Таксономическая диагностика почв с помощью автоматизированного определителя

УДК 631.4

ТАКСОНОМИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПОЧВ C ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛИТЕЛЯ

Н.П. Кириллова, Т.М. Силёва

В статье описана логическая структура и представлено содержание таблиц базы данных, которые обеспечивают таксономическую диагностику почвенного профиля по классификации 1977 г. [6]. Для этого был создан специальный программный модуль. Данные о почвенном профиле вводятся из справочных таблиц. По совокупности горизонтов создается его диагностическая формула. С учетом ландшафтных характеристик составлены ключи для определения таксономической принадлежности почв подзоны южной тайги. Показаны преимущества применения разработанных алгоритмов в картографии почв. Обоснованы возможности их использования для почв других природных зон.

Ключевые слова: базы данных, автоматизированный определитель почв, почвенные таксоны, классификация почв, ландшафты.

Введение

Интенсивное развитие цифровых методов в почвоведении предъявляет новые требования к сбору первичного материала [1, 11—15]. Если входные данные включают характеристику таксонов, то они должны иметь одинаковый формат. Это означает, что процедура таксономической идентификации должна вестись по единым принципам или правилам. В качестве таких правил выступает та классификационная система, которая выбрана за основу проведения диагностики почв.

Имеющиеся системы часто не дают достаточно четких алгоритмов, в явном виде формулирующих правила диагностирования. Повсеместно используется Классификация и диагностика почв СССР 1977 г. [6], в которой обычно дается только словесное описание строения почвенного профиля без буквенно-цифрового обозначения го-

ризонтов. В нашей предыдущей работе предложена база данных, на основании которой идентификацию почвенных профилей можно проводить в унифицированной форме. Для этого обработан текст классификации почв 1977 г. в части, описывающей почвенные таксоны подзоны южной тайги. Вся информация дифференцирована, структурирована и собрана в группу справочных таблиц, связанных друг с другом в той мере, в которой эта связь сформулирована в тексте классификации [3].

Перевод текста классификации в группу справочных таблиц является необходимым, но не достаточным этапом диагностики почв по единым принципам. Не менее важно четко определить правила (процедуры) проведения классификации и обеспечить их сохранность на всех этапах диагностики. Для этого был создан программный модуль «Автоматизированный определитель почв

Рис. 1. Логическая схема связей справочных таблиц в классификации

южной тайги» [2]. База данных и программный модуль в совокупности дают для исследователя тот каркас, который и позволяет унифицировать описание и диагностику почвенных профилей.

Цели настоящей работы — описание логической структуры и содержания тех таблиц базы данных, которые обеспечивают таксономическую диагностику почвенного профиля, и разработка алгоритмов работы программного модуля, позволяющих автоматизировать определение типа и подтипа почв.

Результаты и их обсуждение

Логическая схема связей между таблицами базы данных

Справочные таблицы таксонов, отношения между которыми определены в классификации. Первой характеристикой связи между таблицами является тип их отношений. На рис. 1 показано, что шесть таблиц связаны друг с другом отношениями «один-ко-многим». Это означает, что в одном типе почв может быть от одного до нескольких подтипов, в одной природной зоне — несколько типов почв и т.д. Вторая характеристика отношения между таблицами — тип объединения их друг с другом. На рисунке он различается формой стрелок, соединяющих поля связанных таблиц. В случае связи подтипа почв с родом и видом стрелка имеет направление от подтипа к роду или к виду. Такая связь говорит о том, что не в каждом подтипе выделяются роды и виды почв. Связи без стрелок свидетельствуют о том, что объединяются только те записи, в которых связанные поля обеих таблиц совпадают, т.е. в каждой природной зоне имеются типы почв, а в каждом типе — подтипы.

На рисунке не отображены справочники разрядов и разновидностей, так как они никак не связаны с другими таблицами: в любом подтипе мо-

гут быть разные почвообразующие породы (разряд) и разный гранулометрический состав верхнего горизонта (разновидность).

Объединение справочных таблиц таксонов с характеристикой профиля. Справочные таблицы, основанные на описаниях классификации, объединяются друг с другом через характеристику профиля (набор горизонтов) (рис. 2) и разреза в целом (рис. 3).

