Почвоведение, 2019, № 7, стр. 773-780

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдения за климатическими изменениями, которые выполнялись на многих метеорологических станциях, подтверждают ставший уже достаточно актуальным тезис, что климатические параметры не являются постоянными, а подвергаются определенным колебаниям [6, 7, 9, 12, 14]. Исследованиями установлен основной климатический тренд, который показывает повышение температуры воздуха, сказывающийся на продолжительности метеорологических сезонов [5, 8].

Особое внимание привлекают исследования, которые направлены на выявление влияния климатических изменений на наземные экосистемы, их биоразнообразие и продуктивность [10, 14, 18]. Внутривековая климатическая цикличность имеет волнообразную динамику, которая отражается на состоянии почвенного покрова [16]. Наибольшую степень вариабельности среди почвенно-генетических характеристик показывает карбонатность и выщелоченность [3, 4, 11, 15]. Хохлова указывает, что карбонатное состояние черноземов – “чуткий индикатор колебаний климата, в большинстве его параметров климатические флуктуации проявляются очень быстро и могут быть зафиксированы в коротких почвенных хронорядах, где интервалы времени между почвами-точками хроноряда составляют 25–50 лет” [17].

Некоторые авторы [2, 13] также отмечают влияние значительного количества осадков с биологически активными температурами на изменение карбонатного профиля и ряда других почвенно-морфологических характеристик. Однако существует дефицит сведений о влиянии внутривековых климатических циклов на почвы и почвенный покров. Для решения таких задач, в частности, целесообразно использовать специализированные геоинформационные системы, которые позволяют выявлять изменения и качественные переходы границ почвенных контуров на основе крупномасштабных почвенных обследований.

Целью данного исследования явилось выявление реакции почвенного покрова на короткопериодические климатические изменения на основе анализа разновременных крупномасштабных почвенных карт с использованием ГИС-технологий.

В задачи исследования входило: 1 – проведение анализа метеорологических особенностей внутривекового климатического цикла, соответствующего периодам почвенных обследований в 70 и 90-е гг. прошлого века; 2 – выявление ответной реакции автоморфных черноземов (Chernozems) юга лесостепи на климатическую изменчивость с применением ГИС-технологий по результатам данных разновременного крупномасштабного картографирования.

Независимо от известных и неизвестных причин изменения климата экосистемам необходимо адаптироваться к его последствиям в окружающей среде. Поэтому очень важно рассмотрение реальных изменений структуры почвенного покрова, прежде всего, по уже имеющимся наблюдениям, и определить прогноз на будущее. Без этого невозможна реализация концепции устойчивого развития, которая сформулирована обществом на двадцать первый век. Предполагается, что устойчивое развитие может быть достигнуто только на основе разрешения рассматриваемых задач.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для выполнения поставленных задач были применены методические подходы по обработке разновременных крупномасштабных почвенных карт на тестовом объекте, в качестве которого был выбран Шебекинский район [16]. Затем технология работы была распространена на сопредельные с ним районы: Чернянский, Новооскольский, Яковлевский, Корочанский, Валуйский, Волоконовский районы и Староосколький городской округ (рис. 1).

Рис. 1.

Территория Белгородской области и районы исследования: 1 – Старооскольский городской округ, 2 – Чернянский район, 3 – Яковлевский район, 4 – Корочанский район, 5 – Новооскольский район, 6 – Шебекинский район, 7 – Волоконовский район, 8 – Валуйский район.

На территории Белгородской области первый тур почвенного обследования проводился в начале 70-х гг., второй тур – в 90-х гг. Данная информация была получена из архивов Федеральной службы регистрации, кадастра и картографии (Росреестр). Исполнителем работ вышеуказанных туров почвенного обследования являлся Государственный проектный институт по землеустройству (Гипрозем). Между почвенными обследованиями по районам области наблюдался в среднем двадцатилетний временной интервал. На основании крупномасштабных почвенных карт по землепользованиям хозяйств в масштабе 1 : 10 000 были составлены районные почвенные карты с последующим уменьшением их до масштаба 1 : 50 000. Для обоснования влияния внутривековой климатической изменчивости был предложен алгоритм анализа материалов повторных почвенных обследований (рис. 2).

Рис. 2.

Алгоритм анализа материалов повторных почвенных обследований для обоснования влияния внутривековой климатической изменчивости.

