Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственная вариабельность состава и свойств дерново-подзолистой почвы

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Самсонова, Вера Петровна

ВВЕДЕНИЕ 6-

Глава 1. ФЕНОМЕН ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ВАРИАБЕЛЬНОСТИ

ПОЧВЕННЫХ СВОЙСТВ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

ЕГО ИЗУЧЕНИЯ 10

1.1. Уровни структурной организации в почвенном покрове 11

1.2. Особенности почвенного покрова как объекта наблюдения 14

1.3. Соотношение разных уровней неоднородности при опробовании почв 16

1.4. Случайная величина как модель изменчивости почвенных свойств 20

1.5. Масштабные эффекты 28

1.6. Составляющие пространственного варьирования почвенных свойств 33

1.7. Почвенные свойства как случайные функции координат 35

1.8. Семивариограммы и пространственные интерполяции 42

1.9. Некоторые примеры использования анализа пространственного распределения почвенных свойств при помощи теории регионализованной переменной 43

1.10. Фракталы как модель пространственной изменчивости свойств почв 47

1.11. Краткий исторический очерк использования количественных методов для характеристики почвенной вариабельности 51

1.12. Некоторые направления исследования пространственной вариабельности почвенных свойств 60

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 62

2.1. Описание объектов 62

2.2. Аналитические погрешности 73

2.3. Способы визуального анализа данных 76

Глава 3. МОДЕЛЬ СЛУЧАЙНОЙ ВЫБОРКИ 80

3.1. Вариабельность состава и свойств дерново-подзолистой почвы (пример анализа данных) 80

3.2. Оценка влияния особенностей проб и размеров объекта 102-114 3.3 .Заключение по главе 3 114

Глава 4. МОДЕЛЬ СЛУЧАЙНОГО ПОЛЯ 117

4.1. Методические вопросы применения теории случайных функций к почвенным данным 117

4.2. Результаты линейного опробования дерново-подзолистых почв под лесом 123

4.3. Площадное опробование 150

Глава 5. ФРАКТАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАРЬИРОВАНИЯ 163

5.1. Использование показателя «фрактальной размерности» для характеристики вариабельности мощности гумусового горизонта на разновозрастных отвалах 163

5.2.Фрактальные характеристики пространственной вариабельности содержания ортштейнов 172

Введение Диссертация по биологии, на тему "Пространственная вариабельность состава и свойств дерново-подзолистой почвы"

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 питательным режимом.

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 20-того века 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, Hoosbeeek, Stain и др). Отличие этих двух направлений состоит в большей выраженности «почвенной» составляющей в российских исследованиях и большей математичности в 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 70-90 годов. Основные используемые в работе концепции:

1) 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 работах Sposito (1989), Wagenet et al. (1994), Hoosbeek (1992).

2) концепция генезиса данных (Благовещенский, 1989, 1998) в почвоведении, согласно которой результат исследования зависит от особенностей процедуры получения данных, начиная от определения объекта исследования до конечного результата.

Поскольку сколь-нибудь серьезное изучение проблемы пространственной неоднородности почвенных свойств 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 H2S04), отражающие особенности почвообразования в подзоле южной тайги, рНКсь содержание подвижных фосфора и калия (для дерново-подзолистых почв определявшихся в вытяжке Кирсанова) и содержание органического углерода, отражающие качество сельскохозяйственных угодий. Лишь фрагментарно затронуты показатели валового состава. Значительная 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 Hoosbeek (1992), это соответствует уровням неоднородности в основном от педона до полипедона, но в некоторых случаях рамки исследований несколько расширены. Именно такие объекты, от единичного разреза до угодья, наиболее часто используются при проведении почвенных исследований.

Способ опробования не был постоянным при решении разных задач, а 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.

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 численных классификаций, классификаций с учетом разного числа свойств необходимо для более обоснованного представления о возможностях тех или иных подходов к классификациям.

В последнее время появились новые подходы к описанию и анализу пространственной изменчивости почвенных свойств, такие, как теория регионализованной переменной и теория фракталов. Эти подходы еще 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.

В работе большое внимание уделяется вопросам временной изменчивости пространственной неоднородности почвенных свойств. Этот вопрос практически не исследован ни в отечественном, ни в зарубежном почвоведении, хотя в последнее время начинают появляться отдельные работы (Papritz, Webster, 1995, Heuvelink, 1997). Вся методика режимных и мониторинговых наблюдений основана на том, что степень и характер пространственной вариабельности почвенных свойств не меняются во времени, поэтому число повторностей индивидуальных образцов или число повториостей для получения смешанных образцов остается постоянным в течение всего времени наблюдения. Однако, если степень пространственной вариабельности меняется во времени, то организация эксперимента должна соответствовать изменяющимся условиям. На этом пути возможно существенное уменьшение числа отбираемых проб без ухудшения качества оценок.

