Создание электронной карты плодородия почв Карелии

Последние десятилетия отмечены бурным развитием информационных технологий, во многом определяющих перспективы развития различных направлений науки, в том числе почвоведения. Открываются возможности решений на новом уровне научно-практических задач: инвентаризации почвенно-земельных ресурсов, почвенно-экологического мониторинга, моделирования и прогнозирования почвенных процессов, что необходимо для оптимизации природопользования, воспроизводства плодородия и предотвращения деградации почв (Цифровая…, 2012) . Интерес к проблеме цифрового почвенного картирования отражается в большом количестве как российских, так и зарубежных публикаций (Kwabena, 2011; Савин, 2014, 2019; Заносова, Гребенкина, 2016; Özyazici et al., 2017; Ахметова и др., 2018; Nussbaum et al., 2018; Савин и др., 2019) . Для различных экологических целей специалисты чаще всего исследуют следующие почвенные свойства: содержание органического углерода, основных элементов минерального питания (N, P, K), поллютантов (тяжелые металлы), а также составляют карты гранулометрического состава, плотности, влажности почв, оценки деградации почвенного покрова (засоление, закисление и эрозия).

К настоящему времени в Институте леса КарНЦ РАН накоплено большое количество данных о свойствах почв Карелии, составлены различные тематические карты на бумажных носителях, которые датируются второй половиной XX века. Однако для поддержания актуальности картографические материалы необходимо периодически корректировать и обновлять. В связи с этим актуальной задачей является оцифровка и обновление имеющихся архивных карт. Такая работа активно ведется в лаборатории лесного почвоведения ИЛ КарНЦ РАН. Сотрудниками лаборатории оцифрована и обновлена почвенная карта Карелии (М 1 : 500 000)

1955 года (Ахметова, Бахмет, 2013; Ахметова, 2020) .

Целью данного исследования являлось создание и анализ дополненной современными данными электронной карты плодородия лесных почв Карелии масштаба 1 : 500 000 на основе имеющейся архивной карты продуктивности почв и оцифрованной почвенной карты.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Для создания обновленной электронной карты продуктивности лесных почв Карелии использовали архивную карту масштаба 1 : 500 000 (Карта плодородия…) . Она выполнена на бумажном носителе, на который нанесены контуры почв из почвенной карты (Почвенная…, 1955) . Каждый контур закрашен вручную в соответствии с легендой, которая состоит из двух блоков – лесные и освоенные почвы. Основной блок включает в себя 22 наименования лесных почв, балл их продуктивности и цветовое обозначение. В дополнительном блоке представлены 4 типа освоенных почв, для них балл продуктивности не определялся. Точный год создания оригинальной версии карты не известен, предположительно 1980–1990 гг. Недатированный оригинал хранится в лаборатории лесного почвоведения ИЛ КарНЦ РАН.

В качестве основы для данной работы использовали электронную версию почвенной карты Карелии масштаба 1 : 500 000, на которую накладывали отсканированные растровые изображения архивной карты плодородия почв для их дальнейшей векторизации с помощью программного продукта MapInfo Professional 8.5.

Названия почв и их сочетаний в легенде созданной карты даны по Региональной классификации (Морозова, 1991) .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Сложность решения проблемы оценки и картирования плодородия почв обусловлена отсутствием общепринятых критериев. Многие зарубежные исследователи в своих научных работах для характеристики почвенного плодородия используют индекс плодородия почвы – SFI (Soil Fertility Index), который представляет собой интегральный показатель, учитывающий основные физикохимические свойства почв (pH, P, K, C и др.) (Moran et al., 2000; Andrews et al., 2004; Kwabena, 2011; Panwar et al., 2011; Özyazici et al., 2017). В 2012 году для оценки качества почвы ученые из США предложили использовать индекс продуктивности – PI (Productivity Index), основным отличием которого является то, что он не требует большого количества данных о почве (Schaetzl et al., 2012). PI варьирует от 0 (наименее продуктивные) до 19 (наиболее продуктивные) и определяется по таксономической принадлежности почв, а именно по уровню “семейство”. В почвенной классификации США для определения семейства учитывают следующие почвенные свойства: гранулометрический и минералогический состав, карбонатность, температуру, мощность почвенного профиля и др. (Самофалова, 2012). По индексу PI построена и опубликована карта продуктивности почв США (Miller et al., 2012).

