш зазнають рослинний покрив та фунти. В умовах нерацюнальноТ господарськоТ д1яльност1, штенсивнють процес1в деградац1Т фунт1в та ландшафт1в катастроф1чно зростае, зб1льшуючи площинний змив, лшшну ероз1ю та дефляцю !нтенсивн1сть ероз1Т фунт1в зростае в десятки i сотн1 раз1в. Зруйнован ероз1ею фунти не можуть бути вщновлеы в Тх перв1сному стаж через низьк1 темпи компенсац1йного фунтоутворення. Наслщком прояву цього процесу е зниження якосп фунтових ресурс1в та зд1бност1 ландшафт1в до в1дновлення.
За останне тисячол1ття внасл1док ероз1Т в свт втрачено 2000 млн. гектар орних земель, що становить 46 % оброблюваноТ ртл1 [6]. В УкраТн1, у зв'язку з високою розоран1стю територ1Т ероз1я досягла величезних масштаб1в. Зг1дно останн1х даних на територп нашоТ краТни водн1й та в1тровш ероз1Т п1ддаеться понад 14,9 мтьйона гектар с1льськогосподарських уг1дь або 35,2 % вщ Тх загальноТ площ1 [6]. В1д сильноТ ерозп на територ1Т Кримського п1вострову страждають 60% розораних земель. Особливо це проявляеться у Р1внинному Криму, де внаслщок розорення територп на протяз1 останн1х 200 рок1в, сформувалися сучасн1 агроландшафти. За даними Ком1тету 1з земельних ресурс1в АРК найб1льш схильними до сптьного впливу водноТ та в1тровоТ ероз1Т е Чорноморський (54,5 тис. га або 13% його площО i Сакський природно-с1льськогосподарськ1 райони (26,7 тис. га, або 14% площ1). Максимально схильн1 до дм т1льки водноТ ероз1Т - Чорноморський (67,7 тис га, або 16%) i С1мферопольський райони (86,6 тис. га або 30% площ1 територп вщповщно) [7].
Еродован1 фунти е матер1альним вираженням ероз1йного процесу, його результатом, свщченням неправильноТ експлуатац1Т фунтових ресурс1в. Саме наявн1сть змитих фунт1в е вих1дною посилкою для змши процедур землекористування, що призводить, врештнрешт, до впровадження фунтозахисних систем землеробства. Загальн1 природн1 умови, що характеризують потенц1йну ероз1йну небезпеку - похил територп, зливова небезпека, низька протиерозшна стшкють фунт1в та 1нш1 - часто е недостатшм аргументом для впровадження фунтозахисного землеробства, чи в деяких випадках, до вживання кардинальних заход1в до вщновлення природноТ ситуацп в рег1он1. Т1льки наявн1сть змитих фунт1в, коли ероз1йний процес вже в р1знш м1р1 реал1зований, найчаслше призводить до зм1ни характеру землекористування.
Еталоном при класиф1кац1ях ступеню еродованосл фунт1в е «не змит1 аналоги». В якосп останн1х рекомендують приймати, часпше за все, фунти водод1л1в. !ншим еталоном пор1вняння може бути фунтовий проф1ль на схил1, але з нееродованими фунтами. Однак вщшукати нееродован фунти на схил1 в умовах тотальноТ розораност1 територ1Т не представляеться можливим. Кр1м цього, навряд чи можуть бути еталоном для класифкаци фунти, де, як правило, кр1м ероз1Т прот1кають i шш1 деградац1йн1 процеси - дефляц1я, мехаычний зсув Грунту фунтообробними знаряддями, дегум1ф1кац1я. Ц1 процеси, до реч1, роблять абсолютно неприйнятним фактом вважати еталоном плакорн фунти. Особливо, якщо в основу класифкацп покладено вмют (запаси) гумусу, тому що втрати оргашчноТ речовини при дегум1ф1кацп в штенсивних системах землеробства на плакорах цтком пор1внян1 з водно-ероз1йними процесами. Таким чином, н1 в ц1линних умовах, н в сучасних виробничих умовах (при тотальнш розораност1 територп) i, особливо, при 1нтенсивн1й мел1орац1Т, ушверсального еталону для пор1вняння та (або) класифкацп ступеня еродованост1 фунт1в реально не юнуе [10]. Тож не юнуе й еталону для визначення ступеню вщхилення ландшафт1в в1д «норми» [1], в той час коли необхщна 1нформац1я (наприклад при розробц1 прогнозних моделей) про вих1дн1 характеристики компонент1в ландшафту, в тому числ1 визначення дос1льськогосподарськоТ або реставрованоТ потужност! фунт1в.