На основании данных полевого описания в таблице «Разрез таксон горизонты» для каждого номера разреза из справочников отбираются индексы диагностических и малых горизонтов. Показатели мощности горизонтов (начальная и конечная глубины) вводятся вручную. Они также являются диагностическими признаками, поскольку видовая принадлежность профиля в классификации связана с глубиной залегания и мощностью горизонтов. После формирования списка горизонтов программный модуль позволяет автоматически собрать формулу почвенного профиля, которая вводится в таблицу «Разрез» (рис. 3). В этой же таблице из справочников в соответствии с полевым описанием отбираются следующие индексы: «геоморфологический», «тип угодья», «разновидность» и «разряд».

По формуле профиля необходимо определить четыре таксономические характеристики — тип, подтип, род и вид. Эта процедура осуществляется в полуавтоматическом режиме. Пользователю предлагается на основании введенных характери-

Разрез

индекс разреза номер разреза индекс геоморфологический индекс угодья индекс разновидности индекс разряда диагностическая формула формула профиля название почвы

Разрез таксон род

индекс рода разреза порядковый индекс подтипа порядковый индекс рода справочный

Разрез таксон подтип

индекс подтипа порядковый индекс разреза индекс подтипа справочный

Разрез таксон вид

индекс вида разреза порядковый индекс подтипа порядковый индекс вида справочный

Рис. 3. Охема определения таксономической принадлежности почвенного профиля

стик разреза перейти к подбору наиболее близкого типа и подтипа почвы. Такая задача решается путем прохода по диагностическим ключам.

Диагностические ключи определения типа и подтипа почв

Ключи составлены на основании анализа текста классификации. Для каждого геоморфологического района можно указать набор типов и подтипов почв и в табличной форме собрать все описанные для них в классификации профили. Выбор типа и подтипа происходит путем сравнения сформированного почвенного профиля разреза со справочными «классификационными» профилями. Всего создано три ключа в соответствии с делением на три геоморфологические группы — пойма; овраги; водоразделы, склоны и террасы.

Ключ отнесения почв к подтипам построен на установлении набора диагностических горизонтов для составления диагностической формулы. В каждом случае вопрос о том, является ли горизонт таковым, проверяется по классификации, где на этот счет даны четкие указания. Горизонты А0 (подстилочный) и Ад (дернина) никогда не бывают диагностическими: как правило, в таком качестве не рассматриваются переходные и малые горизонты. Однако есть случаи, когда и они признаются диагностическими, т.е. их наличие определяет выбор подтипа. Например, гор. В£ — обязательный (диагностический) для всех подтипов болотно-подзолистых почв.

Тип Дерновые почвы отсутствует в классификации 1977 г. При отнесении почв к этому типу мы руководствовались подходом, изложенным в [10], где отдельная глава посвящена вопросам диагностики и эволюции дерновых почв.

Диагностические формулы в ключах представлены вертикальным набором диагностических горизонтов. Принцип их работы рассмотрим на конкретном примере. Предположим, что полная формула профиля почвы, расположенной в пойме, представлена следующим набором горизонтов: Ад—А1£—А1А2—ВС£. Сравнение с диагностической формулой приводит нас к подтипу аллювиальных дерновых кислых оподзоленных в типе аллювиальных дерновых кислых почв. Сочетание верхнего гор. А1£ с гор. А1А2 уникально, что однозначно определяет наш выбор.

Нижние прямоугольники на рис. 4 в программном модуле являются элементами управления, нажатие на которые переводит пользователя к выбору конкретного, наиболее подходящего профиля из справочника подтипов и вводу индексов подтипа, связанного с ним типа почвы и справочного профиля в таблицу «Разрез таксон подтип». Программа контролирует условие, при котором в базе существует для одного разреза только один подтип почвы. После ввода подтипа появляется

возможность выбора связанных с ним по классификации родов и видов почв. Они выбираются из справочников через экранные формы, в которых есть описание каждого рода и вида, приведенного в классификации. На этапе ввода индекса вида необходимо сравнение мощности и глубины залегания горизонтов с классификационными критериями описания вида. Такая процедура минимизирует ошибки, связанные с таксономическим определением видов почв.

Таким образом, по завершении процедуры идентификации все таксономические индексы определены. Название почвы формируется по ним автоматически в следующей последовательности: тип почвы, подтип почвы, род(ы), вид(ы), разновидность (гранулометрический состав верхнего горизонта), разряд (почвообразующая порода).