Для оценки плодородия лесных почв Карелии была разработана бонитировочная шкала на основе учета их генетических и лесорастительных свойств (Федорец и др., 2000) . Оценочная таблица включает в себя полные названия почв, балл их продуктивности по 100-балльной системе, мощность рыхлой толщи почвообразующих пород, а также следующие характеристики ландшафта: форма рельефа, тип леса и его производительность (класс бонитета). Первоначальный вариант шкалы периодически изменяется и дополняется новыми данными (Федорец и др., 2003) . Создание электронной карты продуктивности почв также включало в себя корректировку оценочной таблицы. В связи с получением нового экспериментального материала в нее были добавлены следующие почвы:

• 1.    Подбуры типичные грубогумусные среднемощные песчаные на песчаной морене, располагающиеся на склонах моренных холмов и гряд, под сосняками брусничными IV класса бонитета, с мощностью рыхлой толщи более 50 см, оценены в 35–40 баллов.

• 2.    Подзолы иллювиально-гумусово-железистые песчаные на песчаной морене, располагающиеся на склонах моренных гряд и холмов под сосняками брусничными и черничными III или IV классов бонитета, с мощностью рыхлой толщи более 50 см, оценены в 55–60 баллов.

• 3.    Пятнисто-подзолистые супесчаные на супесчаной морене, встречающиеся в моренном мелкохолмистом ландшафте под ельниками и березняками разнотравно-черничными II–III классов бонитета, с мощностью рыхлой толщи более 50 см, оценены в 75–80 баллов.

• 4.    Подзолистые грунтово-глееватые супесчаные на супесчаной морене, встречающиеся в моренном мелкохолмистом ландшафте под ельниками черничными III класса бонитета, с мощностью рыхлой толщи более 50 см, оценены в 75–80 баллов.

• 5.    Подзолистые вторично-дерновые песчаные на песчаной морене, располагающиеся на волнистых моренных равнинах под сосняками брусничными III класса бонитета, с мощностью рыхлой толщи более 50 см, оценены в 75–80 баллов.

Также в оценочной шкале (Федорец и др., 2003) была проведена корректировка названий типов леса по Яковлеву, Вороновой (Яковлев, Воронова, 1959) , которая использовалась при заполнении базы данных по почвам Карелии (Солодовников, 2012) , созданной в лаборатории лесного почвоведения ИЛ КарНЦ РАН.

На первом этапе создания электронной карты продуктивности почв ее изображение было отсканировано по частям с архивного бумажного носителя. Таким образом, получили 6 отдельных растров, которые зарегистрировали в системе координат Пулково 1942 с заданной проекцией Гаусса-Крюгера GK зона 6 и наложили на векторную почвенную карту. Геопривязка осуществлялась по имеющейся на картах координатной сетке. Реперными (то есть опорными) точками для привязки служили пересечения линий широты и долготы, а также некоторые географические объекты: озера, населенные пункты, точки на границах республики. Фрагмент отсканированного изображения карты представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Фрагмент архивной карты продуктивности почв Карелии (М 1 : 500 000).

Fig. 1. Fragment of soil productivity map of Karelia (Scale: 1 : 500 000).