Неучет динамики пространственной вариабельности показателей может приводить к заведомо ложным выводам при наблюдении за традиционным средним арифметическим значением свойства. Поэтому использование других, устойчивых к «выбросам» сверток информации может оказаться более полезным. Это становится особенно актуальным при мониторинге загрязнения окружающей среды различными ксенобиотиками, масштабы применения которых возрастают. В работе рассматриваются преимущества и недостатки различных подходов к выявлению динамик свойств.

Автор выражает глубокую благодарность [д.б.н. Е.А.Дмитриеву, под руководством которого начиналась эта работа и под чьим руководством в течение длительного периода она выполнялась, д.б.н. Я.А. Пачепскому, обратившему внимание на возможности 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. Ю.Л. Мешалкиной за некоторые идеи по пространственной статистике, к.б.н. Г.Ф. Лебедевой за постоянный интерес к этой работе, д.б.н. Балабко, чья конструктивная критика немало способствовала завершению этой работы, сотрудникам кафедры физики почв и кафедры общего земледелия, без чьего дружеского участия и постоянной поддержки были бы невозможны ни многие эксперименты, ни появление работы в окончательном виде.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Самсонова, Вера Петровна

выводы

1. Характеристики пространственной вариабельности свойств зависят от способов получения информации. Один и тот же объект может быть признан имеющим малую вариабельность исследуемого показателя (если используются большие образцы) или чрезвычайно неоднородным (если используются малые образцы). Так, например, на объекте длино120 м коэффициенты вариации для свойств, определенных в объемах 10 см3 превышают коэффициенты вариации тех же свойств, определенных на объекте длиной 100 м, но в образцах объемом 100 см3.

2. При условии постоянства размеров объекта опробования и фиксированном способе опробования коэффициенты вариации почвенных свойств уменьшаются в зависимости от соотношения размеров микронеоднородностей и размеров проб. Например, для дерново-подзолистых почв при объеме проб 10 смЗ последовательность такова:

Подвижные железо и марганец => Обменные катионы = Мощность горизонтов => => Максимальная гигроскопичность => Валовый состав

3. Распределения значений почвенного свойства даже при условии фиксированного размера площади опробования и постоянстве размеров проб, как правило, могут быть аппроксимированы несколькими модельными распределениями (например, нормальным и логарифмически нормальным одновременно). При изменении размеров объекта и способа опробования распределения могут меняться самым разнообразным способом. Попытки установления точного закона распределения для почвенных свойств бесперспективны, поскольку всегда существует спектр модельных законов, для различения которых требуется очень большой объем экспериментальных данных.

4. Анализ большого объема экспериментального материала показывает, что для обработки почвенных данных наиболее подходящими оказываются не точные статистические методы, а методы, основанные на синтезе прикладной статистики и знаний предметной области почвоведения. К таким методам можно отнести квантильный анализ серий выборок, использование преобразований типа «нормальной бумаги», анализ таблиц сопряженности, непараметрические методы и методы кластерного анализа.

5. В диапазоне линейных размеров, соответствующих почвенным образцам, почвенным разрезам и ключевым участкам неоднородности отдельных свойств образуют плотный спектр «периодов». Размеры их изменяются с глубиной и могут не совпадать для различных свойств. Для исследованных валовых и лабильных почвенных свойств дерново-подзолистых почв наиболее часто встречаются периоды около 6 и около 1,5 м соответственно. Однако около половины общей дисперсии, соответствующей размерам опробуемого участка с линейными размерами в несколько сотен метров как для лабильных, так и валовых свойств приурочена к размерам, не превышающим 10-20 см. При этом для многих свойств аналитическая ошибка составляет не более 10% от наггет-дисперсии.

6. Система вертикальной анизотропии при выбранном способе опробования часто не позволяет рассматривать даже небольшие по размерам объекты как макрооднородные, поскольку почвенный образец фиксированного размера может в разной степени захватывать вертикальные неоднородности. В случае пахотных почв верхняя и нижняя части пахотного горизонта могут различаться не только по средним значениям, но и по другим характеристикам распределений. Изменчивость свойств в верхней и нижней частях горизонтов как нарушенных, так и пахотных почв может быть как взаимосвязанной, так и независимой друг от друга. В этой связи элементы неоднородности по отдельным свойствам могут выделяться как в отдельных частях горизонтов, так и охватывать весь горизонт в целом.