Логический контроль правильности идентификации подтипа почв

Подтип является центральным в базе данных классификации, поскольку он однозначно связан с типом почв и определяет присутствие возможных в данном подтипе родов и видов. В программном модуле предусмотрена проверка диагностики подтипа почв путем сравнения его индексов, определенных пользователем по ключам, с таковыми подтипов, определенными программно без участия пользователя — по анализу формулы профиля. Все несоответствия (несовпадения) индексов подтипов выдаются в виде списка номеров разрезов, для которых они были обнаружены. В этих случаях необходимо повторить процедуру идентификации с целью обнаружения ошибок, провести проверку повторно для того, чтобы убедиться в совпадении индексов, введенных «вручную» и программно.

Применение программного модуля для построения почвенной карты

GPS-координаты местоположения точки опробования входят в основную таблицу «Разрез» программы. Они заполняются на основании полевого исследования. Это позволяет передать параметры разреза (координаты и таксономические индексы) в любую доступную геоинформационную систему. Использование ГИС обеспечивает контроль местоположения разрезов. При наличии цифровой модели рельефа и соответствующей программы возможно построение цифровой почвенной карты таксонов по точкам опробования [5].

Предлагаемый подход может быть реализован в любых природных условиях. В соответствии с инструкцией [8] на исследуемую территорию составляется систематический список почв, создаются списки диагностических горизонтов, родов, видов, разрядов почв. Эти списки включаются в программный модуль.

Рассматриваемые ключи прошли апробацию при составлении цифровых карт на территорию

УОПЭЦ МГУ «Чашниково» [4], расположенную в Солнечногорском р-не Московской обл. и относящуюся к подзоне южной тайги. По классификации 1977 г., к этой подзоне относятся 16 типов почв и тип Дерновые (вне классификации). В систематический список почв Центра вошли 11 из них. Алгоритм и программный модуль составлены для этого списка и рассматриваются здесь в качестве примера. При необходимости список почв может быть расширен.

В систематический список не вошли почвы лесной зоны, сформированные на карбонатных по-

родах: дерново-карбонатные, аллювиальные луговые насыщенные, аллювиальные дерновые насыщенные. Два последних типа при полевых исследованиях невозможно отличить от аллювиальных луговых кислых и дерновых кислых. Для корректной диагностики необходимы лабораторные исследования, подтверждающие преобладание в составе гумуса гуминовых кислот, связанных с кальцием, и определение насыщенности почвы основаниями. В целом большинство подтипов почв можно выделить без привлечения лабораторных исследований.

А02/АТ

D D

ALG ALG

AT А1д

ALG ALG

А1

А02 / АТ/Т В

ALG ALG

А1

ALG AL В

AL

А1

А1А2

В

AL

тип АЛЛЮВИАЛЬНЫЕ БОЛОТНЫЕ ИЛОВАТО-ПЕРЕГНОЙНО-ГЛЕЕВЫЕ тип АЛЛЮВИАЛЬНЫЕ БОЛОТНЫЕ ИЛОВАТО-ТОРФЯНЫЕ тип АЛЛЮВИАЛЬНЫЕ ЛУГОВО-БОЛОТНЫЕ тип АЛЛЮВИАЛЬНЫЕ ЛУГОВЫЕ КИСЛЫЕ

АБПГ БАЙТ БАИТГ АЛБО САЛБ САЛК АЛ КС

тип

АЛЛЮВИАЛЬНЫЕ ДЕРНОВЫЕ КИСЛЫЕ

Те

А02

G D

тип ТОРФЯНЫЕ БОЛОТНЫЕ НИЗИННЫЕ

БНТГ БНТ

А1д I (Вд) I <А2>

тип

ДЕРНОВО-ГЛЕЕВЫЕ

ТИП ПОДЗОЛИСТЫЕ

А02 А1

А2 А2д А2 А2д

Вд Вд Вд Вд

G G G G

тип БОЛОТНО-ПОДЗОЛИСТЫЕ

ппго пппо ДПГО ДППО

Водоразделы, склоны и террасы

А02 I (А02) I А2 I А2д

G

Вд I Вд

тип

ТОРФЯНЫЕ БОЛОТНЫЕ ВЕРХОВЫЕ

ТИП ТОРФЯНЫЕ БОЛОТНЫЕ НИЗИННЫЕ

БНТГ БНТ

А02

А2д I А1д

Вд I

ТИП

БОЛОТНО-ПОДЗОЛИСТЫЕ

ТИП

ДЕРНОВО-ГЛЕЕВЫЕ

А2 А2д

Вд Вд В В

тип БОЛОТНО-ПОДЗОЛИСТЫЕ

ТИП ПОДЗОЛИСТЫЕ

Идентификация видов, особенно связанных с содержанием гумуса и степенью разложения органических остатков, требует проведения лабораторных анализов. Это означает, что в полевых условиях определить виды можно только на основе качественных критериев или по мощности и глубине залегания горизонтов. Интенсивное развитие мобильных средств химического и физического анализа почв в перспективе предполагает расширение списка таксонов, диагностику которых можно провести в поле.

