Применение гис-технологий для мониторинга земель Заинского государственного сортоиспытательного участка республики Татарстан (стр. 2 из 2)

Импорт данных в программу ArcMap 9.3 является завершающим шагом подготовительного этапа. Файл в формате kml, сформированный в процессе векторизации с помощью функции программы SoilCountur - «экспорт карты в ArcGIS», сохраняется как файл импорта в среду ArcGIS. В программу ArcMap файл импортируется с помощью инструмента конвертации «Quick Import» [1. С. 22-50].

Результаты исследования и обсуждение. На основе материалов почвенно-агрохимических очерков, почвенных карт и картограмм содержания элементов питания осуществлена работа в среде ГИС приложений, реализован ГИС-проект почвенного покрова и картограмм содержания элементов питания Заинского ГСУ РТ.

Рис. 1. Тематические картограммы значений рН солевой вытяжки почв Заинского ГСУ без использования методов интерполяции: а - по данным 1981 г.; б - по данным 1987 г.

Работа проводилась в среде программ Gimp, Google Earth, XML Notepad, Soil Countur, MS Access, ArcMap, ArcReader. На основе этих программ проводилось предварительное редактирование изображений, географическая привязка изображений на местность, создание списка классификаторов, векторизация данных, внесение атрибутивной информации, редактирование файлов. После предварительного этапа работы в программе ArcMap 9.3 по данным разных лет обследования почв Заинского ГСУ были построены тематические картограммы содержания гумуса, легкогидролизуемого азота, подвижных форм фосфора и калия, рН солевой вытяжки. Наряду с этим была произведена оценка построенных цифровых моделей местности с применением методов интерполяции и геостатистики. Тематические картограммы содержания элементов питания, построенные без использования интерполяционных методов, для целей мониторинга показателей почвенного плодородия в целом не могут быть пригодны, так как они наименее информативны и несут в себе дискретность значений свойств почв. Такие картограммы обладают свойством статичности признака в рамках элементарного участка опробования (см. рис. 1) [2. C. 50-62].

Построение аппроксимирующих интерполяционных поверхностей по данным разных лет с использованием геостатистического подхода показало достаточно четкие изменения в содержании элементов питания за десятилетний период интенсивного сельскохозяйственного использования.

Интерполяционные поверхности были построены методом универсального кригинга с учетом глобальных трендов. Выбор в качестве интерполятора метода универсального кригинга основан на том, что он позволяет аппроксимировать данные при наличии простых трендов, описываемых полиномами первого и второго порядка [3. C. 82-90].

Значения показателей плодородия почв исследуемого участка имеют глобальные тренды в направлении запад - восток и север - юг.

Скорее всего, это связано с тем, что участок расположен на склоновой поверхности и имеет разброс высот порядка 10 м. Глобальные тренды показывают, что содержание подвижных форм калия, фосфора, легкогидролизуемого азота, рН солевой вытяжки изменилось с 1977 по 1987 г., но во всех случаях присутствуют тренды разного уровня.

В 1977 г. по содержанию подвижного калия выделялся тренд в направлении с запада на восток, который описывается линейной функцией. Тренд в направлении с севера на юг также близок к линейной функции. К 1987 г. тренды содержания калия в направлении запад - восток и север - юг нивелируются, что говорит о выравнивании участка в отношении обеспеченности подвижными формами калия.

Тренды содержания подвижных форм фосфора в 1977 и 1987 гг. в направлении запад - восток практически отсутствуют, однако в направлении север - юг в 1977 г. присутствует незначительный тренд, описываемый полиномом второго порядка. К 1987 г. тренд в этом направлении изменяется на линейный. Легкогидролизуемый азот в 1977 г. имеет ярко выраженные тренды в направлении запад - восток и север - юг. В направлении запад - восток тренд аппроксимируется линейной функцией, в направлении север - юг - полиномом второго порядка.

В 1987 г. картина меняется: в направлении запад - восток распределение описывается параболической функцией, в направлении север - юг тренд имеет линейное распределение. В 1977 и 1987 гг. распределение содержания легкогидролизуемого азота обратно пропорционально высотам участка, минимальное содержание азота наблюдается в самом возвышенном северо-восточном углу участка. Это означает, что легкогидролизуемые формы азота мигрируют вниз по склону. Значения рН солевой вытяжки в 1977 г. в направлениях запад - восток и север - юг имеет незначительные тренды, которыми можно пренебречь. В 1987 г. рН солевой вытяжки в направлении запад - восток имеет четко выраженный тренд, описываемый полиномом второго порядка, в направлении север - юг значения рН аппроксимируются линейной функцией.

С учетом глобальных трендов в содержании элементов питания были построены интерполяционные поверхности для каждого показателя почвенного плодородия.

Метод кригинга требует, чтобы данные подчинялись закону нормального распределения. Проверка на нормальность была произведена в программе BioStat. Результаты проверки показали, что все данные, кроме подвижного фосфора 1987 г. обследования, подчиняются закону нормального распределения по критерию Колмогорова - Смирнова / Лиллифорса (в каждом случае число выборки равно 60 значений).

Значения содержания подвижного фосфора были приведены к нормальному распределению путем трансформации Бокса - Кокса (X = -2).

Интерполяционные поверхности были построены на основе сферических моделей как наиболее распространенных. Для анализа влияния трендов на построение интерполяционных моделей было произведено сравнение моделей, построенных с наличием трендов с моделями остатков трендов. В большинстве случаев модели, в которых присутствовали тренды, более корректно описывали распределение элементов питания по поверхности. По сравнению с моделями остатков, их среднеквадратичные ошибки были меньше, среднеквадратичные нормированные ошибки приближались к единице, средняя ошибка стремилась к нулю.

Лишь значения легкогидролизуемого (1977 г.) и подвижного калия (1987 г.) были интерполированы с вычетом трендов. При интерполяции придерживались принятой группировки почв по содержанию элементов питания и кислотности почв [4. C. 188]. В случаях, когда это оказывалось невозможным, применяли группировку на равные интервальные значения или группировку по квантилям.

В целом к 1987 г. наблюдается ухудшение калийного и фосфорного состояния участка, присутствует сильное зафосфачивание пахотных горизонтов. По содержанию азота легкогидролизуемого наблюдается обратная картина: в 1977 г. содержание легкогидролизуемого азота было заметно выше по сравнению с 1987 г.

По значениям рН солевой вытяжки значения практически идентичны, в 1987 г. реакция среды пахотных горизонтов почв слабокислая или близка к нейтральной.

Список литературы

Крыщенко В.С., Татаринцева О.П., Голозубов О.М., Литвинов Ю.А. Методические указания к практическим занятиям по курсу «Базы данных почв» и «ГИС технологии». Ростов н/Д : Изд-во Южного Федерального ун-та, 2010. С. 20-45.

ArcGIS 9 Geostatistical Analyst. Руководство пользователя. 2001. 278 с.

Каневский М. Ф., Демьянов В.В., Савельева Е.А. и др. Элементарное введение в геостатистику. Сер. Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. М. : ВИНИТИ, 1999. №° 11. 350 с.

Методические указания по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения / под ред. Л.М. Державина, Д.С. Булгакова. М. : Росинформагротех, 2003. 240 с.