7. Для ряда почвенных свойств показана возможность аппроксимации их закономерностей пространственного размещения закономерностями, присущими фракталам. Установлено, что почвенный покров в пределах первых десятков метров может быть представлен в виде чередующихся участков с выраженными фрактальными свойствами и участков, на которых они отсутствуют. Высказана гипотеза, что фрактальные участки соответствуют ненарушенными педотурбационными процессами участкам. Почвенный покров в этом случае можно представлять как постоянно нарушающийся и самовосстанавливающийся «фрактал». Обнаружено, что показатель фрактальной размерности может быть использован в качестве индикатора времени формирования гумусового горизонта.

8. Лабильные почвенные свойства обладают не только временной динамикой средних, но и изменчивостью других статистических характеристик, таких, как дисперсии, коэффициенты асимметрии и т.п. Степень варьирования признаков (дисперсии) может меняться в течение вегетационного периода, а может оставаться практически неизменной, может различаться как на одном поле в разные годы, так и в один год по полям (даже в том случае, если поля заняты одинаковыми культурами). Для ряда свойств обнаружены зависимости между дисперсиями и средними значениями (подвижные фосфор и калий, гумус, численность микроорганизмов). Показано, что для свойств, в сильной степени измененных человеком, вид зависимостей в течение ряда лет сохраняется, но коэффициенты уравнений меняются очень сильно. Для «биологических свойств» наблюдается слабая зависимость коэффициентов уравнений от гидротермических условий.

9. Корреляционные связи между изучаемыми свойствами зависят от способов опробования (размеры образцов, местоположение участка опробования и его размеры). В пахотном слое дерново-подзолистых почв корреляционные связи между лабильными свойствами характеризуются неустойчивостью. Они проявляются в зависимости от года на разных объектах в разные моменты времени.

10. Корреляционные связи между значениями определенного свойства на одной глубине в разные сроки отражают существование его пространственных структур на обследуемой территории. Для лабильных свойств обнаружено существование эфемерных элементов организации, присутствующих в одни сроки и отсутствующих в другие. В зависимости от конкретного поля и года наблюдения временная устойчивость элементов неоднородности по изучаемым признакам может проявляться в разной степени. «Временная» эфемерность некоторых элементов неоднородности может сочетаться с устойчивостью их пространственного размещения. Наиболее устойчивые пространственные структуры отмечаются для влажности почвы и содержания органического вещества.

11. В отдельные годы почвенные объекты (в конкретном случае поля на дерново-подзолистой почве) в многомерном пространстве признаков могут быть четко отделены друг от друга, тогда как в другие годы такого разделения не наблюдается. Это может свидетельствовать в пользу того, что характер погодных условий года как нивелирует, так и усиливает различие полей, как естественно им присущее, так и вызываемое антропогенным воздействием.

12. Для численности микроорганизмов и показателей, зависящих от деятельности микрофлоры (например, остаточных количеств ксенобиотиков в почве) может быть предложена модель, основывающаяся на идее накопленного воздействия температурно-влажностных условий. Для численности микроорганизмов показано, что зависимости для квантилей численности разного уровня могут отличаться друг от друга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подводя итоги всему изложенному, можно сказать, что изменчивость состава и свойств в разных пространственных и временных масштабах является способом существования почвы как природного тела. Статистические методы, привлекаемые для описания этого феномена, имеют дело с информацией, получаемой при анализе некоторого объема почвы.

Анализ базы данных о пространственном варьировании почвенных свойств дерново-подзолистых почв показывает, что характеристики пространственной вариабельности свойств зависят от способов получения информации. Один и тот же объект может быть признан имеющим малую вариабельность исследуемого показателя, если используются большие образцы, или чрезвычайно неоднородным, если используются малые образцы. Так, например, на объекте длиной 20 м коэффициенты вариации для свойств, определенных в объемах 10 см3 превышают коэффициенты вариации тех же свойств, определенных на объекте длиной 100 м, но в образцах объемом 100 см3. Более того, коэффициенты вариации, получаемые при малых объемах образцов на объектах малых размеров, могут превышать таковые для целой почвенной зоны. Поэтому сравнение почвенных объектов по степени вариации свойств может осуществляться лишь в условиях постоянства способа опробования.