УДК 631.6.02 (477. 75)
ерпна О. I., Михайлов В. А.
А тому слщ вважати, що найбтьш точно стушнь ерозшноТ деградацп фунтового покриву може бути визначена лише при прямих оцшках обсяпв вже втраченого при ерозшних процесах фунту в кожнш точцi схилу. В цьому випадку, бтьш-менш точно визначаеться величина ерозп за всi роки використання фунтового ресурсу ^ отже, величина реально! нишшньоТ змитостi фунту. Очевидно, що ктькюною основою оцшки еродованостi буде величина втраченого внаслщок експлуатацiТ Грунтового ресурсу, розрахованого по формулi [8]:
ДНг = Нг(гр) - Нг(с), (1)
де ЛНг - втрачений Грунтовий ресурс, мм; Нг(гр) - граничне значення потужност Грунту, мм; Нг(с) - сучасна потужнють гумусового горизонту, мм.
Нишшню потужнiсть гумусового горизонту (Нг(с)) легко визначити в результатi польових дослщжень. Показник Нг(гр) можна розрахувати з допомогою математичних моделей. Вихщними матерiалами для визначення функцiТ гранично! потужност гумусового горизонту послужили архiвнi данi ДП Кримський науково-дослiдний та проектний шститут землеустрою - карти, польовi щоденники, технiчнi звiти, як мiстили основнi вiдомостi про Грунтовий покрив в межах адмшютративно-територiальних одиниць на рiвнi сiльських рад: потужнють гумусового горизонту (Н+Нр), характеристика гранулометричного складу, Грунтоутворюючi породи. Для аналiзу вибиралися Грунти водод^в. Основний тип використання угщь - ртля або пасовище. Всього було проаналiзовано 85 розрiзiв на всiй територп Кримського пiвострова. Всi вихiднi даы, згiдно Тх термодинамiчних здiбностей до Грунтоутворення [5], були об'еднан у двi вибiрки: Грунти на пухких Грунтоутворюючих породах (леси, лесовиднi суглинки, глини, шски), та Грунти на елювш та делювiю щiльних порщ (вапнякiв, глинистих сланцiв, конгломератiв та шших)
Виходячи з теоретичних положень Грунтознавства лопчно припустити, що максимальна потужнють гумусового горизонту буде спостер^атися в стаж ^максу, тобто в умовах рiвноваги чинникiв Грунтоутворення i повноТ реалiзацiТ Грунтоутворювального потенцiалу факторiв Грунтоутворення. Для кiлькiсноТ оцiнки Грунтоутворюючих можливостей ландшафту можна застосувати функцш В.Р. Волобуева [2]:
Q = 41.868
„„„ _Р^0.73 118.8-
R ■ е р
(2)
де Q - енергетичнi затрати на Грунтоутворення, ккал/см •рк; R - радiацiйний баланс, ккал/см2рк; Р - рiчна сума опадiв, мм.
