Проект GSOC17

На сайте ФАО ООН (Food and Agriculture Organization of the United Nations) размещена итоговая версия Всемирной карты запасов органического углерода в 30-см слое почвы Global Soil Organic Carbon Map (GSOCmap).

Карта представляет собой результат работы исследователей из различных стран по проекту GSOC17 Глобального почвенного партнерства (Global Soil Partnership).

Каждая страна-участница готовила карту самостоятельно, основываясь на общих принципах, подробно описанных в руководстве.

Здесь приводится их краткое изложение:

• Раздельно рассчитываются запасы для минерального и органического слоев почвы (с возможным разделением органического слоя на подстилку и торфяный слой). В итоговой карте эти три слоя были просуммированы;
• Исходными данными для расчетов являлись значения:
  1. одержание органического углерода в слое до 30 см, % (для разреза или контура почвенной карты);
  2. объемная масса в естественном сложении, г/см³ (для разреза или контура почвенной карты);
  3. степень каменистости, % или градации (для разреза или контура почвенной карты);
• Результатом расчета национальной карты являлась сетка (grid) с шагом 1×1 км (или точнее, с шагом ½ угловой секунды, или¹/₁₂₀ градуса). Расчет сетки произведен методами обычной интерполяции, цифрового почвенного картографирования или их комбинацией в зависимости от комплекта исходных данных – архивных почвенных карт, почвенных описаний опорных профилей, агрохимических обследований.
• В таком же формате предоставлена карта валидации – оценки погрешности расчетов основной карты;
• Сшивка национальных карт в единую мировую карту проводилась секретариатом Глобального Почвенного партнерства ФАО совместно с ISRIC с использованием единых масок водоемов, административных границ и т.п., за счет чего возможны незначительные отличия в суммарных данных по отдельным странам.

В отечественном почвоведении неоднократно проводились работы по оценке запасов органического углерода в почвах и их картографическому отображению (Д.С. Орлов с соавт., 1996; В.А.Рожков с соавт., 1997; Stolbovoi V., 2002; А.А. Титлянова с соавт., 1998; Д.Г.Щепащенко с соавт., 2013; и др.). 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 распределенной 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 (S. Shoba et al, 2011; Голозубов и др., 2015; Урусевская и др., 2015).

Основные принципы построения карты запасов органического углерода в 30-см слое почв России изложены ниже.

В соответствии с концепцией распределенной 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:

a) 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), ланшафтов, лесов и землепользования (все в масштабе 1: 2,5М) в сочетании с разреженной нерегулярной сеткой, состоящей из около 2000 профилей почв.

В расчётах использовано: более25000 полигонов карты почв, легенда включает более300 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 ниже).

Принципы расчетов объемной 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 черноземной 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 15 000 картографических полигонов.

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

Для этого объединенного слоя приводится также карта погрешностей.

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 объемная плотность и запасы определяются как среднее по единичным, значительно различающимся профилям. При этом относительная ошибка превышает в отдельных случаях 200%.

Для черноземной области с высокой плотностью наблюдений относительная погрешность оценки запасов углерода составляет около 25%.

Для некоторых регионов для расчета объемной 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.

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

c) Карта запасов углерода в подстилке была подготовлена на основе ранее опубликованной (Щепащенко Д.Г., Мухортова Л.В., Швиденко А.З.,Ведрова Э.Ф. Запасы органического углерода в почвах России // Почвоведение. 2013. № 2. С. 123—132) карты, адаптированной к требованиям GSOC17. В карте оценки погрешности этот слой не учитывался.

В состав мировой карты GSOC17 карта России вошла в виде суммы всех трех слоев (минеральной части и органической — подстилки и оторфованной).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 проведенной работы, общие запасы органического углерода в 30-см слое почв Российской Федерации мы оцениваем в 151Pg (Гт) (согласно расчетам ФАО с учетом несовпадения границ водоемов и административных — 149) Pg (Гт).

Почти половина этих запасов (45%) приходится на органогенные горизонты — торфяную толщу торфяных болотных почв, оторфованные и перегнойные горизонты полугидроморфных почв и подстилку.

Приложение

Для многих почвенных разрезов отсутствует информация об объемной массе их горизонтов. На основе информации, аккумулированной в ИС ПГБД, оценили применимость уравнений, предложенных О.В. Честных и Д.Г. Замолодчиковым (Зависимость плотности почвенных горизонтов от глубины их залегания и содержания гумуса. Почвоведение 2004, №8, с.937—944) для определения объемной массы различных почв,

BW = a₁ – a₂/(MID+a₃) + a₄/(HUM+a₅), где:

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

Параметры уравнения

Выявлено, что для «таежных» почв («подзолистых» в терминологии О.В. Честных и Д.Г. Замолодчикова) — подзолистые, подзолистые глееватые и глеевые, дерново-подзолистые, серые лесные, подзолы, подбуры, бурые лесные почвы и т.п. — и «гумусово-аккумулятивных» — все выделы легенды черноземов и каштановых почв, включая луговые, осолоделые и солонцеватые, — вычисленные с использованием предложенных уравнений значения плотности минеральных горизонтов достаточно хорошо совпадают с экспериментальными значениями. К минеральным относили горизонты с содержанием органического вещества менее 15%.

Для почв двух указанных групп почв плотность 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 учетом зольности и плотности соответствующего торфа на основе характеристик, приведенных в обзорных работах:

• Ефремов С.П., Ефремова Т.Т., Мелентьева Н.В. Запасы углерода в экосистемах болот // Углерод в экосистемах лесов и болот России. Красноярск. 1994. С. 128-140;
• Вомперский С.Э., Иванов А.И., Цыганова О.П., Валяева Н.А., Глухова Т.В., Дубинин А.И., Глухов А.И., Маркелова Л.Г. Заболоченные органогенные почвы и болота России и запас углерода в их торфах / Почвоведение. 1994. № 12., С. 17—25;
• Инишева Л. И. , Сергеева М. А., Смирнов О. Н. Депонирование и эмиссия углерода болотами Западной Сибири Научный диалог. 2012 Выпуск № 7. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ЭКОЛОГИ Я стр. 61—74.