Новое направление почвенного картографирования – метод scorpan-SSPRe (soil spatial prediction function with spatially autocorrelated errors) – почвенной пространственно предсказывающей функции с пространственно автокоррелированными ошибками, который предполагает создание цифровых тематических карт, предсказывающих почвы на основе факторов почвообразования, является особенно актуальным для изучения почвенного покрова труднодоступных горных регионов, отличающихся значительной пестротой и неоднородностью. Однако, как отмечают авторы метода, одной из главных проблем практического применения почвенной пространственно предсказывающей функции является необходимость определения количественных параметров факторов почвообразования, свойств или режимов почв [1, 2, 3]. Для целей количественного прогнозирования используются свойства почв, которые тесно коррелирует с экологическими характеристиками и обусловлены действием почвообразовательных процессов. Следствием действия факторов-почвообразователей являются почвенно-экологические границы, которые могут рассматриваться как функциональные, которые отображают определенные почвенные процессы в виде конкретного свойства или факторные, которые проводятся по одному или группе факторов почвообразования [4].
Одним из важнейших факторов формирования почвенно-экологических границ, является температурный режим почв, характеризующий совместно с гидрологическим режимом общий энергетический уровень формирования и функционирования экосистем и их компонентов. В последние десятилетия получены значительные достижения в области изучения температурного поля методами дистанционных исследований, которые определяют новые перспективы применения показателей температурного режима для решения фундаментальных и прикладных задач современного почвоведения [5]. Поэтому задачей данного исследования являлось обоснование возможности использования количественных интегральных характеристик температурного режима почв, полученных на основе нелинейного анализа временных рядов температурного мониторинга для выделения структурных единиц почвенного покрова Алтае-Саянского региона. Новизна подхода заключается в том, что впервые получены интегральные количественные характеристики температурного режима почв, позволяющие выделять диапазоны их устойчивого функционирования и характер влияния на эти режимы других почвенных процессов.
Материалы и методы исследования
Отработка методических принципов выделения почвенно-экологических границ с использованием показателей температурного режима была проведена на примере типологических единиц тундрово-степных комплексов высокогорного плоскогорья Укок (республика Горный Алтай) и северного макросклона горного массива Монгун-Тайга (республика Тыва). В условиях высокогорий в структуре почвенного покрова тундрово-степных комплексов типичными являются сочетания горно-степных и горно-тундровых почв контрастных по экологическим условиям формирования, резко различающихся по компонентному составу и количественному соотношению второстепенные компонентов.
Плоскогорье Укок. Специфика структуры почвенного покрова плоскогорья Укок определяется особенностями экологических высотных поясов горных районов, а так же локальными различиями по растительному покрову, почвообразующим породам, типам и формам лимно-гляциального рельефа [5].
Северный макросклон горного массива Монгун-Тайга. Ключевые участки тундрово-степного комплекса были выбраны в соответствии с геоморфологической схемой горного массива Монгун-Тайга, составленной Ю.П. Селиверстовым и др.[6] и принципами выделения геоморфологических подразделений по высотному градиенту, отражающими разнообразие и структурную организацию почвенного и растительного покрова [7]. Для выделения высотных группировок пространственной организации почвенного покрова были использованы основные положения концепции катены. Изучение проблемы почвенно-экологических границ тундрово-степных комплексов высокогорий, сформированных в условиях относительного выровненного рельефа и высотно-поясной зональности, проводилось с использованием общепринятых и современных методов исследования структурно-функциональной организации почвенного и растительного покрова.
Результаты исследования и их обсуждение
Общая характеристика температурного режима почв тундрово-степных комплексов. Система температурного мониторинга была разработана с учетом показателей, отражающих генетическое единство типов климата высокогорий Алтае-Саянского региона. Наблюдения за температурой воздуха и температурой основных типов почв тундрово-степных комплексов плоскогорья Укок и горного массива Монгун-Тайга были организованы с использованием автономного регистратора температуры «Thermochron DS-1921». Датчики были запрограммированы на 4 часовой интервал измерений. Температура воздуха фиксировалась на высоте 2,5 м от поверхности почвы, в условиях, исключающих прямое радиационное воздействие. Общий массив полученных данных составляет более 30000 единиц определений, которые были использованы для выявления общих закономерностей температурного режима на основе обобщенных (средних) значений температур и расчета теоретически обоснованных интегральных количественных характеристик температурного режима. В результате анализа годового хода температуры воздуха и температур на разных глубинах почвенного профиля было установлено, что основные показатели их температурного режима значительно различаются в зависимости от местоположения ключевого участка (таблица).