Если цели исследования того требуют, ключи дополняются антропогенно преобразованными почвами. Например, в список типов не вошли Подзолистые культурные почвы. Это почвы подсобных хозяйств. Система горизонтов такая же, как и в освоенных дерново-подзолистых почвах. Диагностику можно провести по тому же ключу. Различие — тип использования земли.

Таким образом, по сути ключ определения таксона является аналогом метода аналитического исследования. Публикация «ключа определения» или ссылка на использование уже созданного обеспечивает «прозрачность» результатов работы и возможность объединения и сравнения данных разных авторов, полученных по одному ключу.

Отдельно следует остановиться на использовании в ключах таких показателей, как «принадлежность к природной зоне», «геоморфологическое положение (индекс)» и «тип угодья». Их привлечение обусловлено несколькими причинами.

1. Классификация 1977 г. повсеместно связывает наличие конкретного типа (подтипа) почвы со значениями этих параметров, так как по существу, она является «ландшафтной». Как писал Б.Б. Полынов, «по профилю можно теоретически предсказать ландшафт, равно как и наоборот — внимательное изучение ландшафта ведет к представлению об определенном профиле» [9].

2. Один из основных подходов в картографии почвенных таксонов — использование ланд-шафтно-индикационных характеристик профиля [5, 7, 14]. Наличие этих характеристик в ключе обеспечивает возможность передачи данных параметров в ГИС и специальные программы построения почвенных карт, основанные на этом подходе.

3. Для автоматизации процесса диагностики необходимо проводить разделение наборов горизонтов (профилей) на непересекающиеся множества. Число диагностических горизонтов в классификации 1977 г. ограничено. Анализ почвенных профилей, проведенный нами при создании базы данных [3], показал, что многие формулы не являются уникальными, если их рассматривать вне «ландшафтного контекста». Наоборот, включение ландшафтных параметров в схему диагностики позволяет однозначно разделить профили почв.

Выводы

• Описаны логическая структура и содержание таблиц базы данных, которые обеспечивают таксономическую диагностику почвенного профиля по «Классификации и диагностике почв СССР» 1977 г. [6].

• Разработаны алгоритмы, позволяющие в виде диагностических ключей автоматизировать определение типа и подтипа по [6] для почв южной тайги.

• Показаны преимущества применения разработанных алгоритмов для построения почвенных карт.

• Обоснованы возможности использования автоматизированных ключей для таксономической диагностики почв других природных зон.

Рис. 4. Ключи определения подтипов почв. Обозначения горизонтов: А02 — перегнойный; А1 — гумусово-аккумулятивный; АР — пахотный; АТ — гумусовый оторфованный; Те — торфяной органогенный горизонт, в основном состоящий из органических остатков эвтрофной растительности; Т0 — торфяной органогенный горизонт, состоящий из органических остатков олиготрофной растительности; А1А2 — элювиально-аккумулятивный; А2 — элювиальный (подзолистый); А2В — элювиально-иллювиальный (оподзоленный иллювиальный); В — иллювиальный; G — глеевый; С — порода, затронутая почвообразованием; Т — торфяной; ALG — оглеенный аллювий; AL — аллювий. Скобки «()» в ключах означают, что данный горизонт может присутствовать в профиле или нет; знак «/» означает «или»;

g — малый горизонт.

