Автоматический расчет запасов органического углерода в слое почвы произвольной мощности и визуализации органопрофилей

Чернова О.В., Авраамова О.Д., Голозубов О.М.

Программный комплекс предназначен для расчёта запасов органического углерода в слое почвы заданной мощности до глубины 100 см, а также визуализации распределения содержания и запасов органического углерода в почвах. Программный комплекс работает в информационной системе Почвенно-географическая база данных Российской Федерации на основе профильной атрибутивной базы данных (ПАБД) и векторной версии Почвенной карты РСФСР М: 1:2 500 000, (1988), дополненной Почвенной картой Крыма того же масштаба (Урусевская и др., 2019).

Исходными данными для расчёта запасов углерода в толще почвы произвольной мощности являются следующие показатели для каждого горизонта/слоя в пределах рассматриваемой толщи: содержание углерода, плотность (объемная масса) горизонта/слоя в естественном сложении, степень каменистости, мощность горизонта/слоя.

где:

• Сs – запасы органического углерода в толще почвы произвольной мощности, (т/га);
• N – число горизонтов/слоев в толще почвы;
• Ci – содержание органического углерода в горизонте/слое, %;
• BDi – плотность горизонта/слоя, г/см³;
• Нi – мощность горизонта/слоя, см
• Ki – каменистость горизонта/слоя, %
• 100 – коэффициент первода г/см² в т/га

При расчетах использованы следующие унифицированные алгоритмы и пересчётные коэффициенты, позволяющие рассчитывать запасы углерода в заданном слое реальной почвы для всего разнообразия почв РФ на основе аккумулированных в ИС ПГБД данных, в том числе неполных или разреженных, взаимно дополняющих друг друга.

Расчет недостающих показателей содержания органического углерода

Для минеральных горизонтов с содержанием органического углерода <15% (С < 8,7%) при определении содержания углерода по данным о содержании органического вещества (гумуса) используется коэффициент пересчета 0.58, при обратном пересчете использовали коэффициент 1,724. Содержание органического углерода, определенное методом сухого сжигания по количеству выделившегося СO₂, всегда выше, чем таковое, полученное с использованием метода Тюрина в различных модификациях, наиболее часто употребляемого в нашей стране. Для получения абсолютных величин запасов органического углерода в минеральных горизонтах вводится пересчетный коэффициент = 1,15. Содержание органического вещества в органогенных горизонтах обычно характеризуют данными о потере при прокаливании (ППП), которые приравниваются к содержанию органического вещества. Для органогенных горизонтов коэффициенты пересчета органического вещества на углерод могут колебаться от 0,53 до 0,41 (Soil organic carbon…, 2018). В своей работе мы использовали коэффициент пересчета = 0,5.

Расчет недостающих данных об плотности почвенных горизонтов в естественном сложении

Для расчета плотности минеральных горизонтов при отсутствии данных прямых определений использована пятипараметрическая нелинейная функция, предложенная О.В. Честных и Д.Г. Замолодчиковым (2004), которая позволяет прогнозировать плотность горизонтов в зависимости от содержания гумуса и глубины горизонта.

BD= a1 – a2 /(MID+a3) + a4 /(HUM+a5),

где:

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

Значения плотности минеральных горизонтов (с содержанием органического вещества менее 15%) практически всех почв - выделов легенды почвенной карты (кроме вулканических) рассчитаны на основе этой педотрансферной функции при использовании соответствующих групп параметров уравнения, подобранных для групп генетически сходных почв, условно названных «Таежные», «Тундровые», «Луговые», «Черноземные» и «Сухостепные».

Для органогенных горизонтов (с содержанием органического вещества более 15%) использование педотрансферной функции дает неудовлетворительные результаты, поэтому для таких горизонтов использованы усредненные значения плотности, полученные из литературных источников или экспертные оценки.

Данные о мощности горизонтов/слоев извлекаются из описаний разрезов, в случаях, когда ряд обеспеченных аналитическими данными образцов не является непрерывным, возникает необходимость исправить их геометрию. При наличии зазоров между слоями пробоотбора создается условная граница: пространство зазора делится пропорционально мощности верхнего и нижнего слоев, и каждая из частей относится к соответствующему слою. Исключением являются границы органогенных горизонтов, которые берутся не по границам проанализированных образцов, а соответствуют верхней и нижней границам органогенных горизонтов в описании профиля.

Запасы для заданного слоя почвы рассчитываются как сумма значений по кривой изменения удельных запасов органического углерода по профилю почвы до заданной глубины.

В процессе работы программы никакие данные, входящие в состав исходной базы, не изменяются. Все вычисления выполняются с помощью служебных (временных) таблиц, хранимых процедур (stored procedure), функций и представлений (View).

Рассчитанные показатели запасов органического углерода в почвах для целевых глубин: 0-30, 30-50 и 50-100 см приводятся в отдельной таблице для разрезов почвенно-атрибутивной БД в табл. 20. Также в таблице приводятся границы органогенной и минеральной толщ по почвенному описанию и запасы органического углерода в органогенной и минеральной толщах.