CC BY
6
ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ ПОЧВЕННОГО УГЛЕРОДА
НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ Шепелев А.Г.
Шепелев Андрей Геннадиевич - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория криогенных ландшафтов, Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирское отделение Российской Академии наук, г. Якутск
Аннотация: выявленные количественные оценки запасов углерода в мерзлотных почвах могут быть использованы в комплексных почвенных и мониторинговых экологических изысканиях. Для составления показателей устойчивости биологических сред, в частности углерода, в ландшафтах (экосистеме) в условиях меняющегося климата и антропогенного давления на мерзлотные почвы. Полученные результаты применимы в сельскохозяйственном секторе центральных районов Республики Саха (Якутия) как мера предотвращения деградации плодородного слоя с различной интенсивностью использования земельного фонда.
Ключевые слова: органический углерод, тематические карты, запасы углерода.
GEOINFORMATIONAL MAPPING OF SOIL CARBON ON THE EXAMPLE OF
CENTRAL YAKUTIA Shepelev A.G.
Shepelev Andrey Gennadievich - Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, LABORATORY OF CRYOGENIC LANDSCAPES, PERMAFROST INSTITUTE NAMED AFTER P.I. MELNIKOV SIBERIAN BRANCH OF THE RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCES, YAKUTSK
Abstract: the identified quantitative estimates of carbon stocks in permafrost soils can be used in integrated soil and environmental monitoring surveys. To compile indicators of the stability of biological environments, in particular carbon in landscapes (ecosystem) in a changing climate and anthropogenic pressure on frozen soils. The obtained results are applicable in the agricultural sector of the central regions of the Republic of Sakha (Yakutia) as a measure to prevent the degradation of the fertile layer with different intensity of land use. Keywords: organic carbon, thematic maps, carbon stocks.
Введение.
Математические и статистические методы в ГИС, значительно расширяют применение сервисов баз данных углерода. Например, база данных углерода циркумполярных почв - The Northern Circumpolar Soil Carbon Database (NCSCD) [1] направлена на решение проблемы роли многолетней мерзлоты в глобальном цикле углерода. NCSCD связывает 1778 почвенных педонов от северных районов вечной мерзлоты до нескольких оцифрованных региональных и национальных почвенных карт для создания комплексного циркумполярного покрытия. В совокупности эти наборы данных используют для количественной оценки законсервированного почвенного органического углерода в верхнем слое почвы на глубине 0-30 см и ниже 1 м. Используя эту базу С. Тарнокай [2] оценил количество органического углерода в северной зоне вечной мерзлоты в пределах 191 Пг для верхнего слоя почвы и 496 Пг для первого метра почвы, на глубине почвы 3 м - 1024 Пг, из которых торфяные почвы вносят 911 Пг органического углерода. С условными значениями почвенного органического углерода в более глубоких отложениях (>3 м) оценивается в 407 Пг для лессовых отложений плейстоцена (едомные отложения) и 241 Пг для дельтовых отложений. В целом общая расчетная оценка составляет 1672 Пг, из которых 1466 Пг хранятся в многолетнемерзлых отложениях. На основании этого и других исследований [3] предоставляет оценку в диапазоне 1400-1850 Пг органического углерода для арктической области в минеральных почвах, торфяниках, глубоких аллювиальных отложениях и ледовых комплексах. Результаты этих и других исследований, посвященных захоронению почвенного органического углерода в условиях вечной мерзлоты [4] предполагают, что оценки глобальных запасов углерода могут быть недооцененными в 2 раза и более для субарктических и арктических экосистем. Связано это с преуменьшением значимости определения законсервированного углерода в криотурбированных и органических почвах. Однако сравнение и расчет между разными методологическими подходами затруднителен, поскольку терминология и определения различаются, как и размеры регионов апскейлинга (приведение большого масштаба описания процесса к масштабу имеющихся измерений). Северные районы вечной мерзлоты занимают площадь 18,7^106 км2, которые включают альпийские и тундровые экосистемы - 8,8^106 км2, а также регионы бореальных лесов в Северной Америке и Сибири -12х106 км2) [2]. Более того не учтенными остаются участки с прерывистыми зонами вечной мерзлоты, где большая часть ландшафта может фактически быть без мерзлого основания.
Таким образом, картографирование углерода покровных и подстилающих многолетнемерзлых отложений на информационной основе базы данных углерода циркумполярных почв как набора полигональных данных географической информационной системы, полученных из различных региональных почвенных карт, распространения многолетней мерзлоты, а также собственные данные представляется перспективным и актуальным решением поставленных задач исследования. База данных позволяет использовать периодически обновляющийся набор данных с координатной привязкой на основе полигонов, доступных в виде Tiff-файлов и двоичного формата файлов Network Common Data Form.