Закономерности формирования температурного режима почв, сопряженных по катене тесно связаны с динамикой температуры воздуха и в то же время выявляются значительные отличия в формировании годовой, сезонной и суточной динамики температурного режима для каждого типа почв (рис. 1). В результате анализа было установлено, что основные характеристики температурного режима – суммы положительных и отрицательных температур, их сезонные и годовые амплитуды, максимальные и минимальные значения, а так же скорости промерзания и оттаивания и др. существенно различаются по типам катенного ряда почв: горно-каштановых, горно-тундровых, горно-луговых. Поэтому в качестве критериев для выделения структурных единиц почвенного покрова могут использоваться следующие показатели температурного режима: значения среднегодовых температур, суммы годовых и сезонных положительных и отрицательных температур, показатели динамики промерзание-оттаивание и уровень теплообеспеченности периода биологической активности. Наряду с использованием общих показателей температурного режима, специальной задачей исследования являлась разработка системы теоретически обоснованных показателей теплофизического состояния почв на основе данных динамики температуры почв в определенных временных масштабах, позволяющей, группировать почвы, как различные структурные единицы почвенного покрова.
Такая иерархически организованная система показателей должна обладать достаточной информативностью, для выявления взаимосвязи теплофизического состояния почв с различными почвенно-генетическими характеристиками и подойти к решению проблемы выделения и типологии почвенных границ.
Собственные системы координат. Временной ход температуры, представленный на рис. 1, не является единственно возможным. Существуют другие представления тех же данных, которые обладают определенными преимуществами, по сравнению с традиционным представлением. Исследование свойств динамических систем наиболее удобно и естественно проводить, используя понятие фазового пространства. Использование фазовых портретов на практике играет существенную роль во всех исследованиях динамики по следующей простой причине: такое представление служит альтернативой в тех случаях, когда аналитическое интегрирование дифференциальных уравнений оказывается невозможным. В фазовых портретах исключается временная координата в явном виде, графики строятся в координатах некоторой величины и ее производной по времени: Т и 
.
Фазовые портреты дают не только компактное геометрическое изображение отдельных движений, но и определяют логику поведения динамической системы, ее зависимость от изменяемых параметров (рис. 2).
С точки зрения теории динамических систем почвы относятся к диссипативным системам с вынуждающей силой. Фазовые портреты их температурных режимов представляют собой предельные циклы, а их структурные свойства отражают специфику динамики температуры каждой почвы и возможную реакцию на возмущение. В частности, очевидно, что генетические горизонты горно-тундровой почвы характеризуются заметно меньшей амплитудой температуры и ее производной и, в целом, являются более «теплыми».
Среднемесячные значения температуры воздуха и почв тундрово-степных комплексов высокогорий Алтае-Саянского региона, T °С
|
Месяцы |
Бертекская котловина |
Северный склон горного массива Монгун-Тайге |
||||||||
|
воздуха на высоте, м |
горно-каштановой на глубине, м |
горно-тундровой на глубине, м |
воздуха на высоте, м |
горно-каштановой на глубине, м |
горно-тундровой на глубине, м |
|||||
|
2,0 |
0,06 |
0,23 |
0,07 |
0,16 |
2,0 |
0,05 |
0,2 |
0,12 |
0,21 |
|
|
I |
– 32,6 |
– 20,8 |
– 16,3 |
– 9,5 |
– 7,4 |
– 27,6 |
– 19,4 |
– 17,1 |
– 8,5 |
– 7,8 |
|
II |
– 23,6 |
– 17,6 |
– 15,3 |
– 10 |
– 8,3 |
– 20,2 |
– 22 |
– 19,8 |
– 11 |
– 10,3 |
|
III |
– 18,2 |
– 16,7 |
– 15,3 |
– 11,2 |
– 9,5 |
– 16,4 |
– 14,4 |
– 14,5 |
– 9,6 |
– 9,2 |
|
IV |
– 2,9 |
– 2,7 |
– 4,5 |
– 3,7 |
– 2,9 |
– 2,1 |
– 2,6 |
– 3,8 |
– 6,6 |
– 6,5 |
|
V |
2 |
6,5 |
3,9 |
4,4 |
3,8 |
5,8 |
1,9 |
– 0,1 |
– 1,5 |
– 1,8 |
|
VI |
9,1 |
