ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА НА ОСНОВЕ ШКАЛЫ

ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА НА ОСНОВЕ ШКАЛЫ МАНСЕЛЛА
И ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ
Е.В. Сиунова, Ю.Г. Пузаченко, А.В. Варлагин,
Д.Н. Козлов, М.Ю.Пузаченко, М.В. Федяева.
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова,
Географический факультет МГУ
Оценка запасов углерода в почве рассматривается как важная
составляющая при исследовании цикла углерода в биосфере. Вместе с тем
анализы его содержания для самых разнообразных почв на репрезентативной
для ландшафта выборке весьма трудоемки. В связи с этим естественен поиск
методов оценки содержания углерода на единицу веса образца по косвенным
легко наблюдаемым или легко измеримым признакам. Такими могут быть
плотность почвы, определяемая с помощью бура Качинского или
специального бура для отбора образцов на плотность и шкала Манселла.
В рамках проекта Terrestrial Carbon Observation System Siberian, Шестой
программы Европейского сообщества на территории заповедника было
осуществлено бурение почвы мотобуром Кобра, с помощью которого
отбирается сплошная колонка постоянного диаметра до глубины в один метр.
Сорок точек были расположены таким образом, чтобы охватить весь
диапазон почв: от палево-подзолистых до торфянистых. Колонка разделялась
на образцы известного объема с шагом в 5 см для верхних 10 см и далее по
10 см. Для каждого образца определялся цвет по Манселлу, полевая
влажность, плотность почвы. Для 248 отобранных и очищенных от корней
образцов было определено содержание углерода и азота (Институт
биогеохимии Макса Пданка, Германия). Среднее содержание углерода по
всей выборке было 0.0328591 г на куб см при максимуме 0.127292 и
минимуме 0.000405, в процентах соответственно: 15.22936, 0.022614,
61.04976 и азота % 0.584222, 0.001188, 2.483556.
Содержание углерода в % от сухого веса почвы надежно описывается через
ее плотность (табл.1, рис.1) со стандартной среднеквадратической ошибкой
6%.
Табл. 1 Параметры экспоненциальной модели «процент содержания углерода в почве
(С%) – плотность почвы (D)» С%=aexp(bD) по нелинейной оценке.
Оценено 90.970% вариации
Параметр
а
b
Оценка
Стандартная ошибка
t –критерий
p-level
61.73642
1.50787
40.94267
0.00000
-2.6193
0.1241
-21.1078
0.0000
Содержание углерода, %
1
Плотность почвы
Логарифм содержания углерода, %
2
Плотность почвы
Рис.1 Зависимость содержания углерода в %% от
плотности почвы. 1 – оценка по экспоненциальной
модели, 2 – оценка для логарифма содержания углерода
Табл. 2 Параметры регрессионной линейной модели «логарифм содержания углерода в %
- плотность почвы». Коэффициент детерминации R2 = 0.87835553
F(1,246)=1776.3 p<0.0000, Стандартная ошибка для логарифма содержания углерода % 0.86656
Переменные
B
St. Err. of B t(246)
p-level
Константа
Плотность
почвы
4.15675
-3.23858
.096086
.076842
43.2607
-42.1460
0.00
0.00
Вторая модель для логарифмированных данных несколько отличается от
первой. Первая модель более точно описывает высокие значения содержания
углерода, вторая – малые.
Наилучшая статистическая модель зависимости содержания углерода от
цвета почвы приведена в табл. 3 (рис. 2) Переменная Hue для модели была
перекодирована как:
5YR- 2, 7.5YR-3, 2.5Y-5, 10YR-4, 5Y- 6.
Табл.3 Регрессионная модель содержания углерода (log(г/см3) от признаков цвета по
шкале Манселла. Коэффициент детерминации R2= 0.697
F(4,222)=128.03 p<0.0000, Стандартная ошибка: 0.88119
Стандартная Критерий значимости
Переменная
Наклон
Ошибка bi
(bi)
t(222)
p-level
Константа
2.33756
0.458208
5.1015
0.000001
Hue
-0.97336
0.128266
-7.5886
0.000000
Value
-0.29905
0.075601
-3.9557
0.000103
Chroma
-1.65399
0.137763
-12.0060
0.000000
Произведение 0.30833
0.036543
8.4375
0.000000
Hue x Chroma
Таким образом, стандартные оценки цвета почвы по шкале Манселла дают
возможность оценить запасы углерода по очень большой выборке, охватив
все возможные варианты по стандартным почвенным прикопкам или по
буру. Получаемая точность будет лишь немногим хуже, чем при оценке через
плотность. Измерения были проведены в июле примерно через два дня после
последнего дождя. На отбор образцов была затрачена одна неделя. Так что
можно полагать, что они отражают типичные условия увлажнения.
Зависимость содержания азота (%) от содержания углерода (%) весьма
надежная (табл.4, рис. 3).
Табл. 4 Содержания азота (%) как функция содержания углерода (%). Модель N%=aC%b
Описывает 90.774% варьирования азота
Параметр
a
b
Оценка
Среднеквадратическая ошибка
t(247)
p-level
0.136174
0.019372
7.029298
0.000000
0.64181
0.03718
17.26178
0.00000
-1.5
-2.5
-3.5
-4.5
-5.5
-6.5
-7.5
-8.5
-8.5
-7.5
-6.5
-5.5
-4.5
-3.5
-2.5
Regression
95% confid.
-1.5
Расчет по модели
Рис.2 Оценка качества модели зависимости логарифма запаса углерода
в одном см3 от признаков цвета шкалы Манселла
2.8
2.2
Àçîò %
Азот,
%
1.6
1.0
0.4
-0.2
0
10
20
30
40
50
60
Óãëåðîä %%
Углерод,
Рис. 3 Зависимость содержания азота от содержания углерода
2
0
-2
-4
-6
-8
-8
-6
-4
-2
0
2
Regression
95% confid.
Расчет по модели
Рис.4 Оценка качества модели зависимости логарифма содержания азота
в % от признаков цвета шкалы Манселла
Естественно, что модель оценки содержания азота по шкале Манселла, так
же реализуема (табл.5) и качество оценки такое же как для углерода.
Табл. 5 Зависимость логарифма содержания азота % от признаков шкалы Манселла.
R2= 0.70, F(4,223)=134.25, p<0.0000, Стандартная ошибка 1.1671
Стандартная Критерии значимости
bi
ошибка bi
t(223)
p-level
Константа
7.71007
0.606682
12.7086
0.000000
Hue
-1.52379
0.169865
-8.9706
0.000000
Value
-0.48116
0.100095
-4.8071
0.000003
Chroma
-2.10868
0.182458
-11.5570
0.000000
Произведение 0.39457
0.048393
8.1534
0.000000
Hue x Chroma
Таким образом, существуют хорошие возможности провести оценки
содержания углерода и азота на основе косвенных признаков, связанных или
определяющих их содержание. Есть все основания полагать, что связь
запасов углерода с плотностью почвы – универсальна. Она была показана для
почв в мировом разрезе (Пузаченко и др.2006) Использование шкалы
Манселла, скорее всего, нуждается в региональном тестировании.
Литература
Пузаченко Ю.Г., Козлов Д.Н., Сиунова Е.В., Санковский А.Г. Оценка запасов
органического вещества в почвах мира Почвоведение, 2006, №6 стр. 14271440