Без стандартизации способа опробования лишены смысла классификации почвенных объектов по степени их неоднородности, что имеет прямое отношение к оценке качества угодий.

При постоянстве размеров объекта опробования и фиксированном способе опробования коэффициенты вариации почвенных свойств уменьшаются в зависимости от соотношения размеров микронеоднородностей, усредняемых в пробе и разу меров проб. Для дерново-подзолистых почв при объеме пробы 10 см последовательность, как правило, такова: Подвижные ^ железо и марганец Обменные4 v катионы Мощность4 горизонтов г Максимальтя л

Валовый л v состав у гигроскопич ностьJ

Максимальные коэффициенты вариации отмечаются для областей переходов между горизонтами.

К сожалению, в исследованном диапазоне размеров проб не удается выявить однозначной закономерности изменения дисперсий свойств с ростом размера образца из-за внутренней коррелированное™ значений свойств в смежных объемах почвы и из-за аналитических ошибок.

Зависимость степени вариабельности от параметров опробования снижает ценность частых рекомендаций по числу проб для получения среднего с заданной точностью. Если предварительные определения свойства были проведены в малых образцах, то степень вариабельности оказывается высокой и число повторностей увеличивается до астрономических значений. Именно это является источником определенного скепсиса со стороны почвоведов по отношению к применению статистических методов для решения конкретных задач.

Борьба с пространственной вариабельностью почвенных свойств породила многочисленные рекомендации по отбору проб из разных стенок разреза и по анализу смешанной пробы (Руководство по составлению почвенных и агрохимических карт, 1964). Однако произвол в отборе проб для усреднения (место и размер пробы) вносит неустранимую ошибку в результаты анализов, создавая иллюзию точности, но на самом деле увеличивая неопределенность выводов.

Статистические распределения величин состава и свойств являются наиболее полной характеристикой случайной величины. Именно поэтому выяснению возможностей аппроксимации эмпирических распределений тем или иным точным законом посвящена достаточно большая литература (Крупеников и др., 1978, Ореш-кина, 1988 и др.). В последнее время наблюдается активизация работ в этом направлении (Михеева, 1997). Однако из-за множественности факторов, вызывающих пространственную изменчивость состава и свойств почв, из-за их локального действия и невозможности в каждом конкретном случае разделить вклад разных составляющих, невозможно фиксировать какой-либо жесткий закон распределений для состава и свойств почв. Выборочность обследования также вносит свой вклад в неопределенность законов. Поэтому можно говорить лишь об аппроксимации эмпирических законов теми или иными модельными законами, отдавая себе отчет в том, что одно и тоже распределение может быть зачастую аппроксимировано разными законами и кроме интерпретационных критериев предметной области, не существует иных критериев для выбора между этими аппроксимирующими законами. На примере базы данных о вариабельности свойств дерново-подзолистой почвы показано, что даже при условии фиксированного размера площади опробования и постоянстве размеров проб статистические распределения значений почвенного свойства, как правило, могут быть аппроксимированы несколькими модельными распределениями (например, нормальным и логарифмически нормальным распределением одновременно). При изменении размеров объекта и (или) способа опробования распределения могут меняться самым разнообразным способом. Поэтому следует признать, что попытки установления точного закона распределения для почвенных свойств бесперспективны, поскольку одно- или двухпарамет-рические законы распределения оказываются недостаточными, а более сложные модели требуют для идентификации очень большой объем экспериментальных данных, однако знание «точного» вида соответствующего закона распределения не прибавляет ничего нового для понимания сущности почвы. Ситуация с подбором стандартных статистических распределений для большого числа почвенных данных аналогична ситуации с подбором полиномов разной степени для аппроксимации экспериментальных зависимостей - можно подобрать очень хорошее приближение к данным, но оно будет иметь ценность лишь для этих данных и будет непригодным в любых других условиях.

Анализ большого объема экспериментального материала показывает, что для обработки почвенных данных наиболее подходящими оказываются на те статистические методы, которые ориентированны на синтез прикладной статистики и знаний предметной области, в данном случае, почвоведения. К таким методам можно отнести квантильный анализ серий выборок, использование преобразований типа «нормальной бумаги», анализ таблиц сопряженности, непараметрические методы и методы кластерного анализа. Однако следует отметить, что применение этих методов требует как более высокого уровня осмысления применимости различных статистических методов, так и содержательного анализа конкретной задачи. Иными словами, каждая конкретная задача требует своего набора методов анализа, «личностного» подхода к ее решению.