11,9 |
8,4 |
8,6 |
7,7 |
11,9 |
6 |
3,4 |
3,1 |
1,9 |
|
VII |
11,8 |
14,2 |
11 |
10,8 |
10,1 |
13,6 |
8,2 |
7 |
7,1 |
6,2 |
|
VIII |
8,3 |
11,2 |
8,8 |
7,9 |
7,7 |
12,8 |
8,4 |
7,6 |
7,3 |
6,5 |
|
IX |
2,8 |
5,5 |
4,7 |
4 |
4,7 |
5,9 |
2,2 |
3 |
2,4 |
2,6 |
|
X |
– 5 |
– 2,5 |
– 1,3 |
– 1,1 |
0,5 |
– 1,9 |
– 3,5 |
– 1,5 |
– 1,5 |
– 0,9 |
|
XI |
– 10,8 |
– 8,6 |
– 6,5 |
– 6,3 |
– 4,1 |
– 8,7 |
– 9,4 |
– 7,1 |
– 3,1 |
– 2,6 |
|
XII |
– 22,6 |
– 12.5 |
– 9,6 |
– 4,7 |
– 2,9 |
– 16 |
– 15,8 |
– 13,4 |
– 5,8 |
– 5,2 |
Рис. 1. Годовой ход температуры на разных глубинах почв тундрово-степной катены Бертекской котловины: 1 – горно-каштановой, 2 – горно-тундровой,3 – горно-луговой
Идею использования фазовых портретов для характеристики температурного режима почв мы предлагаем дополнить введением понятия собственных систем отсчета, позволяющих дать более детальное описание динамики почвенной температуры. Это связано с тем, что в нефизических направлениях естествознания все чаще возникает необходимость в часах, которые не должны быть синхронизированы с физическими эталонными часами, основанными на узком классе естественных процессов. В биологических и других науках все чаще предлагается использовать специфические часы, свойственные каждой группе сходственных объектов. В собственных временных координатах в явном виде обнаруживаются закономерности развития, которые не проявляют себя при использовании шкалы астрономического времени. В почвоведении часто решаются задачи, в которых почвы сопоставляются друг с другом по определенным признакам и процессам. Поэтому, если сравнивать температуру разных типов почв в одинаковые моменты времени можно в явном виде определить специфику каждого из них. Для почв тундрово-степного комплекса Монгун-Тайги нами был рассчитан температурный ход эталонной почвы, являющийся среднестатистическим из набора изученных почв. Затем, по отношению к нему были рассмотрены температурные кривые и скорости их изменения для всех почв. Очевидно, что различия по ходу температур для рассматриваемых почв максимальны зимой и минимальны летом (рис. 3). Летние температуры всех почв изменяются согласованно. Участки фазовых портретов > 0 °С идут фактически параллельно друг другу. Зимой – наклоны для графиков разные, но постоянные для каждого горизонта. Таким образом, почвы можно характеризовать двумя наборами постоянных величин 
, для летнего и зимнего периода в отдельности. Иная картина наблюдается для скоростей изменения температуры – максимальные отличия наблюдаются в летние периоды, минимальные – в зимний. Однако, наклоны графиков практически одинаковы для отдельных горизонтов в зимний и летний периоды. Поэтому в собственной системе отсчета скорость изменения температуры почв сводится к наборам постоянных значений вторых производных 
.
Рис. 2. Фазовые портреты температурного режима 1- горно-каштановой и 2 – горно-тундровой почв северного макросклона горного массива Монгун-Тайга
Рис. 3. Фазовые портреты температурного режима почв северного макросклона горного Монгун-Тайга в собственной системе отсчета. А – значения температуры и Б – скорость изменения температуры: 1 – горно-каштановой и 2 – горно-тундровой почв
Таким образом, в собственных системах отсчета достигается высокая степень сжатия исходной информации, что дает существенные преимущества в случае использования автоматизированных систем обработки данных.
Выводы
– температурный режим, представляющий фундаментальную характеристику почвообразования, может использоваться для выделения типологических единиц почвенного покрова, что особенно актуально для объективного отображения почвенного покрова горных регионов, отличающихся значительной пестротой и неоднородностью;
– компактное геометрическое представление динамики почвенных температур может использоваться в общей системе показателей, на основе которых производится группировка функциональных характеристик почв тундрово-степных комплексов различного генезиса.
Исследование выполнено при финансовой поддержке проекта № 14-14-00453 Российского научного фонда (РНФ).