Россия
УДК 332.05 Динамичные, качественные и количественные аспекты. Изменения (трансформации, преобразования, превращения). Прогресс.Регресс
УДК 519.25 Обработка статистических данных
Анализ вероятностно-статистических распределений (ВСР) содержания гумуса (СГ) в пахотных каштановых почвах и черноземах южных выявил наличие тенденций к снижению СГ в пахотном слое и его увеличению ниже по профилю, при уменьшении энтропии в отдельных слоях до 65%. Информационная дивергенция ВСР СГ в легкосуглинистых почвах больше, чем в супесчаных и среднесуглинистых. Выявленные изменения являются следствием взаимодействия антропогенных, почвенных, климатических и экзогенных процессов.
каштановые почвы, чернозем южный, трансформация, содержание гумуса, вероятностные распределения, энтропия, дивергенция
Актуальность. Трансформация почв и почвенного покрова под действием естественных и антропогенных процессов приводит к изменению вероятностной структуры значений почвенных свойств [1]. Поэтому нами использованы информационные характеристики вариабельности почвенных свойств. Они закономерны и обладают чувствительностью даже при довольно близких условиях, поэтому являются более надежным средством оценки различий, чем средние значения и статистические характеристики варьирования параметров. Они позволяют: 1) проводить более раннюю и точную диагностику нежелательных процессов и более дифференцированную оценку их результатов; 2) выделять наиболее уязвимые разновидности; 3) ранжировать естественные и антропогенные воздействия по величине их влияния на свойства почвы.
Объекты и методы исследования. Количественная модель состояния почвы представляет собой совокупность вероятностных распределений почвенных свойств в горизонтах почвы в пределах исследуемого объекта. Величина информационной дивергенции, вычисляемая как количественный показатель различий вероятностных распределений свойств почвы:
где W1(x) и W2(x) – функции вероятностных распределений изучаемого свойства в сравниваемых объектах, использовалась для оценки степени трансформации вариабельности свойств почв в связи с протеканием естественных и антропогенных процессов [2].
В работе проведено моделирование вариабельности содержания гумуса в почвах различного гранулометрического состава юго-западной части Кулундинской равнины и правобережной части Прииртышской равнины. Проведены расчеты информационной энтропии и дивергенции содержания гумуса, вызванной дефляцией и сельскохозяйственным использованием.
Обсуждение результатов.
Анализ динамики свойств почв при различных антропогенных воздействиях и естественных процессах показал, что в пределах даже однородных объектов эти изменения в разных точках различны по величине и даже отличаются по знаку, но, тем не менее, как правило, существует превалирующая тенденция. Поэтому для адекватной оценки изменений почв, необходимо их количественно охарактеризовать в целом. Для чего использованы вероятностные распределения, которые отражают два структурных уровня – внутреннего строения из элементов с разной выраженностью свойств и детерминации системы.
Основные типы распределений содержания гумуса в почвенных слоях – Ln-нормальное, Максимального значения – распределения, характеризующиеся существенной правой асимметрией и более или менее широким центром. Другая группа распределений: Нормальное, Двойное экспоненциальное, Логистическое, Лапласа, Коши – относятся к симметричным распределениям, с различной степенью выраженности центральной части.
При утяжелении гранулометрического состава и зональном изменении климата, с юга на север, соблюдается закономерность "волны" вероятностно-статистических распределений содержания гумуса (рис.1).
Рисунок 1. Вероятностно-статистические распределения содержания гумуса в пахотном горизонте почв юга Западной Сибири
При этом вероятностно-статистические распределения содержания гумуса смещаются вправо по оси ОХ, однако в близких по факторам почвообразования почвах они существенно пересекаются. Изменения почв под влиянием дефляции, длительного земледельческого использования, на фоне климатических изменений, не приводят к значительным смещениям этих функций, но происходит перестройка вариабельности. Графический анализ трансформации вероятностных распределений за исследуемый период выявил две тенденции – уменьшения содержания гумуса в поверхностном слое и увеличении его количества в более глубоких слоях.
Изменения ВСР СГ под влиянием дефляции в разновидностях каштановых почв не велики, но они различны при разном гранулометрическом составе (табл. 1).
Таблица 1 - Информационная дивергенция содержания гумуса в каштановых почвах при дефляции и длительном пахотном использовании
|
Вариант |
(Недефл.) - (Дефл.) (Ап) – (Ап) |
(Объединен.1965) – (1975) |
||||
|
(Ап) – (Ап) |
(В1) – (В1) |
|||||
|
|
Дивер-генция |
Направ-ление* |
Дивер-генция |
Направ-ление |
Дивер-генция |
Направ-ление |
|
Кпс |
0,6 |
- - |
Не опр. |
Не опр |
Не опр |
Не опр |
|
Ксп1 |
0,1 |
0 - |
0,1 |
0 + |
0,1 |
+ + |
|
Ксп2 |
0,2 |
- - |
0,1 |
+ - |
0,1 |
0 - |
|
Клс |
0,6 |
- - |
0,1 |
+ + |
0,7 |
+ - |
*Направление – два знака («минус», «плюс» или «ноль») обозначают убывание, возрастание или постоянство нижней и верхней границы варьирования. Обозначения: Кпс- каштановая связнопесчаная, Ксп1 – каштановая легкосупесчаная, Ксп2 – каштановая тяжелосупесчаная, Клс – каштановая легкосуглинистая.