Обозначения подтипов: АБПГ — аллювиальные болотные перегнойно-глеевые; АДКО — аллювиальные дерновые кислые оподзоленные; АДКС — аллювиальные дерновые кислые слоистые; АЛБО — аллювиальные лугово-болотные оторфованные; АЛКС — аллювиальные луговые кислые слоистые; БАИТ — болотные аллювиальные иловато-торфяные А02/АТ + Т > 50 см; БАИТГ — болотные аллювиальные иловато-торфяно-глеевые А02/АТ + Т < 50 см; БВТ — болотные верховые торфяные; БВТГ — болотные верховые торфяные глеевые; БНТ — болотные низинные (типичные) торфяные; БНТГ — болотные низинные (типичные) торфяно-глеевые; ДГГ — дерново-грунтово-глееватые; ДП — дерново-подзолистые; ДПГО — дерново-подзолистые грунтово-оглеенные; ДППО — дерново-подзолистые поверхностно оглеенные; ОДП — освоенные дерново-подзолистые; ПГГ — перегнойные грунтово-глеевые; ППГО — перегнойно-подзолистые грунтово-оглеенные; ПППО — перегнойно-подзолистые поверхностно оглеенные; САДК — собственно аллювиальные дерновые кислые; САЛБ — собственно аллювиальные лугово-болотные; САЛК — собственно аллювиальные луговые кислые: СД — собственно дерновые; ТПГО — торфянисто-подзолистые грунтово-оглеенные; ТППО — торфянисто-подзолистые поверхностно оглеенные

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Единый государственный реестр почвенных ресурсов России. Версия 1.0 / Под ред. А.Л.Иванова, С.А. Шобы. М., 2014.

2. Кириллова Н.П. Автоматизированный определитель почв южной тайги. Свид-во о государственной регистрации программы для ЭВМ #2014617393. 18 июля 2014.

3. Кириллова Н.П., Силёва Т.М., Ульянова Т.Ю., Макаров М.И. Интегрированная база данных для параллельного унифицированного определения таксономической принадлежности почв таежной зоны по «Классификации и диагностике почв СССР 1977» и «Классификации почв 2004». Свид-во о государственной регистрации базы данных #2013621357. 18 октября 2013.

4. Кириллова Н.П., Силёва Т.М., Ульянова Т.Ю., Розов С.Ю. и др. Цифровая почвенная карта УОПЭЦ «Чашниково» МГУ имени М.В.Ломоносова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почоведение. 2015. № 2.

5. Кириллова Н.П., Силёва Т.М., Ульянова Т.Ю., Савин И.Ю. Метод «совпадений» и его применение для построения цифровой крупномасштабной почвенной карты // Почвоведение. 2014. № 10.

6. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.

7. Козлов Д.Н., Сорокина Н.П. Традиции и инновации в крупномасштабной почвенной картографии //

Цифровая почвенная картография: теоретические и экспериментальные исследования. М., 2012.

8. Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользования. М., 1973.

9. Полынов Б.Б. Роль почвоведения в учении о ландшафтах // Географические работы. М., 1952.

10. Почвоведение. Ч.2. Типы почв, их география и использование / Под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. М., 1988.

11. Шоба С.А., Алябина И.О., Колесникова В.М. и др. Почвенные ресурсы России: Почвенно-географическая база данных. М., 2010.

12. Asma Th.I. Development of Large-Scale Land Information System (LIS) by Using Geographic Information System (GIS) and Field Surveying // Engineering. 2012. Vol. 4. P. 107—118. URL: http://dx.doi.org/10.4236/ eng.2012.42014

13. Feuerherdt C, Robinson N. Storage, maintenance and extraction of digital soil data. In Developments // Soil Sci. 2007. Vol. 31. P. 87—95.

14. The SoLIM Project. URL: http://solim.geogra-phy.wisc.edu/index.htm (дата обращения: 14.01.2015).

15. Zhu A.X., Burt J.E., Moore A.C. et al. Overview of SoLIM // Internal Document. University of Wisconsin Madison. 2003.

Поступила в редакцию 09.01.2015

AN AUTOMATED GUIDE FOR SOIL CLASSIFICATION

N.P. Kirillova, T.M. Sileva

This article demonstrates database table contents and logical structure to provide soil profile taxonomy identification in agreement with the Classification and Diagnostics of Soils of the Soviet Union. For this purpose the special program interface is used. The description of soil profiles is based on reference tables. Diagnostic formula is created automatically in accordance with the combination of soil horizonts. Identification keys, including landscape properties, were developed to determine taxonomy characteristic of southern taiga subzone soils. The advantages of the applied algorithms are discussed in connection with soil mapping and their using for soil of other natural areas.

Key words: data base, automated soil guide, soil taxa, soil classification, landscape.

Сведения об авторах

Кириллова Наталия Петровна, канд. биол. наук, мл. науч. сотр. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-78; e-mail: npkirillova@soil.msu.ru. Силёва Татьяна Михайловна, канд. биол. наук, ст. преп. каф. общего почвоведения ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-35-78; e-mail: tmsileova@yandex.ru.