Далее, поскольку почвенные контуры на обеих картах полностью совпадают, была перестроена структура основной таблицы атрибутивных данных почвенной карты: добавлены новые поля “код_плодородие”, “плодородие_балл”, “плодородие_название_ почвы”. Поле “код_плодородие” содержит уникальные значения, которые соответствуют определенному баллу и сочетанию почв, оно введено для удобства построения различных запросов с целью анализа данных в программном пакете MapInfo Professional 8.5. Таким образом, после правки каждый полигон (почвенный контур) на векторной карте почв Карелии содержит следующую информацию:

• •    “ID” – порядковый номер полигона;

• •    “индекс_по” – индекс типа почв в соответствии с почвенной

  картой (1955 г.);

• •    “почва” – название почв в соответствии с почвенной картой

  (1955 г.);

• •    “код_почва” – уникальное значение, присвоенное каждому

  типу почв в соответствии с почвенной картой (1955 г.);

• •    “механическ” – механический состав почвы в соответствии с

  почвенной картой Карелии (1955 г.);

• •    “код_мех_сост.” – уникальное значение, присвоенное

  каждому типу механического состава в соответствии с почвенной картой (1955 г.);

• •    “комплексы” – название сопутствующих почв в

  соответствии с почвенной картой (1955 г.);

• •    “код_комплекс” – уникальное значение, присвоенное

  каждому типу сопутствующих почв в соответствии с почвенной картой (1955 г.);

• •    “код_плодородие” – уникальное значение, присвоенное

каждому типу почв в соответствии с архивной картой плодородия почв;

• •    “плодородие_балл” – значение балла плодородия почв в

соответствии с архивной картой плодородия почв;

• •    “плодородие_название_почв” – название почв в

соответствии с архивной картой плодородия почв.

После того, как в атрибутивные данные каждого полигона на почвенной карте была добавлена информация о плодородии, следовал этап построения тематического слоя.

В программном пакете MapInfo Professional 8.5 возможно составлять тематические карты различного типа. В данном случае наиболее подходящим является тип “Отдельные значения – индивидуальные значения регионов, стандартные”, который выделяет записи в таблице в зависимости от индивидуальных значений в заданном поле, в нашем случае это поле “плодоро-дие_название_почв”.

Завершающим этапом являлась настройка легенды создаваемой карты. Было решено придерживаться цветовой гаммы, представленной на исходной архивной карте плодородия почв Карелии Р.М. Морозовой, в соответствии с возможностями программного пакета MapInfo Professional 8.5 (рис. 2).

В процессе создания электронной карты продуктивности, на нее были добавлены новые контуры – “Болотные осушенные”, которые были выделены на почвенной карте в результате ее обновления (Ахметова, 2020). На легенде они находятся в разделе Освоенные почвы. А также, в связи с получением новых сведений, название сочетания почв “Подзолы иллювиально-железистогумусовые песчаные и пылевато-песчаные валунные в сочетании с болотными верховыми (сев. тайга)” в легенде было заменено на “Подзолы иллювиально-железисто-гумусовые и гумусовожелезистые на валунных песках и супесях в сочетании с болотными торфяными (северная тайга)”.

В результате проделанной работы была построена электронная карта плодородия почв Карелии (рис. 3). Векторная карта состоит из 18 550 почвенных контуров, заполненных цветом в соответствии с легендой, на которой представлены два раздела – лесные и освоенные почвы. Первый включает в себя 22 наименования почв и их сочетаний, а также балл плодородия и цвет. Во втором блоке 5 типов освоенных почв и их цветовое обозначение без указания балла продуктивности.

Плодородие лесных почв Карелии

Балл                 Название почв, их сочетают

• <5 Горно-тундровые и примитивные на выходах коренных пород

5-10 Горно-подзолистые и фрагментарные подзолы с близким залеганием коренных пород

10-15 Болотные верховые торфяные и торфяно-глеевые

15-20 Болотные переходные торфяные и торфяно-глеевые, аллювиальные маршевые

20-25 Торфяные подзолы иллювиально-гумусовые песчаные

23-30 Торфянистые и торфяные подзолы иллювиально-железисто-гумусовые песчаные иногда ортзандовые

30-35 Подбуры песчаные и супесчаные щебнистые с близким залеганием коренных пород

35-40 Болотные низинные торфяные и перегнойно-глеевые, аллювиальные пойменные

40-45 Поверхностно-подзолистые и подзолы иллювиально-железисто-гумусовые песчаные каменисто-валунные

45-50 Торфяно-глеевые суглинистые, реже супесчаные

45-50 Подзолы иллювиально-железистые песчано-гравийные в сочетании с болотными верховыми

