Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кудряшова С.Я. 1 Чичулин А.В. 1 Чумбаев А.С. 1 Миллер Г.Ф. 1 Безбородова А.Н. 1 Соловьев С.В. 1 Курбатская С.С. 2 Самдан А.М. 2 Курбатская С.Г. 2 Герайзаде А.П. 3 Гюлалыев Ч.Г. 4

---

1 ФБГУН «Институт почвоведения и агрохимии СО РАН»

2 ГБУ «Убсунурский международный центр биосферных исследований»

3 Институт почвоведения и агрохимии НАНА

4 Институт географии НАНА

Рассмотрена возможность выделения типологических границ почвенного покрова тундрово-степных комплексов Алтае-Саянского региона с использованием интегральных количественных характеристик температурного режима почв, рассчитанных на основе временных рядов температурного мониторинга. В отличие от традиционно использующихся показателей разработан метод расчета гибкой системы теоретически обоснованных количественных характеристик температурного режима, позволяющий устанавливать взаимосвязи теплофизического состояния почв с почвенно-генетическими характеристиками и подойти к решению проблемы выделения и типологии почвенно-экологических границ. Введено новое понятие собственной системы отсчета для температурного режима почв. Показано, что фазовые портреты температурных режимов могут использоваться для группировки почв, сформированных в разных экологических условиях.

Статья в формате PDF

2888 KB

почвы высокогорий

типологические границы

температурный мониторинг

характеристики температурного режима

1. McBratney A.B., Mendonc Santos L.M., Minasny B. On digital soil mapping // Geoderma. 2003. – V. 117. – P. 3–52.

2. Odgers N.P., McBratney A.B., Minasny B. Digital soil property mapping and uncertainty estimation using soil class probability rasters // Geoderma. – 2015. – V. 237–238. – P. 190–198.

3. Hartemink A., Minasny B. Towards digital soil morphometrics // Geoderma. – 2014. – V. 230–231. – P. 305–3017.

4. Корсунов В.М., Красеха Е.Н., Ральдин Б.Б. Методология почвенно-географических исследований и картографии почв. – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2002. – 232 с.

5. Van de Kerchove R., Lhermitte S., Veraverbeke S., Goossensa R. Spatio-temporal variability in remotely sensed land surface temperature, and its relationship with physiographic variables in the Russian Altay Mountains // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2013. – V. 20. – P. 4–9.

6. Kudryashova S.Ya., Ditts L.Yu., Chichulin A.Y., Chumbaev A.S., Miller G.F., Bezborodova A.N. Ecological-Geographical Aspects of Soil Complex Types Allocation at the Ukok Plateau Using Remote Sensing Studies // Contemporary Problems of Ecology. – 2012. – Vol. 5. – P. 516–521.

7. Горный массив Монгун-Тайга. – СПб.: Изд-во Арт-Экспресс, 2012. – 310 с.

8. Кудряшова С.Я., Курбатская С.С., Миронычева-Токарева Н.П., Самдан А.М., Чумбаев А.С. Чичулин А.В., Курбатская С.Г., Миллер Г.Ф., Безбородова А.Н. Тундрово-степные катены горного массива Монгун-Тайга: актуаль­ные вопросы эколого-географического анализа // Материалы XII Убсунурс­кого междунар. cимп. (Улангом, 15–18 июля 2014). – Улангом, 2014. – С. 253–257.

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

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).

Библиографическая ссылка