С помощью геоинформационной системы ArcGIS (в программе ArcMap) почвенные карты двух туров по изучаемым районам были переведены в цифровой вариант. Сформированные базы данных почвенных контуров послужили исходным материалом для выявления различий в состоянии почвенного покрова между турами обследования. Оцифрованные почвенные карты совмещались с топографической основой для выявления принадлежности почвенных ареалов к плакорным территориям и покатым склонам с крутизной поверхности 1°–3°, и в программе ArcGIS они привязывались к космическим снимкам. Было достигнуто лучшее совмещение почвенных контуров (при размере ячейки 10 м и аффинном преобразовании среднеквадратическая ошибка составила в среднем для всех карт 7 м). Эрозионная сеть выделялась на основании данных SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), а карты уклонов и экспозиций конвертировались в векторный формат. В результате использования функции “Пересечение” они объединялись в единый файл отражающий данные по преобразованию почв с возможностью установления площадей в различных их комбинациях. Бассейны рек 5–7 порядков были по топографической карте (М 1 : 10 000) разделены на правый и левый склон, данные внесены в атрибутивную таблицу. Для составления отчетов по площадям на разных экспозициях и берегах рек использован инструмент “Частота”, позволивший объединить преобразованные почвы по типу преобразования, экспозиции или берегу и получить суммы соответствующих площадей. После чего с использованием инструмента “Выбрать по атрибуту” получены необходимые данные для анализа.

Для характеристики метеорологических особенностей исследуемой территории был проведен сбор данных о климатических параметрах (осадках, средних температурах) по метеорологическим станциям Белгородской (Готня, Богородицкое – Фенино, Валуйки) и других сопредельных областей (Калач, Воронеж, Курск, Харьков) с использованием архивов Государственного фонда данных о состоянии природной среды. Рассчитаны значения гидротермического коэффициента для периодов почвенных обследований. С использованием геостатистических операций в программном комплексе ArcGIS 10.2 проведен подбор наилучшего метода интерполяции климатических параметров (осадков, среднегодовой температуры и гидротермического коэффициента). Наименьшие ошибки были отмечены при использовании радиальных базисных функций (полностью регуляризованный сплайн). Полученные карты прогнозных значений были преобразованы в растровые данные для удобства дальнейших исследований.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ метеорологических особенностей внутривекового климатического цикла, предшествующий первому почвенному обследованию (1951–1970 гг.), показал, что гидротермический коэффициент изменялся на территории обследования от 1.1 до 0.8 с севера на юг (рис. 3). В этот период среднегодовые температуры воздуха были ниже нормы. В период между турами обследования (1971–1990 гг.) они в целом были выше климатической нормы. Наблюдения за осадками выявили тренд в сторону их увеличения. Минимальные значения в ряду наблюдений отмечались в 1975 г. – 396 мм, уже в 1984 г. – 486 мм и в 1991 г. – 497 мм. Эта тенденция отмечалась в целом на исследуемой территории по значениям ГТК. В этот период наблюдалось заметное увеличение этого показателя до 1.1–1.33 единиц, по сравнению с его значениями до 1971 г. (0.8–1.1).

Рис. 3.

Гидротермический коэффициент по периодам: предшествующий первому туру почвенного обследования (1951–1970 гг.), предшествующий второму почвенному обследованию (1971–1990 гг.).

На западе области в Яковлевском районе в северной его части отмечалось среднегодовое количество осадков более 550 мм, в юго-западной части территории района обнаруживалось среднее значение этого параметра в диапазоне от 500 до 550 мм. Большая часть Шебекинского и Корочанского районов находятся в зоне увлажнения, характеризующейся средними значениями шкалы распределения осадков (500–550 мм). Значительная часть исследуемой территории Старооскольского, Чернянского, Новооскольского, Валуйского и Волоконоского районов вошла в зону максимального увлажнения с параметрами более 550 мм.

Характеристика среднегодовых значений температур имела определенную закономерность. Наблюдалось постепенное нарастание температур с северо-запада на юго-восток. Чернянский, Корочанский и северо-западная часть Старооскольского районов находились в зоне среднегодовых значений температур в интервале 6.6–7.0°С. В зоне значений 7.1–7.5°С находились следующие районы: Яковлеский, Шебекинский, Новооскольский и части Валуйского и Корочанского. Максимальные температурные условия складывались в Валуйском и Волоконовском районах, достигая среднегодовых значений более 8.5°С.

