Карта запасов органического углерода в 30-см слое почв России

В отечественном почвоведении неоднократно проводились работы по оценке запасов органического углерода в почвах и их картографическому отображению. Однако для такой страны как Россия, с обширной территорией и огромным разнообразием природных условий, построение карты запасов углерода в соответствии с декларированными программой GSOC17 принципами возможно только при скоординированном объединении усилий коллективов многих научных и производственных организаций.

Координатором работы по подготовке карты на территорию России выступил Почвенный дата-центр Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Почвенный дата-центр МГУ является инициатором обмена разномасштабными почвенными данными в рамках распределённой сети почвенных центров обработки данных, которая в настоящее время создается в России. Все работы ведутся на базе Информационной системы «Почвенно-географическая база данных России» (ИС ПГБД), возможности которой соответствуют идеологии программы Глобального почвенного партнерства ФАО.

ИС ПГБД позволяет оперировать множеством данных, аккумулированных в различных учреждениях: разномасштабной картографической информацией, атрибутивными данными географически привязанных объектов, как точечных - по профилям почв, так и площадных – характеризующих определенные участки или территорию.

ИС ПГБД содержит также векторизованную карту почв, почвенно-экологического районирования, карту лесов и землепользования, карту ландшафтов, все в масштабе 1: 2,5 М.

В соответствии с концепцией распределённой сети почвенных центров обработки данных и хранения первичных данных, вычисление карты запасов органического в 30-см слое почвы выполнено в виде синтеза нескольких типов исходных данных:

а) карты всей территории Российской Федерации, построенной на основе Почвенной карты РСФСР (под ред. В.М. Фридланда, 1988), Карты почвенно-географического районирования (Под ред. Г.В. Добровольского и И.С. Урусевской, 2013), ландшафтов, лесов и землепользования (все в масштабе 1: 2,5М) в сочетании с разреженной нерегулярной сеткой, состоящей из около 2000 профилей почв.

В расчётах использовано: более 25000 полигонов карты почв, легенда включает более 300 выделов. В состав легенды, наряду с почвами и почвенными комплексами, входят также не почвенные образования.

Значения запасов углерода для этих выделов приняты равным малым фиксированным значениям, чтобы была возможность распознавать их и отличать от значения «нет данных» (см. Таблицу).

Сорг. кг/м2 Выдел легенды  
0.00005 Каменистые россыпи Stone deposits
0.00004 Рыхлые породы Crumbly solids
0.00003 Пески Sand
0.00002 Ледники и материковые льды Gletchers
0.00001 Вода Internal basins

Принципы расчётов объёмной массы и запасов углерода в почвах (по первым почвам выделов легенды почвенной карты) с использованием и без использования различных педотрансферных функций, по усредненным значениям и на основании экспертных оценок описаны в Приложении.

b) карт отдельных сельскохозяйственных районов, построенных на основе крупномасштабных почвенных карт, и данных плотной сетки регулярных почвенных агрохимических обследований, полученных по согласованию с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации. Были созданы две карты запасов почвенного органического углерода для ограниченной территории около 15 миллионов гектаров чернозёмной зоны европейской части Российской Федерации. Для этой территории использованы данные недавних (2012-2016 гг.) почвенных обследований, а также архивная информация (с 1970-х гг.) со средней плотностью точек не менее 1 точки на километр, а также крупномасштабные почвенные карты в масштабе 1 : 25000 - 1: 50000.

Использовано: более 150 000 точечных наблюдений (в течение 2012-2016 гг.) и более 15000 картографических полигонов.

Карты a) и b) были объединены в единый слой запасов органического углерода в почве путем расчёта значений в сетке заданного шага для каждой из карт, а затем наложения более детальных карт b) поверх карты а).

Для этого объединенного слоя приводится также карта погрешностей.

Запасы органического углерода в 30-см слое почв России, т/га. Минеральные горизонты и торфяные болотные почвы
Запасы органического углерода в 30-см слое почв России, т/га. Минеральные горизонты и торфяные болотные почвы

Поскольку карта запасов углерода была составлена с применением различных подходов и методов, для составления карты погрешностей также использовали различные подходы. Для основной части территории России относительная ошибка запасов углерода в слоях, залегающих ниже подстилки, оценена для каждого выдела легенды. Максимальная погрешность отмечается для выделов легенды карты, где объёмная плотность и запасы определяются как среднее по единичным, значительно различающимся профилям. При этом относительная ошибка превышает в отдельных случаях 200%.