Пiдсумковi математичнi моделi, якi були отриман шляхом графiчного аналiзу даних, приведених до умов середньосуглинистих Грун^в, мають вигляд [10]:
ДНг(гр) = д ■ (442.1 ■ lnQ - 2232.4), (3)
ДНг(гр) = д ■ (393.4 ■ ^ -1905.1), (4)
де НГ(ГР) - граничне значення потужностi Грунту, мм; д - поправка на гранулометричний склад [10]; Q - енергетичн затрати на Грунтоутворення по В.Р. Волобуеву [2].
Формула (3) дае можливють розраховувати максимальн потужност гумусового горизонту для Грунтiв на пухких Грунтоутворюючих породах, а (4) для Грун^в, що утворилися на елюви i делювп рiзноманiтних щтьних гiрських порiд.
Значення Q для розрахунку граничноТ потужностi гумусового горизонту для схилових земель коригуються через змши величини рiчноТ суми опадiв (Рс) i радiацiйного балансу (Рс) [8,10]:
п п Шс
Рс = Ро--, (5)
Шо
Шс = V ■ к; ■ Шо + — , (6)
И
де Р0 - кiлькiсть опадiв на плакорнш дiлянцi, мм;
- запаси вологи в метровому шарi Грунту на схил^ мм;
- запаси вологи в метровому шарi Грунту на плакор^ мм;
V - параметр, який для твычних схилiв дорiвнюе 1, а для твденних - 0,95;
кр; - спiввiдношення мiж прямою сонячною радiацiею на схилi i на плакорi (SС /SО);
I_ - довжина схилу, м; I - похил, %о.
Змiна величини радiацiйного балансу на схилi Рс в порiвняннi з плакорами Ро, вiдбуваеться тiльки за рахунок прямоТ радiацiТ, тодi як iншi складовi (альбедо, розсiяна радiацiя) е постшними, тобто:
Рс = Ро ■—, (7)
So
де Рс - радiацiйний баланс на схилi,ккал/см2 в рiк;
Р0 - радiацiйний баланс на плакорi, ккал /см2 в рк;
Sc и So - вiдповiдно пряма сонячна радiацiя на схилi i на плакорних дтянках, ккал/см2.
Спiввiдношення мiж прямою сонячною радiацiею на схилi i на рiвнинних дiлянках визначаеться за вiдомими мiкроклiматичними вiдношеннями [8,10]:
Використання моделей (3) та (4) для розрахунку максимально можливих потужностей гумусових горизон^в Грун^в надае також ушкальш можливостi для оцiнки ступеню антропогенного перетворення територп через розрахунок максимальноТ потужностi гумусового горизонту i тим самим робить такий пщхщ до моделювання незамiнним при оцшц екологiчних ситуацiй територiй, адже на сьогодн вкрай мало робiт, в яких би наголошувалося про необхщнють врахування ступеню вiдхилення кожного типу ландшафту (як природного, так i антропогенного) вщ «норми» [1], та й поняття «норми» для ландшафтного комплексу методолопчно та практично не обГрунтоване.
Алгоритм побудови карти розрахунковоТ потужностi Грунтiв був апробований на ключовш дтянш, розташованiй в захщнш частинi Тарханкутського пiвострова. Дiлянка, що мае площу 323,1 км , характеризуеться структурно-денудацшним рельефом - переважанням пологих (2-5°) схилiв, широких опуклих водод^в, широких балок i долин тимчасових водотош (рис.1).
В Грунтовому покривi територiТ переважають дерново-карбонатнi Грунти та чорноземи швденш в комплеш з виходами корiнних порiд (рис. 2).
Рис. 1. Географнчне положення I рельеф ключовоТ д1лянки.
165бек 165вбгек+196К
165б+79абек
Л
165бгек+196К
=79ба+165бек+19Ш
165бек+1961g 79абек
79бек
Л
■ . \
V.
79б+765бек
■te-A Í656eff
9бек
165вбеШ961<
1656е+796ек Л =
Д65беек+?96/< 79бек
..ШЙЙ
Номенклатура фунлв
6Э Чорноземи твденш слабогумусован!
