CC BY
101
УДК 631.4
Н.В. Гопп
ИПА СО РАН, Новосибирск
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ СОДЕРЖАНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ГЛИНЫ В ПОЧВАХ ПО ДАННЫМ АНАЛИТИЧЕСКОЙ,
НАЗЕМНОЙ
И СПУТНИКОВОЙ ИНФОРМАЦИИ
На примере ключевого участка в Джулукульской котловине (Республика Алтай) показана возможность эффективного применения аналитических данных почв и материалов наземной и радиолокационной съемки для моделирования пространственной изменчивости содержания физической глины в верхнем горизонте почв и составления соответствующей тематической карты.
N.V. Gopp
Institute of Soil Science and Agrochemistry (ISSA SB RAS), 18 Sovietskaya St., Nоvosibirsk, 630099, Russian Federation
MODELLING OF SPATIAL VARIABILITY OF THE PHYSICAL CLAY CONTENT IN SOILS BASED TO ANALYTICAL, LAND AND SATELLITE DATA
By the example of a test plot in Dzhulukulsky hollow (Republic of Altai) the possibility of effective application of soil analytical, land and radar satellite data was shown for modeling of spatial variability of physical clay content in soil upper horizon and for drawing up a corresponding thematic map.
По содержанию физической глины в почвах определяют разновидность почв (гранулометрический состав), согласно таблице Качинского [1]. От количественного содержания физической глины в почвах зависят многие физико-химические свойства почв, что обусловлено большой удельной поверхностью частиц и, следовательно, повышенной сорбционной способностью. Таким образом, важность исследования и моделирования этого параметра почв с применением данных радиолокационной съемки имеет огромное значение при изучении не только особенностей функционирования почв и составления модельных прогнозов, но и для предсказательного картирования.
Индикационный принцип гласит, если какое-то свойство почв коррелирует с рельефом, то его можно прогнозировать прямо по рельефу [2]. В исследованиях McBratney A.B.et al. [3] сделан вывод, что из всех внешних по отношению к почве данных (космоснимки, рельеф, электропроводность почв и урожай сельскохозяйственных культур) для предсказания пространственной изменчивости свойств почв наиболее информативен рельеф. Следует отметить, что рельеф влияет на свойства почв опосредованно через регулирование факторов среды. При этом, многие параметры рельефа (крутизна склонов, горизонтальная кривизна и др.) оказывают влияние на действие сил гравитации, которые способствуют
миграции и аккумуляции минеральных и органических веществ по элементам рельефа. Поэтому в верхних ярусах возвышенностей преобладает снос продуктов выветривания, а в нижних ярусах наблюдается аккумуляция материала, принесенного сверху.
Объекты и методы исследования
Исследовалось распределение фракций гранулометрического состава в пробах отобранных из почв (рис. 2), располагающихся на различных формах рельефа. Полученные аналитические данные использовались для сопряженной обработки с тематическими картами параметров рельефа, для выявления корреляции и составления линейного прогноза на весь ключевой участок. Тематические карты параметров рельефа (площадь максимального сбора, максимальная кривизна, горизонтальная кривизна и др. см. табл. 1) были получены в процессе обработки радиолокационного снимка SRTM (Shuttle Radar Topography Mission, разрешение 90 м) в программе ГисЭко (автор Шарый П.А.). Алгоритмы расчета локальных морфометрических величин описаны в работе Shary P.A., Sharaya L.S., Mitusov A.V [4]. Краткое описание некоторых из них представлено в настоящей работе.
Согласно исследованиям Shary P.A., Sharaya L.S., Mitusov A.V. [4] горизонтальная кривизна (kh) отрицательна, когда вогнутость нормального сечения направлена вверх (линии тока сближаются - области конвергенции), и положительна в противоположном случае (линии тока расходятся - области дивергенции); kh равно нулю для прямолинейной изолинии высоты. Геоморфологически, области конвергенции известны как вогнутые отроги, в то время как области дивергенции - как выпуклые отроги (рис. 1).
Рис. 1. Тематические карты морфометрических величин рельефа
Максимальная кривизна (ктах) описывает геометрические формы рельефа (рис. 1). Геомофологически, положительные значения ктах описывают геометрические гребневые формы (или С-гребни), отрицательные же значения ктах описывают С-депрессии, то есть депрессии, определенные в классе С [4].
Карта максимальной площади сбора (рис.1) показывает для каждого элемента матрицы (квадрата на карте) максимальную площадь, с которой в него могут собираться со всех склонов сыпучие и жидкие вещества [4].
Ключевой участок ограничен координатами 89°40'18,07" - 89043'41,50'' в.д., 50°28'32,32'' - 50°26'23,03'' с.ш. По физико-географическому
районированию территория исследования относится к Юго-Восточной Алтайской провинции, Джулукульский район [5]. Максимальная контрастность процессов сноса и аккумуляции для изучаемой территории, как функции от действия сил гравитации, обусловливается грядовохолмистым и гривисто-западинным рельефом.