50-55 Подзолы иллювиально-железисто-гумусовые и гумусово-железистые на валунных песках и супесях в сочетании с болотными торфяными (северная тайга)

55-60 Подзолы иллювиально-гумусово-железистые супесчаные и легкосуглинистые валунные

55-60 Глееподзолистые суглинистые

60-65 Подзолы иллювиально-железистые на валунных песках в сочетании с болотными верховыми

65-70 Подзолы иллювиально-гумусовые-железистые пылевато-песчаные и супесчаные валунные в сочетании с болотными переходными и верховыми

70-75 Подзолы иллювиально-железистые тонкопесчаные, пылевато-песчаные с прослойками суглинков и подзолы супесчаные на морене с включением основных пород и шунгитов

75-80 Подзолистые контактно-глееватые суглинистые

80-85 Подзолистые супесчаные на суглинках, суглинистые

85-90 Буроземы кислые и подзолистые суглинистые

90-95 Буроземы темноцветные на шунгитовой морене

95-100 Буроземы темноцветные шунгитовые на шунгитовых сланцах

Освоенные почвы

Пахотные подзолистые и болотно-подзолистые

Пахотные буроземы темноцветные на шунгитовых сланцах

Подзолистые и болотно-подзолистые залуженные

Буроземы темноцветные залуженные

Болотные осушенные ri^ сисага 1 ■ in ■ in ин в «ян ■■ ■■ ■■■ ■ ■ ■■ ■ ■ ■■ ■■■ ■■

Рис. 2. Легенда карты плодородия почв Карелии.

Fig. 2. Legend of the soil fertility map of Karelia.

Рис. 3. Электронная карта плодородия почв Карелии.

Fig. 3. Digital map of Karelia soil fertility.

Примечание. Легенда к карте представлена на рисунке 2.

Note. Map legend is shown in Figure 2.

Анализ построенной карты в програмном пакете MapInfo Professional 8.5 позволил определить процентное соотношение различных по степени продуктивности почв. Почвы Карелии по лесорастительным свойствам разделены на 5 групп (Федорец и др., 2000) :

• •    Наилучшие плодородные почвы, оцененные в 80–100 баллов, занимают 4.6% от общей площади почвенного покрова Карелии, они встречаются в южной и юго-восточной части республики.

• •    Хорошие для произрастания древесных насаждений почвы (60–80 баллов) составляют 20.7%. Данные почвы приурочены к среднетаежной подзоне Карелии.

• •    На долю средних по качеству почв (40–60 баллов) приходится 34.9%, они распространены на территории северо-таежных лесов республики.

• •    Почвы ниже среднего качества (20–40 баллов) занимают 16.3% почвенного покрова, встречаются на севере Карелии.

• •    Почвы очень низкого качества (0–20 баллов) составляют 18.5%. К ним относятся все примитивные, неполноразвитые почвы, а также болотные переходные и верховые. Эти почвы распространены по всей территории республики и представлены небольшими по площади контурами. Наиболее крупные массивы болотных верховых почв выделены вдоль западного побережья Белого моря.

Таким образом, на долю лесных почв приходится 95% почвенного покрова Карелии, освоенные почвы занимают лишь 5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы подготовлена электронная карта плодородия лесных почв Карелии масштаба 1 : 500 000, которая имеет важное практическое значение и является составной частью ГИС по почвам Карелии (Ахметова и др., 2018). Дополнена имеющаяся оценочная (бонитировочная) шкала лесных почв. Рассчитано процентное соотношение различных по степени продуктивности почв Карелии. Установлено, что среди лесных почв наиболее распространены средние по качеству почву (40–60 бал- лов), они составляют 34.9% от общей площади почвенного покрова. Освоенные почвы занимают лишь 5% исследуемой территории.

Электронная карта продуктивности почв Карелии наглядно отражает состояние и функционирование почвенного покрова республики. В дальнейшем она может дополняться и корректироваться, оставаясь важным информационным источником архивных и современных данных.