71 Чорноземи твденж слабогумусоваж мщелярно-висококарбонаты
79 Чорноземи переважно карбонаты щебенювап i р(няк0В| на елювй щшьних i ршякових карбонатних i окарбоначених порщ
165 Дерноа1 карбоната фунти на елюви щтьних карбонатних порщ
196 Виходи nopifl
Грунтоутворююч! породи
L Леси i лесовидн1 породи ек Елювий щшьних карбонатних порщ К Щ1льн|карбонатн] породи
Змит1 та намит! фунти
б Слабозмил в Середньозмил J_|_|_| г Намил
Мехашчний склад I'pyHTiB
= Важкосуглинков1
Легкоглинисл А Щебенювал
2,6 Км
PMC. 2. OparMeHT KapTu r'pyHTiB Ta ^pyHToyTBoproroHMX nopifl [3].
no6y,qoBa KapTM p03paxyHK0B0i noTywHocri ^pyHTiB BuKoHyBa^aca 3a flonoMorow nporpaMHoro KOMn^eKcy ArcGIS 10.0. B ocHoBi noSyqoBaHux KapT eHepreTMHHMx BMTpaT Ha ^pyHToyTBopeHHa noK^afleHi pacTpoBi wapu paflia^MHoro Sa^aHcy i cyMM onafliB [9], noSyqoBarn fl^a TepuTopii KpMMCbKoro niBocTpoBa, i oTpMMaHi b pe3y^bTaTi iHTpeno^a^i (cnoci6 ^oKa^bHMx no^iHoMiB - Local Polynomial Interpolation) no MeTeocraH^ax (puc. 3). Ha ocHoBi цм$poвoi Mofle^i pe^be^y fl^a floc^iflwyBaHoi TepuTopii 3a flonoMorow Mofly^a Spatial Analyst cTBopeHi KapTM noxu^iB (b rpaflycax) i eкcnoзмцil cxu^iB (no 4 pyM6ax).
Bci oSnuc^eHHa, noB'a3aHi 3 BM3HaneHHaM po3paxyHKoBoi noTywHocri ^pyHTiB, Be^uca fl^a ciTKM KBaflpaTiB n^o^ew 1 km2, ^o 6y^a yTBopeHa Ha K^wnoBrn flmaH^; Bcboro oTpuMaHo 323 KBaflpaTiB. fl^a tohok, po3TamoBaHux y цeнтpi KBaflpaTiB, 3a flonoMorow $yHK^i BMTary 3 pacrpoBux wapiB oTpMMaHi KoHKpeTHi 3HaneHHa paflia^MHoro Sa^aHcy, cyMM onafliB, eкcnoзмцii i KpyTM3HM. OKpeMo, no KapTi ^pyHTiB [2], fl^a po3paxyHKoBux KBaflpaTiB BM3Hana^uca, 3 3aHeceHHaM b тa6^мцw aTpuSyTMBHux flaHux цeнтpa^bнмx tohok, MexaHnHun cK^afl ^pyrniB (3 npucBoeHHaM BiflnoBiflHoro 3HaneHHa nonpaBKM (g) i xapaKTep ^pyHToyTBopwwnoi nopoflu (puc. 2).
Рис. 3. Карта енергетичних витрат на Грунтоутворення на ключовш дтянцк
Рис. 4. Карта граничноТ потужност1 гумусового горизонту Грунтв.
Подальшi обчислення проводилися для центральних точок розрахункових квадра^в за допомогою функцп калькулятора поля. Розрахунки енергетичних витрат на Грунтоутворення i розрахунково'1 потужност Грунпв проводилися окремо для квадра^в з щiльними i пухкими Грунтоутворюючими породами. За отриманими значеннями була виконана штерполя^я (за допомогою модуля Geostatistical Analyst, спосiб Local Polynomial Interpolation) i отримана пiдсумкова карта розрахунково'1 потужностi Грутчв (рис. 4).