Объектом исследований является почвенный органический углерод, законсервированный в Центральной Якутии. Предметом является картографирование запасов органического углерода в почвах и многолетнемерзлых породах в интервале толщи от 0,2 до 4 м.
Цель работы заключается в отображении количественных оценок углерода с помощью современных географических информационных технологий.
Материалы и методы.
Векторный метод картографирования запасов углерода, процесс создания карт запасов углерода на территории Центральной Якутии и состоял из трех этапов:
1. Сбор и подбор исходных картографических данных наиболее приемлемых к цели и задачам исследований.
2. Создание проекта в кроссплатформенной геоинформационной системе QGis (QGis): загрузка и редактирование исходных картографических данных, добавление исходных статистических данных, добавление онлайн картографической подложки, оформление стилей (цвета, толщина линий, оформление границ полигонов, подписи и т. п.) для векторных слоёв с картографическими данными.
3. Группировка исходных статистических данных запасов органического углерода исходя из мощностей залегания в почве. Создание тематических карт, применение градуированных шкал для окраски участков (метод картографирования - количественный фон). Создание макетов карт и окончательное оформление карт, добавление условных обозначений, градуированных шкал, масштаба, названий. Компоновка 3-х сборных макетов карт, на каждом из которых было размещено по 5 карт, в соответствии с типом углерода.
Описание и обоснование некоторых моментов в процессе создания данных карт и работе в QGIS (рис. 1 ):
Рис. 1. Рабочая область кроссплатформенной геоинформационной системы QGis с созданными атрибутивными
таблицами
1) в качестве инструмента для создания карт была выбрана QGIS, так как это бесплатное программное обеспечение, имеющее очень большой выбор инструментов и средств анализа, с возможностью построения сложных и многокомпонентных карт;
2) в качестве системы отсчета использован геоцентрический датум WGS84 и система координат World Mercator, как одна из наиболее универсальных;
3) в качестве исходных картографических данных были использованы:
- онлайн растровые подложки Open Street Map, Google Satellite, Яндекс карты и Яндекс спутник, добавленные в проект с помощью модуля QGIS «Quick Map Services»;
- на основе растровых подложек построена векторная модель географических данных территории Центральной Якутии (административно-территориальная дифференциация), границы районов и реки Якутии в формате Shape-файл;
4) Формирование основного слоя с данными, полученными в результате лабораторного анализа запасов углерода и на их основе статистических показателей, происходило путём добавления атрибутивных табличных данных в виде точек с координатами. После этого на основе границ ландшафтных комплексов проведён многокомпонентный анализ. В результате этого построены полигоны на всю территорию Центральной Якутии. Каждому полигону были присоединены данные о запасах углерода по основным типам ландшафтов и мощностям (слоям) залегания углерода.
Методические сложности при составлении любых тематических карт возникают вследствие погрешностей из-за искажений границ ареалов в приближении средних запасов углерода ко всем почвенным глубинам, появляющейся в результате высокой вариативности содержания углерода. Каждый класс выборки был статистически достоверным для его использования в региональных базах данных. Компилировать большой массив выборки практически невозможно, что требует значительных затрат на снаряжение экспедиций и зачастую труднодоступности мест отбора образцов в полевых исследованиях. Однако общее количество точек отбора в базе данных не определяет точность, ключевым фактором является репрезентативность каждого отдельного класса в базе данных [5, 6].
Результаты и обсуждение.
На рис. 2 показаны запасы органического углерода в Центральной Якутии. Наибольшее количество органического углерода (Сорг) зафиксировано в метровом слое почвы, в котором сосредоточено 58-89% в зависимости от оцененной мощности. Значительные запасы углерода связаны с Лено-Амгинской аласной провинцией в двух типах местности: межаласный и аласный, также локальные всплески максимальных значений наблюдаются в Лено-Вилюйской провинции на заторфованных участках и в смешанных лесах. Отметим, что доля этих запасов от общей оценки углерода на территории составляет меньшую часть. Многолетнемерзлые слои (3 и 4 м) повышают общий фонд углерода на 11 и 42%. В пахотном слое (0,2 м) запасы органического углерода находятся на критическом уровне - 0,3 кг/м2 вследствие превалирования песчаной почвы и грядовых форм рельефа. Максимальные запасы для этого слоя составляют 25,6 кг/м2, что характерно целинным почвам с высоким содержанием органических веществ и смешанным типом лесов. Наши расчеты показали, что депонированный Сорг в метровом слое составляет 68-71% от общих запасов углерода в почве. В 2-х метрах заключено 55-61% Сорг, в 3-х метрах 50-58% и в 4-хметровом слое - 48%.