В результате анализа состава почв исследуемых территорий за период между первым и вторым турами крупномасштабного почвенного обследования в Валуйском, Яковлевском, Волоконовском и Старооскольском районах Белгородской области установлено, что на месте ареалов черноземов типичных (Haplic Chernozems (Loamic, Pachic)) выявлены черноземы выщелоченные (Luvic Chernozems (Loamic, Pachic)), преимущественно на склонах северной и восточной экспозиций, что связано с динамикой залегания карбонатов в почвенном профиле. Период 1971–1991 гг. характеризуется более высокими значениями ГТК: в среднем на 0.26 выше по сравнению с предыдущим периодом (рис. 3). Наибольшему увлажнению подверглись южные районы (Шебекинский, Корочанский, Валуйский, Волоконовский), в которых ГТК повысилось на 0.25–0.37 по сравнению с предыдущим периодом обследования. На территории этих районов на почвенных картах установлены значительные трансформации ареалов черноземов типичных в выщелоченные. Гипотеза исследования о том, что в условиях повышения значений ГТК происходит изменение линии вскипания у черноземов, приводящая к изменению таксономической принадлежности почв на уровне подтипа, подтверждается, но только при условии повышения ГТК более чем на 0.2. Исходя из полученных данных, выявилась закономерная ситуация, связанная с понижением линии вскипания в черноземах типичных на территории семи из восьми изученных районов (кроме Старооскольского городского округа).

Пространственная трансформация почвенных ареалов исследуемых районов Белгородской области отражена на рис. 4. При визуализации полученного картографического материала выявились некоторые закономерности распространения изучаемых почвенных ареалов. Преобладающим фоном выделяются площади, не подверженные трансформации изучаемых подтипов черноземов (Chernozems). Почвенный покров в целом устойчив к краткосрочным климатическим изменениям. Однако на территории Валуйского, Яковлевского, Волоконовского и Чернянского районов наблюдается заметная трансформация некоторых почвенных ареалов. Отмечается возрастание площадей черноземов выщелоченных (Luvic Chernozems) на месте типичных (Haplic Chernozems). Визуально они выделяются в виде массивов большой площади. В северной и центральной частях – на территории Корочанского, Шебекинского, Новооскольского и Старооскольского районов – также отмечается распространение выщелоченных черноземов на месте типичных, однако их доля существенно ниже. Применение ArcGIS дало возможность получить количественные показатели площадей измененных ареалов.

Рис. 4.

Пространственная трансформация почвенных ареалов исследуемых районов Белгородской обл.

В табл. 1 представлены результаты обработки картографических материалов в ArcGIS по всем районам области, имеющим материалы повторных почвенных обследований в 70-е и 90-е гг. По результатам проведенных работ установлено, что третья часть почвенных контуров на территории исследуемых районов претерпела изменения 125 790 га (38.5%), не подверглась изменениям площадь 328 885 га (61.5%). Наибольшая площадь измененных почвенных ареалов отмечалась на территории Валуйского района – 19 080 га, наименьшая – на территории Старооскольского района 10 020 га.

По изученным районам, включая тестовый объект (Шебекинский район) значения измененных ареалов черноземов (Luvic Chernozems), относительно площадей неизмененных почв, приведенных в скобках составили соответственно: Валуйский район 19 080 га (3088 га); Новооскольский 14815 га (24 400 га); Чернянский 13 480 га (30 898 га); Корочанский 20 035 га (18 733 га); Шебекинский 14 113 га (35 241 га), Староскольский 10 020 га (37 890 га), что составляет от 20 до 86%.

В границах Валуйского района на крупномасштабных картах выявлены ареалы трансформированных выщелоченных черноземов (Luvic Chernozems) (на 11 244 га) больше, чем типичных (Haplic Chernozems). Анализ почвенного покрова в других административных районах свидетельствуют, что на территории Яковлевского (на 5003 га), Волоконовского (на 2778 га), Чернянского (на 2144 га) районов такая тенденция сохраняется, но на меньшей площади. В целом на исследуемой территории отмечается увеличение площадей выщелоченных черноземов на 21 150 га.

Изменение площади почвенных контуров наблюдалось наиболее интенсивно на левых берегах рек: Корень, Короча, Оскол, Нежеголь. На территории Чернянского района выявлено 2144 га измененных ареала, занятых выщелоченными черноземами. В Корочанском районе эта площадь составляет 2118, в Шебекинском районе 1619, в Новооскольском районе всего 583 га.