Результаты и обсуждение
Рис. 2. Распределение фракций гранулометрического состава
Среди основных процессов, обусловливающих пространственную изменчивость содержания физической глины, можно выделить следующие: вертикальное перемещение вниз по профилю, горизонтальный
поверхностный и внутрипочвенный сток. Изучение вертикального перемещения физической глины вниз по профилю проводят по профилям, составленным на основе аналитических данных (рис. 1).
Данные рис. 2 свидетельствуют о перемещении более легких фракций в срединные горизонты почв (ВНР, BFM). Однако такой подход не позволяет учесть влияние экзогенных факторов и гравитации, в результате действия которых происходит снос продуктов выветривания, в том числе и фракций физической глины, в аккумулятивные зоны рельефа. В результате почвы возвышенностей характеризуются более легким гранулометрическим составом, чем почвы понижений, при условии, что они формируются на одинаковой почвообразующей породе. Определить, как происходит перераспределение содержания физической глины в верхнем горизонте почв в результате действия поверхностного стока можно с использованием параметров рельефа, рассчитываемых по радиолокационному снимку (табл. 1).
Таблица 1 Коэффициенты корреляции Спирмана (г5) между параметрами рельефа и гранулометрическими фракциями образцов почв
Гранулометрические фракции почв (для верхнего горизонта), п = 25 Параметры рельефа (Морфометрические величины)
МСА* F Z kmax** GA*
Физическая 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
Физический песок - 0,70 p<0,0001 НЗ НЗ 0,48 p<0,05 0,46 p<0,05 НЗ
* - величины описывающие поверхностный сток; ** - величины описывающие геометрические формы
Условные обозначения: МСА - максимальная площадь сбора; Р, % (склонение 350, азимут 180) - освещенность; Ъ - высота; ктах -максимальная кривизна; кЪ - горизонтальная кривизна; GA - крутизна склонов; НЗ - незначимое значение; р - уровень значимости; п - количество почвенных проб.
Корреляция между содержанием физической глины и площадью максимального сбора говорит об увеличении содержания физической глины в депрессиях, где значения МСА наибольшие. Обратная средняя корреляция физической глины с высотой говорит об уменьшении содержания глины при увеличении высоты. Обратная средняя корреляция физической глины с максимальной кривизной подтверждает, что при приближении к гребням содержание физической глины снижается. Обратная корреляция содержания физической глины с горизонтальной кривизной подтверждает, что на выпуклых отрогах содержание ее снижается. В целом, рассматривая корреляцию между параметрами рельефа и содержанием физической глины обнаруживается, что перераспределение содержания физической глины по элементам рельефа связано также и с процессами поверхностного и
внутрипочвенного стока, а не только с вертикальным перемещением вниз по профилю.
Для установления пространственной изменчивости содержания физической глины в верхнем горизонте произведен линейный прогноз (рис. 3) по формуле регрессии:
х = а*ктах + Ь*Ъ + с*МСА+ d,
где а = 3.731797, Ь = 0.201934, с = 11.758459, ! = 19.415444;
.х - содержание физической глины; ктах - максимальная кривизна;
2 - высота; МСА - площадь максимального сбора.
озеро Джулукуль
Содержание физической Iлипы.%
Рис. 3. Карта-схема содержания физической глины в верхнем горизонте
Анализ полученной карты показал, что изменчивость содержания физической глины связана не только с процессами вертикального перемещения вниз по профилю, но и с историей формирования моренных отложений, которые в период дегрессии ледника подвергались значительному плоскостному размыву и смыву более легких фракций гранулометрического состава в аккумулятивные позиции рельефа.
Ошибка линейного прогноза MAD (mean absolute deviation) рассчитывалась как разность между значениями исследуемого параметра в контрольных точках и значениями модели, деленная на число наблюдений. Для рассчитанной прогнозной карты (рис. 3) MAD составляет 2-3 %, что является хорошим показателем качества модели.
Таким образом, установлено, что использование морфометрических величин рельефа, рассчитываемых по данным радиолокационной съемки, позволяет оценить пространственную изменчивость содержания физической глины в верхнем горизонте почв, что позволяет на более качественном уровне составлять тематические карты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Качинский Н. А. Физика почв. Ч. 1. М.: Высшая Школа, 1965. - 323 с.
2. Webster R. Quantitative and numerical methods in soil classification and survey. Oxford: Oxford University Press, 1977. - 269 p.
3. McBratney, A.B., Odeh, I.O.A., Bishop T.F.A., Dunbar, M.S. and Shatar T.M. An Overview of pedometric techniques for use in soil survey // Geoderma 97, 2000. - P. 293-327.
4. 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.
5. Атлас. Алтайский край. Москва-Барнаул: Главное управление геодезии и картографии при совете Министров СССР, 1978. - 222 с.
© Н.В. Гопп, 2010