Проведенный статистический анализ углерода показал о его значительной изменчивости на различных глубинах (рис. 3). Средством статистического описания полученных рядов для экспериментальных данных использовалось уравнение регрессии первого порядка, так как уравнения более высоких порядков не приводили к повышению точности результатов, определяющих зависимость запасов углерода от изучаемого слоя или территориальной принадлежности. Объем выборки числовых данных составил 15 зависимых и свыше 88 независимых случайных величин.
Рис. 2. Запасы органического углерода в различных глубинах почвы и многолетнемерзлых пород, кг/м2
q-q Plot Data
Рис. 3. Результаты статистических моделей вариации распределения органического углерода по глубинам
Коэффициент детерминации (Я2) выявил сильные зависимости переменных в каждом из показателей углерода. Так, на фоне органического углерода он составил - 0,93. При оценке линейных регрессионных моделей это интерпретируется как соответствие модели данным и их правильности, с наименьшим числом ошибок. Распределение углерода с большим числом набором данных в слоях 0-0,2, 0-1 и 0-2 м имеют
скачкообразные и частые значения, тогда как в нижних слоях происходит выравнивание кривой с отдельными пиковыми скачками. Подобный эффект обнаруживается из-за меньшего массива данных, отобранных в 3 и 4 м в полевых условиях. Стандартное отклонение из выборки данных составило для слоев 0-0,2, 0-1, 0-2, 0-3 и 0-4 м: 6,6; 10,8; 15,8; 17,5 и 12,9 Сорг соответственно. Стандартное отклонение в сравнении со средними показателями запасов углерода обнаружило сильное расхождение в наборе данных, что и прослеживается на графических моделях. Интерквартильный размах (IQR) показывает разброс средних 50% набора данных и помогает определить значения, которые находятся за пределами данных. Значения этого индекса для всего массива данных менялось от 1 до 29%. Высокий процент IQR соответствовал максимальным запасам углерода вне зависимости от исследуемого слоя. Меньший IQR -минимальным запасам. Заключение.
Данные, представленные на картах, свидетельствуют о большом количестве углерода, запасенного в почвах северной циркумполярной криолитозоны. Новые оценки помогут обеспечить более надежное предсказание последствий локальных изменений в фонде углерода.
1. Обследованная общая площадь территории оценивается приблизительно в 177 тыс. км2 и содержит запасов органического углерода:
- от 4,7 до 27 кг/м2 на глубине 0-0,2 м;
- от 14 до 33 кг/м2 на глубине 0-1 м;
- от 20 до 53 кг/м2 на глубине 0-2 м;
- от 25 до 45 кг/м2 на глубине 0-3 м;
- от 30 до 55 кг/м2 на глубине 0-4 м.
Список литературы /References
1. Tarnocai C., Swanson D., Kimble J., Broll, G. Northern Circumpolar Soil Carbon Database // Research Branch, Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa, Canada (digital database), 2007.
2. Tarnocai C., Canadell J., Mazhitova G., Schuur E.A.G., Kuhry P., Zimov S. Soil organic carbon stocks in the northern circumpolar permafrost region // Global Biogeochem. Cy., 2009. V. 23. GB2023.
3. McGuire A.D., Anderson L.G., Christensen T.R., Dallimore S., Guo L., Hayes D.J., Heimann M., Lorenson T.D., Macdonald R. W., Roulet N. Sensitivity of the carbon cycle in the Arctic to climate change // Ecol. Monogr. 2009. V. 79. P. 523-555.
4. Ping C.L., Michaelson G.J., Jorgenson M.T., Kimble J.M, Epstein H., Romanovsky V.E., Walker D.A. High stocks of soil organic carbon in the North American region // Nat. Geosci, 2008. № 1. P. 615-619.
5. Чинилин А.В., Савин И.Ю. Крупномасштабное цифровое картографирование содержания органического углерода почв с помощью методов машинного обучения // Бюл. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева, 2018. Вып. 91. С. 46-62.
6. Чернова О.В., Голозубов О.М., Алябина И.О., Щепащенко Д.Г. Комплексный подход к картографической оценке запасов органического углерода в почвах России // Почвоведение, 2021. № 3. С. 273-286.