Для чернозёмной области с высокой плотностью наблюдений относительная погрешность оценки запасов углерода составляет около 25%. Для некоторых регионов для расчёта объёмной плотности использовали уравнения регрессии, в этом случае среднеквадратичное отклонение составляет около 25%.

Погрешности для большей части территории оценивались как частное от деления стандартного отклонения на среднюю величину. Предполагалось нормальное распределение.

Оценка погрешности расчётов карты запасов органического углерода в 30-см слое почв России
Оценка погрешности расчётов карты запасов органического углерода в 30-см слое почв России

Наименования почвенных выделов, минимальные, максимальные и средние значения оценки объёмных масс были оформлены в виде листов Excel и использовались как связанные таблицы при расчётах в ArcGIS.

Сформирован также отдельный слой запасов органического углерода в перегнойных и оторфованных горизонтах полугидроморфных почв. Недостаточность эмпирических данных, характеризующих эти горизонты, не позволила корректно оценить их вариабельность, поэтому в карте оценки погрешности этот слой не учитывался.

Запасы органического углерода в 30-см слое почв России, т/га. Перегнойные и оторфованные горизонты полугидроморфных почв
Запасы органического углерода в 30-см слое почв России, т/га. Перегнойные и оторфованные горизонты полугидроморфных почв

c) Карта запасов углерода в подстилке была подготовлена на основе ранее опубликованной карты (Д.Г.Щепащенко с соавт., 2013), адаптированной к требованиям GSOC17. В карте оценки погрешности этот слой не учитывался.

Запасы органического углерода в подстилке, т/га
Запасы органического углерода в подстилке, т/га

В состав мировой карты GSOC17 карта России вошла в виде суммы всех трех слоев (минеральной части и органической – подстилки и оторфованной).

Запасы органического углерода в 30-см слое почв России, т/га

Все карты представлены в формате .tiff (float 32 bit) в WGS84 (4326) GCS с шагом ½ угловой минуты в пределах-180: 180 градусов. Значения измеряются в килограммах C на квадратный метр.

Все исходные (векторные и растровые) слои карты в виде проекта ArcGIS v.10.1 выложены в архиве и доступны по ссылке.

Подводя первые итоги проведённой работы, общие запасы органического углерода в 30-см слое почв Российской Федерации мы оцениваем в  151Pg (Гт) (по расчётам ФАО с учетом несовпадения границ водоемов и административных – 147) Pg (Гт).

Около 15.6 Pg (Гт) из них приходится на долю подстилки.

Приложение

Для многих почвенных разрезов отсутствует информация об объёмной массе их горизонтов. На основе информации, аккумулированной в ИС ПГБД, мы оценили применимость уравнений, предложенных О.В. Честных и Д.Г. Замолодчиковым (2004) для определения объёмной массы различных почв,

BW= a1 – a2/(MID+a3) + a4/(HUM+a5),

где:

  • BW – объёмная масса, г/см3
  • HUM – содержание гумуса в горизонте,%
  • MID – средняя глубина горизонта, см

Параметры уравнения

  a1 a2 a3 a4 a5
подзолистые 0.252 9.110 9.939 110.999 78.805
степные 1.413 27.045 33.905 2.390 5.449

Выявлено, что для «подзолистых» почв (в терминологии О.В. Честных и Д.Г. Замолодчикова) - подзолистые, подзолистые глееватые и глеевые, дерново-подзолистые, светло-серые лесные почвы и т.п. - и «дерновых» - темно-серые лесные; чернозёмы, оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные; тёмно-каштановые почвы - вычисленные с использованием предложенных уравнений объёмные массы достаточно хорошо совпадают с экспериментальными значениями.

Для почв двух указанных групп объёмные массы горизонтов (в случае отсутствия прямых определений) определяли на основе этих уравнений. Затем рассчитывали запасы органического углерода в минеральных горизонтах почв до глубины 30 см, и далее усредняли эти запасы для каждого выдела легенды.

Для остальных минеральных почв параметры плотности получены на основе среднестатистических данных или экспертных оценок.

Запасы углерода в болотных торфяных (верховых, переходных и низинных) почвах оценивали с учётом зольности и плотности соответствующего торфа на основе характеристик, приведенных в работе Инишевой с соавт (2012).