Самсонова В.П. Пространственная изменчивость почвенных свойств:
На примере дерново-подзолистых почв

Оглавление

Введение

Пространственное варьирование почвенных свойств было обнаружено практически с момента возникновения почвоведения как науки (Костычев, 1886). Длительное время оно рассматривалось как досадная помеха при агрохимическом обследовании сельскохозяйственных угодий и при проведении режимных наблюдений за отдельными свойствами почв, в первую очередь за влажностью и содержанием питательных веществ.

Для снижения влияния пространственной вариабельности использовались смешанные образцы и простые статистические методы обработки результатов исследований (расчеты средних, дисперсий, коэффициентов вариации и т. п.). Однако лишь во второй половине XX в. накопление сведений о проявлениях пространственной неоднородности отдельных почвенных свойств привело к осознанию того, что необходима систематизация отдельных сведений и создание теории почвенной неоднородности. В России начало этому положено трудами Е.А.Дмитриева, рассмотревшего различные аспекты проявления почвенной вариабельности и их влияния на информацию о почвенных объектах. За рубежом эта проблематика в основном связана с именем Р.Вебстера и голландской школы почвоведов-математиков (J. Bouma, M. Hoosbeek и др.). Отличие этих двух направлений состоит в большей выраженности "почвенной" составляющей в российских исследованиях и большей математичности зарубежных. Длительное время в силу разных причин эти два направления развивались практически независимо друг от друга. Лишь в последнее время намечается тенденция к их сближению.

В настоящей работе проводится обобщение некоторых результатов изучения пространственной вариабельности на дерново-подзолистых почвах в естественных и агробиогеоценозах, проведенных под руководством профессора Е.А.Дмитриева в течение 1970–1990 гг. Основные используемые в работе концепции:

• концепция уровней неоднородностей в почвенном покрове, в России развиваемая в работах А. Д. Воронина (1979), Б. Г. Розанова (1982), Е. А. Дмитриева (1992), за рубежом в работе М. Хусбек и Р. Брайен (Hoosbeek, Bryant, 1992);
• концепция генезиса данных в почвоведении (Благовещенский, 1998), согласно которой результат исследования зависит от особенностей процедуры получения данных, начиная от определения объекта исследования до конечного результата.

Поскольку изучение пространственной неоднородности требует большого объема экспериментального материала, отбор изучаемых почвенных свойств определялся временем, затрачиваемым на анализ, и почвенно-генетической (или агрохимической) информативностью свойства. Именно по этой причине в работе исследовались такие показатели, как содержание обменных катионов и подвижных форм железа и марганца (вытяжка 1 н H₂SO₄), отражающие особенности почвообразования в подзоле южной тайги, рН_KCl, содержание подвижных фосфора и калия, определявшихся в вытяжке Кирсанова, и содержание органического углерода, отражающие качество сельскохозяйственных угодий. Часть работы посвящена количественным характеристикам варьирования общего содержания и фракционного состава ортштейнов.

В работе рассматривается варьирование почвенных свойств на объектах в диапазоне размеров от нескольких линейных метров (траншейное обследование) до 10–15 га (средние размеры единичного поля в Нечерноземной зоне). По терминологии М.Хусбек и Р.Брайен^ (Hoosbeek, Bryant, 1992), это соответствует уровням неоднородности в основном от педона до полипедона.

Способ опробования выбирался в соответствии с особенностями решаемой проблемы. Так, в работе использовались индивидуальные и смешанные образцы, размеры которых варьировали в широком диапазоне – от нескольких граммов до 0,5 кг. Способы размещения точек опробования также были различными – от линейного (траншейного) опробования до разных схем площадного опробования.

В отличие от предшествующих работ, анализ пространственной вариабельности свойств проводился с использованием большой базы данных. Это позволило выявить новые закономерности, которые не могли быть выявлены при малом объеме информации. К таким закономерностям можно отнести соотношения между средними и дисперсиями для почвенных свойств.

Вопросы, рассматриваемые в работе, касаются способов обработки массивов почвенных данных. Методы классической статистики не всегда оказываются работоспособными в условиях разнораспределенных данных. Непараметрические методы в этих условиях оказываются более подходящими. Однако для анализа информации должен использоваться весь комплекс методов. В работе рассматриваются некоторые новые для почвоведения методы, такие, как метод фазовых диаграмм и методы теории размытых множеств.

Пространственная изменчивость свойств на малых расстояниях связана и с проблемами классификации. Вопрос о том, сколь много классификационных выделов можно обнаружить на малых расстояниях, применяя формальную процедуру классификации, практически не исследован. Сопоставление результатов традиционной и численной классификаций, классификаций с учетом разного числа свойств, представляет интерес для дальнейшего совершенствования почвенных классификаций.

В последнее время появились новые подходы к описанию и анализу пространственной изменчивости почвенных свойств, такие, как теория регионализованной переменной и теория фракталов. Эти подходы не слишком широко известны в среде российских почвоведов, поэтому любые исследования в этой области представляют интерес. В предлагаемой работе эти подходы используются как дополнение к традиционным методам. Показано, что они позволяют предложить объяснение некоторым фактам, трудно поддающимся объяснениям в рамках теории случайных величин.

Многомерные статистические методы, позволяющие получить представление о варьировании совокупности свойств, предоставляют возможность по-новому взглянуть и на классификационные проблемы, и на проблемы изменения почвенных свойств в пространстве.

Возрастание интереса к пространственной вариабельности почвенных свойств связано с появлением нового направления – координатного земледелия, требующего подробной информации о неоднородности почвенного покрова по отношению к тем или иным питательным элементам, физическим свойствам почв, загрязнению и т. п.

Автор выражает глубокую благодарность д. б. н. Е.А.Дмитриеву, под руководством которого начиналась эта работа и под чьим руководством она длительное время выполнялась, д. ф.-м. н. Ю.Н.Благовещенскому за обсуждение сложных проблем интерпретации результатов, д. б. н. Я.А.Пачепскому, обратившему внимание на возможность использования фрактальных характеристик в почвенных исследованиях, д. с.-х. н. В.А.Рожкову, в сотрудничестве с которым были проведены первые статистические обработки данных почвенных экспериментов, к. б. н. Е.М.Жевелевой, к. б. н. Е.В.Пономаренко, к. б. н. Н.В.Прасоловой, к. б. н. Ю.Л.Мешалкиной, к. б. н. М.И.Кондрашкиной за обсуждение идей и долголетнюю совместную работу, к. б. н. Г.Ф.Лебедевой за постоянный интерес к этой работе, д. б. н. П.Н.Балабко, чья конструктивная критика немало способствовала завершению этой работы.

Представляемая работа была бы невозможна без внимания и доброжелательного отношения со стороны сотрудников кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, на которой она начиналась, и кафедры общего земледелия. Всем сотрудникам этих кафедр мне бы хотелось выразить искреннюю благодарность.