Гипотеза также подтверждается на территории Волоконовского района так как наблюдается увеличение ареалов выщелоченных черноземов (Luvic Chernozems) на фоне уменьшения площадей типичных черноземов (Haplic Chernozems), которые составляют 2778 га. По результатам пространственного анализа на территории Старооскольского района отмечена наименьшая трансформация ареалов из черноземов типичных в выщелоченные.

Анализ распределения почвенных контуров по экспозициям склонов (табл. 2) показывает, что наибольшее распространение измененные ареалы выщелоченных черноземов получили на склонах северных экспозиций, что в целом составляет 33 647 га, наименьшие площади на склонах восточной экспозиции – 7666 га.

В целом по изучаемым районам наблюдалось заметное увеличение ареалов выщелоченных черноземов на плакорах и пологих склонах до 3°.

Гипотеза исследования, утверждающая, что в условиях циклогенеза происходит динамика линии вскипания у черноземов, приводящая к изменению таксономической принадлежности почв на уровне подтипа, подтверждается только на территории некоторых районов. Исходя из полученных данных, наиболее ярко выраженной становится ситуация, связанная с понижением линии вскипания в черноземах типичных на территориях в Корочанском, Новоскольком, Волоконовском и Валуйском районах.

В результате проведенных исследований был подготовлен реестр крупномасштабных картографических материалов и почвенных описаний разных туров почвенного обследования, соответствующих периодам различных фаз внутривековых гелиоклиматических циклов. Была сформирована электронная база данных почвенных ареалов изучаемой территории. Она предназначена для выявления трансформации системы почвенных контуров на картах разновременных периодов почвенного обследования территории юга лесостепи Среднерусской возвышенности, а также для хранения базовых слоев почвенного и климатического характера в виде гридов, где каждой ячейке соответствует определенная информация. База данных может применяться для сбора информации с целью мониторинга состояния почв и почвенного покрова, для актуализации бонитировочных земельно-оценочных работ по турам кадастровой оценки земель, а также для принятия управленческих решений в области рационального использования земельных ресурсов и устойчивому развитию территории юга Среднерусской возвышенности [1].

Работа с программой ArcGIS позволила с высокой точностью использовать приемы сравнительного анализа разновременных почвенных карт крупного масштаба, как инновационное приложение в системе почвенно-экологического мониторинга.

ВЫВОДЫ

1. Период, предшествующий первому почвенному обследованию, характеризовался среднегодовыми температурами ниже нормы, гидротермический коэффициент изменялся от 1.1 до 0.8 с севера на юг. В период между первым и вторым турами почвенного обследования наблюдалось увеличение количества осадков, и гидротермический коэффициент заметно увеличивался от 1.1 до 1.33 единиц. Наибольшее увлажнение отмечалось на территории районов: Шебекинский, Корочанский, Валуйский и Волоконовский, в которых ГТК повысился на 0.25–0.37, по сравнению с предыдущим 20-летним периодом обследования.

2. На изучаемой территории почвенный покров в целом устойчив к краткосрочным климатическим изменениям, о чем свидетельствует проведенный ГИС-анализ площадей ареалов почв не подверженных изменениям по турам обследования. Эта площадь составляла 328 885 га (61.5%). Трансформированные ареалы почвенных подтипов составляли третью часть почвенных контуров на территории исследуемых районов – 125 790 га (38.5%). Наибольшая площадь измененных почвенных ареалов отмечалась на территории Валуйского района – 19 080 га, наименьшая – на территории Старооскольского района 10 020 га.

3. В условиях циклогенеза наблюдалось варьирование линии вскипания у черноземов, приводящей к изменению таксономической принадлежности почв на уровне подтипа. Данные трансформации могут быть рассмотрены в качестве отклика почвенного покрова на короткопериодические климатические флуктуации. Этот морфологический признак наиболее заметно варьирует в черноземах типичных на территории Корочанского, Новоскольского, Волоконовского и Валуйского районов в пределах юга Среднерусской возвышенности.

4. Наибольшей трансформации подвергались почвенные ареалы, расположенные на склонах северной экспозиции, что в целом составило 33 647 га, наименьшие площади отмечены на склонах восточной экспозиции – 7666 га.