Пространственная вариабельность отдельных почвенных свойств обладает определенной структурой, выражающейся в ступенчатом изменении дисперсий свойств при непрерывном изменении размеров объекта исследования. Минимальный линейный размер объекта, начиная с которого дисперсия свойства постоянна (при использовании стандартных размеров проб), называется радиусом корреляции и по предложению Ф.И. Козловского (1970) может рассматриваться как размер педона. Подробные исследования, проведенные на дерново-подзолистой почве, показывают, что в диапазоне линейных размеров, соответствующих почвенным образцам, почвенным разрезам и ключевым участкам отдельные свойства образуют плотный спектр радиусов корреляции. Размеры их изменяются с глубиной и могут не совпадать для различных свойств. Для исследованных валовых и лабильных почвенных свойств дерново-подзолистых почв наиболее часто встречаются размеры около 6 и около 1,5 м соответственно. Как для лабильных, так и валовых свойств, около половины общей дисперсии, соответствующей размерам опробуемого участка с линейными размерами в несколько сотен метров, соответствует размерам, не превышающим 10-40 см (так называемая наггет-дисперсия). В свою очередь, для большинства свойств аналитическая дисперсия составляет не более 10% от наггет-дисперсии. На основании имеющегося материала можно сделать заключение, что для массового обследования почв стандартный образец 1 дм3, с одной стороны, обеспечивает достаточное усреднение, а с другой - позволяет учесть многообразие свойств почвенной массы.

Обнаруженное соотношение наггет-дисперсии и общей дисперсии может быть использовано при сравнении средних значений свойств при мониторинговых наблюдениях. Поскольку из-за нарушения почвенного покрова при отборе проб в один срок точки опробования неизбежно смещаются в пространстве, то при сопоставлении средних значений дисперсии свойств должны быть увеличены по крайней мере в два раза.

Система вертикальной анизотропии при выбранном способе опробования часто не позволяет рассматривать даже небольшие по размерам объекты как макроодно-родные, поскольку почвенный образец фиксированного размера может в разной степени захватывать вертикальные неоднородности. В случае пахотных почв верхняя и нижняя части пахотного горизонта могут различаться не только по средним значениям, но и по другим характеристикам распределений. Изменчивость свойств в верхней и нижней частях горизонтов (и нарушенных, и пахотных почв) может быть как взаимосвязанной, так и независимой друг от друга. В этой связи элементы неоднородности по отдельным свойствам могут выделяться как в отдельных частях горизонтов, так и охватывать весь горизонт в целом.

Пространственная изменчивость почвенных свойств должна находить отражение в почвенных классификациях. Показано, что неучет размеров объектов почвенных классификаций приводит к тому, что на небольших участках может быть выделено до десятка видов почв, образующих "гребенку" в своем чередовании. Применение методов нечетких множеств позволяет выделить "ядра" и "переходы", причем для дерново-подзолистых почв именно переходы занимают основные площади.

Пространственная вариабельность почвенных свойств в масштабах сельскохозяйственного угодья является одной из причин пестроты урожая сельскохозяйственных культур. Антропогенное воздействие может приводить к модификации ясных зависимостей состава и свойств почв от внешней среды, например, способ внесение удобрений может изменить зависимость свойств дерново-подзолистых почв от рельефа. При оценке качества угодья должна учитываться не только степень пространственной неоднородности его свойств, но и характер размещения элементов этой неоднородности в пространстве. С учетом возможностей локального "исправления" пространственных неоднородностей может быть предложена классификация угодий.

Для ряда почвенных свойств обнаруживается возможность аппроксимации их закономерностей пространственного размещения закономерностями, присущими фракталам. Установлено, что почвенный покров в пределах первых десятков метров может быть представлен в виде чередующихся участков с выраженными фрактальными свойствами и участков, на которых они отсутствуют. Можно предположить, что фрактальные участки соответствуют ненарушенными педотурбационны-ми процессами участкам или, возможно, участкам, длительное время не подвергавшимся нарушениям. Почвенный покров в этом случае можно представлять как постоянно нарушающийся и самовосстанавливающийся «фрактал». Обнаружено, что показатель фрактальной размерности может быть использован в качестве индикатора времени формирования гумусового горизонта.