Таким чином, запропонована методика дозволяе перейти до картографiчних моделей ерозшно'Г змитостi Грутчв i бiльш точно класифкувати Грунти Криму за ступенем еродованосп, та визначати досiльськогосподарську потужнють Грутчв з метою вiдновлення природних ландшаф^в при реставрацiйних та природоохороних заходах на конкретнш територп.
Лтература
1. Боков В.А. К методике оценки экологической ситуации / В.А. Боков, С.А. Карпенко // Ученые записки Таврического национального университета им. В.И. Вернадского. Серия «География». - Том 23(62), № 3 -2010. - С. 284 - 289.
2. Волобуев В.Р. Введение в энергетику почвообразования / В.Р. Волобуев - М.: Наука, 1974. - 126 с.
3. Грунти Укра'шськоТ РСР / Гол. ред. проф. М.К. Крупський. М 1: 200 000. - Лист № 144. - К.: 1967.
4. Добровольский Г.В. Тихий кризис планеты / Г.В. Добровольский // Вестник РАН.- Т. 67, № 4.-1997. - С. 313319.
5. Ергина Е.И. Термодинамические свойства и энергетика гумуса разновозрастных почв Крымского полуострова / Е.И. Ергина // Электронное периодическое издание ЮФУ «Живые и биокосные системы». - № 3. - 2013. // Режим доступу: http: //www.ibks.ru/archive/issue-3/article-5
6. Палиенко В.П. Изменение рельефа территории Украины на рубеже тысячелетий / В.П Палиенко, Н.Е. Барщевский, Р.А. Спица, С.В. Жилкин // Труды Международной электронной конференции. Тбилиси-Москва, 2006. - С. 41-51 // Режим доступу: http: //www. cetm. narod. ru/pdf/palienko. pdf]
7. Региональная программа защиты почв Республики Крым от водной ветровой эрозии и других видов деградации. Академия Аграрных наук. Институт землеустройства. Крымский филиал. - Симферополь, 1995. - 230 с.
8. Светличный А.А. Эрозиоведение: теоретические и прикладные аспекты: Монография / А.А. Светличный, С.Г. Черный, Г.И. Швебс - Сумы: Университетская книга, 2004. - 410 с.
9. Справочник по климату СССР. - Л.: Гидрометеоиздат, 1967. Вып.10., Ч.1 и Ч.4. - 700с.
10. Черный С.Г. К вопросу о классификации эродированных почв Крыма / С.Г. Черный, Е.И. Ергина // Геополитика и экогеодинамика регионов - №1. - 2010. - С. 45 - 53.
11. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения / Г.И. Швебс. - Киев-Одесса: Вища Школа, 1981. - 221с
Аннотация Е. И. Ергина, В. А. Михайлов Методика математического моделирования и картографирования предельной мощности гумусового горизонта почв. Обоснованы математические модели расчета предельной мощности гумусового горизонта почв, которые могут использоваться при прогнозах использования деградированных эрозией ландшафтов. Предложена методика ГИС-картографирования расчетных значений предельной мощности гумусового горизонта с учетом микроклиматических особенностей почвообразования на склонах.
Ключевые слова: эрозия, энергетические затраты на почвообразование, математические модели, предельная мощность гумусового горизонта, картографирование, ГИС
Abstract. E. Уе^па, V. Mikhailov Method of mathematical modeling and mapping limit humus soil horizon.
Validated mathematical models to calculate the maximum capacity of the humus horizon of soils, which can be used for predictions of erosion degraded landscapes. The technique of GIS-mapping the calculated values of maximum thickness of the humus horizon with the microclimatic features of soil formation on the slopes.
Keywords: erosion, energy consumption for soil formation, mathematical models, the maximum thickness of the humus horizon, mapping, GIS.
Поступила в редакцию 20.01.2014 г.