Наибольшие изменения содержания гумуса в сторону уменьшения происходят в связнопесчаных и легкосуглинистых почвах. При длительном использовании в пашне при почвозащитном земледелии происходит обратное изменение в сторону увеличения, но меньшее по величине. Трансформация свойств пахотного горизонта при длительном использовании сопровождается положительными изменениями содержания гумуса глубже по профилю, что наиболее сильно выражено в легкосуглинистых почвах.
Статистическая энтропия является характеристикой природной вариабельности свойств почвы. Значения этого показателя для содержания гумуса в поверхностном горизонте почв при утяжелении гранулометрического состава и зональных климатических изменениях, с юга на север, существенно возрастают, что говорит об увеличении вариабельности содержания гумуса в почвах.
В каштановых почвах энтропия СГ в верхнем горизонте изменяется от 0,4 до 0,8, она минимальна в тяжелосупесчаной почве – 0,15 (Рис. 2). Каштановые тяжелосупесчаные почвы представляют собой «центральный образ» исследованной части Кулундинской степи и занимают около 30% территории. Эти почвы подвергались дефляции, что, однако не привело к существенным изменениям их параметров. Они проявляли устойчивость к изменениям, о чем также свидетельствует стабильность статистической энтропии содержания гумуса (Рисунок 2). В каштановых почвах других разновидностей энтропия СГ при дефляции заметно уменьшилась. Почвозащитное полосное земледелие (для остановки и предотвращения дефляции) привело к повышению содержания гумуса и значительному росту энтропии.
Рисунок 2. Статистическая энтропия содержания гумуса в разновидностях каштановых почв при дефляции и почвозащитном земледелии
Графический анализ и сравнение ВСР СГ показали наличие положительной тенденции, заключающейся в увеличении СГ в черноземах южных в слоях 20-30, 30-50 и 50-100 см. Однако, вследствие произошедшей трансформации ВСР СГ, оно сопровождалось уменьшением статистической энтропии до 65% от исходной величины (табл. 2).
Таблица 2 - Информационные характеристики изменения ВСР СГ в черноземах южных
|
Слой почвы, см |
Статистическая энтропия |
Приращение энтропии (1989)-(1963) |
Информационная дивергенция (1989)-(1963) |
|
|
Год |
1963 |
1989 |
||
|
Легкосуглинистые |
||||
|
|
|
|
|
|
|
0-20 |
0,80 |
0,34 |
-0,46 |
0,45 |
|
20-30 |
0,69 |
0,74 |
0,05 |
0,55 |
|
30-50 |
0,42 |
-0,23 |
-0,65 |
4,49 |
|
50-100 |
-0,31 |
-0,25 |
0,06 |
1,22 |
|
∑ по профилю |
1,60 |
0,6 |
-1,0 |
6,71 |
|
Среднесуглинистые |
||||
|
0-20 |
0,75 |
0,48 |
-0,27 |
0,18 |
|
20-30 |
0,81 |
0,78 |
-0,03 |
0,53 |
|
30-50 |
0,35 |
-0,14 |
-0,49 |
2,50 |
|
50-100 |
- 0,25 |
-0,56 |
-0,31 |
2,18 |
|
∑ по профилю |
1,66 |
0,56 |
-1,1 |
5,39 |
Это свидетельствует об уменьшении внутреннего разнообразия почвы. Поэтому состояние черноземов существенно изменилось, несмотря на то, что сами абсолютные величины содержания гумуса практически не вышли за пределы интервалов варьирования на начало исследуемого периода.
Информационная дивергенция содержания гумуса в почвенных слоях существенно различается. Если в пределах тридцатисантиметровой толщи информационная дивергенция за исследуемый период умеренная, равная по величине от 0,18 до 0,55, то в более глубоких слоях, особенно в слое 30-50 см весьма значительная до 4,5 (Таблица 2). Наибольшая величина информационной дивергенции в этом слое объясняется существенным изменением интервала варьирования [3].
В легкосуглинистых черноземах суммарная по профилю информационная дивергенция содержания гумуса за исследуемый период равна 6,71. Здесь она заметно больше, чем в среднесуглинистых почвах, где она равна 5,39. Это говорит о том, что состояние легкосуглинистых черноземов южных, изменилось относительно более сильно, чем состояние среднесуглинистой разновидности.
Заключение
Снижение содержания гумуса в пахотном слое почвы, тенденция к его росту в нижележащих слоях, сопровождаемое значительным уменьшением статистической энтропии, а, следовательно, уменьшением природного варьирования и разнообразия, являются основными закономерностями длительного пахотного использования почв на юге Западной Сибири.
1. Михеева И.В. Вероятностно-статистическая оценка устойчивости и изменчивости природных объектов при современных процессах (на примере каштановых почв Кулундинской степи). Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 103 с.
2. Михеева И.В. Дивергенция вероятностных распределений свойств почв как количественная характеристика трансформации почвенного покрова // Сибирский экологический журнал. 2009. №.2. С. 231-236. EDN: https://elibrary.ru/KJAOXD
3. Михеева И.В., Оплеухин А.А. 30-летние изменения вероятностных и информационных характеристик содержания гумуса в черноземах южных Западной Сибири // «Живые и биокосные системы». 2015. № 13. URL://www.jbks.ru/archive/issue-13/article-9 EDN: https://elibrary.ru/VOUYBT