Лабильные почвенные свойства обладают не только временной динамикой средних, но и изменчивостью других статистических характеристик, таких, как дисперсии, коэффициенты асимметрии и т.п. Степень варьирования признаков может меняться в течение одного вегетационного периода, а может оставаться практически неизменной, может различаться как на одном поле в разные годы, так и в один год по полям (даже в том случае, если поля заняты одинаковыми культурами). Временная изменчивость дисперсий приводит к тому, что средние значения в разные сроки определяются с разной точностью, и для обеспечения равной точности необходима разная повторность в разные сроки. Наиболее заметно это для численности микроорганизмов.

Анализ большого объема данных позволяет обнаружить ряд новых закономерностей в соотношении отдельных статистических характеристик. Для ряда свойств обнаружены хорошо выраженные зависимости между логарифмами дисперсий и логарифмами средних значений (подвижные фосфор и калий, гумус, численность микроорганизмов). Показано, что для свойств, в сильной степени измененных человеком, вид зависимостей в течение ряда лет сохраняется, но коэффициенты регрессионных уравнений меняются очень сильно. Для «биологических свойств» наблюдается слабая зависимость коэффициентов уравнений от гидротермических условий.

Степень выраженности корреляционных связей между изучаемыми свойствами зависит от способов опробования (размеры образцов, местоположение участка опробования и его размеры). В пахотном слое дерново-подзолистых почв корреляционные связи между лабильными свойствами характеризуются неустойчивостью. Они проявляются в зависимости от года на разных объектах в разные моменты времени.

Корреляционные связи между значениями определенного свойства на одной глубине в разные сроки отражают существование его пространственных структур на обследуемой территории. Для лабильных свойств обнаружено существование эфемерных элементов организации, присутствующих в одни сроки и отсутствующих в другие. В зависимости от конкретного поля и года наблюдения временная устойчивость элементов неоднородности по изучаемым признакам может проявляться в разной степени. «Временная» эфемерность некоторых элементов неоднородности может сочетаться с устойчивостью их пространственного размещения. Наиболее устойчивые пространственные структуры отмечаются для влажности почвы и для содержания органического вещества.

В отдельные годы почвенные объекты (в конкретном случае поля на дерново-подзолистой почве) в многомерном пространстве признаков могут быть четко отделены друг от друга, тогда как в другие годы такого разделения не наблюдается. Это может свидетельствовать в пользу того, что характер погодных условий года как нивелирует, так и усиливает различие полей, как естественно им присущее, так и вызываемое антропогенным воздействием. Можно думать, что длительное существование пульсаций неоднородностей может в конечном итоге приводить к появлению морфологически различных почвенных образований.

Для численности микроорганизмов и показателей, зависящих от деятельности микрофлоры (например, остаточных количеств ксенобиотиков в почве) может быть предложена модель, основывающаяся на идее накопленного воздействия темпера-турно-влажностных условий. Показано, что зависимости для квантилей численности разного уровня от накопленного воздействия могут отличаться друг от друга.

Таким образом, на примере дерново-подзолистых почв демонстрируется степень и характер варьирования отдельных компонентов состав и свойств почв и роль этого феномена при получении количественных характеристик о почве и почвенном покрове.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Самсонова, Вера Петровна, Москва

1. Абрамова М.М. Сезонная изменчивость некоторых химических свойств лесной подзолистой почвы // Тр. Почв, ин-та им. В.В. Докучаева. 1947. Т.25. С. 228-273.

2. Аверкина С.С. Накопление в почвах остаточных фосфатов удобрений // Фосфатный режим почв Сибири. Новосибирск, 1985. С. 79-85.

3. Агапов В.И., Лебедева Г.Ф., Благовещенский Ю.Н., Самсонова В.П. Гербициды и почва (монография). М. Изд. МГУ. 1990. 100 с.

4. Александров В.Г. О неоднородности некоторых водно физических свойств выработанных торфяников. В сб.: Неоднородность свойств почв. 1984. С.41-48.

5. Алямовский Н. И., Жежель Н. Г. О пестроте распределения легкорастворимой фосфорной кислоты в почве//Почвоведение. 1934. № 5. С. 639—645.

6. Антоненко А.М. Никитина З.И. Динамика микробной биомассы в почвах таежного ландшафта Западной Сибири // Биодинамика и плодородие почвы. Таллин, 1979. С. 6972.

7. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М., Изд.МГУ, 1961.

8. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. Л.: Наука. 1980.187 с.

9. Аристовская Т.В. О некоторых итогах работ по международной биологической программе в области почвенной микробиологии // Закономерности развития почвенных микроорганизмов. Л.: Наука. 1975. С. 5-15.

10. Аристовская Т.В. Численность, биомасса и продуктивность бактерий // Ресурсы биосферы. Л.: Наука. 1975. Вып. 1. С. 241-259.

11. Бабарина Э.А., Мельникова Н. М. Фосфатный режим дерново подзолистых почв в длительных опытах // Агрохимия. 1987. № 11. С. 38-44.

12. Багданавичене З.П. Динамика изменения численности и биомассы бактерий в дерново-подзоли-стой супесчаной почве // Закономерности развития почвенных микроорганизмов. Л.: Наука. 1975. С. 26-37.

13. Базыкина Г.С., Роде А.А. Методы изучения водного режима почв. В сб." Принципы организации и методы стационарного изучения почв. М. Наука. 1976. С. 95-198.

14. Бакина Л.Г., Егорова Л.И. Динамика содержания и состава гумуса дерново подзолистых почв при известковании за две ротации севооборота // Система применения удобрений в севооборотах для получения планируемых урожаев С. х. культур. Горький, 1988. С. 5863.

15. Балтян К.И. Повышение эффективности удобрений в Нечерноземной полосе. М.:Россельхозиздат, 1971. 157 с.

16. Барановкая А.В. Об изменениях состава гумуса дерново подзолистой супесчаной почвы в годичном цикле // Почвоведение. 1961. № 2. С. 79-85.

17. Басевич В.Ф., Дмитриев Е.А. Влияние вывалов деревьев на почвенных покров //Почвоведение, №9. С. 134-142.

18. Басевич В.Ф. Неоднородность подзолистых почв в условиях агроценоза//Почвоведение. 1996. №10. С. 1176-1185.

19. Башкин В.Н., Лучицкая О.А., Орлинский Д.Б., Волошина О.Н. Тип распределения агрохимических показателей в почвах Московской области в зависимости от природных и антропогенных факторов// Агрохимия. 1991. № 11. С. 63-71.

20. Белобров В.П. Варьирование некоторых химических и морфологических свойств в дерново подзо-листых почвах в пределах элементарных почвенных ареалов и классификационных групп // Поч-венные комбинации и их генезиС. М.: Наука. 1972. С. 115-122.

21. Березовский В.А. Степанов С.Б., Политанская В.П. Пространственная вариация агрохимических свойств в пахотных почвах разного бонитета // Неоднородность свойств почв и урожайность С. х. культур в Северо Западной зоне РСФСР. Л., 1985. С. 9-14.

22. Берестецкий О.А., Ермолина А.В. Численность и биомасса микроорганизмов в дерново подзолистой почве под яровой пшеницей и горохом //Почвоведение. 1981. № 8. С.120-128.

23. Берлянт A.M., Мусин Щ.Р., Собчук ТВ. Картографическая генерализация и теория фракталов. М., 1998, 136 с.

24. Бигон М. Харпер Дж., Таунсенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества. T.l. М. Мир. 1989. 667 С.

25. Биндюков В.Г. , Дмитриев Е.А. Содержание подвижных форм соединений железа в образцах почвы малого объема. Вестн. Моск. ун-та., сер. 17. 1984. № 2.С. 18-24.

26. Благовещенский Ю.Н.,Дмитриев Е.А., Самсонова В.П. Квантильное представление данных в почвоведении // В сб. научн. трудов Почвенн. Ин-та им. В.В.Докучаева "Почвенные и агрохимические исследования с применением ЭВМ". 1981. С. 95-102.

27. Благовещенский Ю.Н., Милославская Г.М. Самсонова В.П., Гавва Н.И. Пространственная вариабельность численности бактерий в дерново-подзолистой почве под лесом // Материалы Всесоюз. Симпоз. Алма-Ата, 1982. С.130-131.

28. Благовещенский Ю.Н., Дмитриев Е.А., Самсонова В.П. Метод квантилей в исследовании изменчивости свойств почв //Почвоведение. 1983. № 2 . С. 125-134.

29. Благовещенский Ю.Н., Зайцева Т.Н., Самсонова В.П. Механическая прочность агрегатов дерново-подзолистой почвы//Научн. докл. высш. школы. Биол. науки, 1984,.№7. С.98-102.

30. Благовещенский Ю.Н., Дмитриев Е.А., Самсонова В.П. Применение непараметрических методов в почвоведении. М. Изд. МГУ. 1985. 97 С.

31. Благовещенский Ю.Н., Самсонова В.П., Дмитриев Е.А. Непараметрические методы в почвенных исследованиях. М.: Наука. 1987. 96 С.

32. Благовещенский Ю.Н., Агапов В.И. Лебедева Г.Ф., Самсонова В.П. Моделирование динамики содержания симазина в почве// Научн. докл. высш. школы. Биол. науки., 1987. №8, С. 98-102.

33. Благовещенский Ю.Н., Агапов В.И., Лебедева Г.Ф., Лунев М.И., Офман Г.Ю., Самсонова В.П. Оценка параметров распределения пестицидов в почве С.-х. угодий// Почвоведение. 1988. N5. С.105-122.

34. Благовещенский Ю.Н. Проблема генезиса данных в экологии // В сб.: Модели в природопользовании», Калининград. Изд. КГУ. 1989.

35. Благовещенский Ю.Н. Робастность и модели генезиса данных //В сб.: Компьютерный анализ данных и моделирование. Минск, 1998, стр.60—68.

36. Большаков В.А., Дмитриев Е.А., Жевелева Е.М. Самсонова В.П. Воспроизводимость энергодис персионного рентгеиофлуоресцентного метода анализа в связи с изучением валового состава почв. // Научи.докл.высш.школы. Биологич. науки. 1979. № 10.С.91-96.

37. Большаков В.А., Дмитриев Е.А., Рожков В.А., Фрид А.С., Свищев Л.Е., Сорокин С.Е. Метрологическая оценка методик, используемых в почвенно-агрохимическом анализе. Инструкция. М. Изд. Почвенного ин-та им. В.В.Докучаева. 1984. 18 С.

38. Борисова Г.Г. Сезонная динамика азота, фосфора и калия в почвах мелиорируемых аг-роценозов // Плодородие и мелиорирование почв Нечерноземья. Пермь, 1991. С. 53-59.

39. Боровский В.М. Опыт изучения варьирования некоторых свойств почв Южного Казахстана // Почвенные комбинации и их генезис. М.: Наука. 1972. С. 40-49.

40. Ботенков В.П. Варьирование агрохимических показателей глубокогумусной слабоподзолистой почвы // Почвоведение. 1970. № 2, С. 156-157.

41. Бутузова О. В. О влиянии древесных пород на микрорельеф и комплексность почв//Бот. журн., 1960.Т. 45. № 5. С.707-709.

42. Важенин И.Г., Лучина Е.И. Унификация методики взятия почвенных образцов в зоне воздействия техногенных выбросов в атмосферу //Химия в сельском хозяйстве. 1982. Т.ХХ. №4. С.41-43.

43. Важенин И.Г. Применение метода вариационной статистики в почвенно-агрохимических исследованиях//Почвоведение. 1963. №2. С.24-39.

44. Важенин И.Г., Долгополова Р.В., Снетков А.П. Микропестрота признаков и свойств почв в пределах почвенного разреза // Почвоведение. 1969. № 4. С. 24-39.

45. Важенин И.Г., Музычкин Е.Т., Прохорова З.А., Алешина Т.Н. О методике составления крупно масштабных почвенно-агрохимических картограмм в целях применения удобрений//Почвоведение. 1961. №4. С. 1-13.

46. Важенин И.Г., Музычкин И.А. Проведение крупномасштабных агрохимических исследований почв колхозов и совхозов // Руководство по составлению почвенных и агрохимических карт.М.: Колос, 1964.

47. Вадюнина А.Ф. Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грун-тоов. М.:Изд. МГУ, 1971.

48. ВАасилевич И.Г. Статистические методы в геоботанике. М., Наука. 1969. 232 с.

49. Васильев И.С. Водный режим дерново-подзолистых почв под лесом и пашней. //Современные почвенные процессы в почвах лесной зоны Европейской части СССР. М. Изд. Ан СССР, 1959. С.3-49.

50. Веденин О.Л., Ксенофонтова В.А. Динамика содержания гумуса в почвах Ленинградской области при интенсивном земледелии Н Почвоведение. 1982. № 1. С. 44-48.

51. Веселкина Р.В. Исследование зависимости содержания подвижного Fe от почвенных условий на примере почв Ленкоранской зоны.//Почвоведение. 1965.№4.С.64-69.

52. Витгефт А.Е. Статистический анализ некоторых показателей агрохимического картирования почв// Агрохимия. 1966. №9. С.95-102.

53. Витер А.Ф. Повышение почвенного плодородия различными обработками // Влияние технологии возделывания сельскохозяйственных культур на плодородие почвы. Каменная степь, 1985. С. 94-101.56