Цифровое картографирование содержания органического углерода в почвах Кузнецко-Салаирской геоморфологической провинции с использованием онлайн-платформы Google Earth Engine

Аннотация

Цель исследования. Провести цифровое картографирование содержания почвенного органического углерода (ПОУ) в 0–30 см слое почв с использованием 11 наборов предикторов и алгоритма Random Forest (RF), реализованного на онлайн-платформе Google Earth Engine.

Место и время проведения. Исследование проведено в Кузнецко-Салаирской геоморфологической провинции (в пределах Искитимского района Новосибирской области).

Методы. Цифровое картографирование проведено с использованием алгоритма Random Forest (RF) с настройками 200 и 1000 «деревьев». Реализация алгоритма выполнена на онлайн-платформе Google Earth Engine в виде скрипта (кода). В процессе картографирования содержания ПОУ были использованы растровые карты предикторов, характеризующих следующие факторы почвообразования: климат, рельеф, растительность, пространственное положение, почвенные свойства. Моделирование проведено на основе различного количества предикторов в наборе в зависимости от коэффициента корреляции (R) между содержанием ПОУ и значениями предикторов: 1) 80 (все); 2) 50 (все с R>±0,1); 3) 42 (все с R>±0,2); 4) 26 (все с R>±0,3); 5) 15 все с R>±0,4). Дополнительно проведено картографирование содержания ПОУ с использованием пяти наборов предикторов, характеризующих отдельные факторы почвообразования (рельеф, климат, растительность, почва, пространственное положение), и одного набора, объединяющего по пять доминирующих предикторов от каждого фактора почвообразования. Таким образом, всего было использовано 11 наборов предикторов, представленных как в сочетании показателей от разных факторов почвообразования, так и по отдельным группам. Почвенная база данных создана на основе архивных материалов Института землеустройства «ЗапсибНИИгипрозем» за период с 1984 по 1994 годы и содержит данные по содержанию ПОУ в 0–30 см слое почв (n=261). В работе использован обучающий (ОНД, n=206) и валидационный (ВНД, n=55) наборы почвенных данных.

Основные результаты. Лучший результат картографирования содержания ПОУ в 0–30 см слое почв алгоритмом RF (200 «деревьев») получен на основе 42 предикторов. Показатели эффективности моделирования следующие: R²_ОНД=0,83; R²_ВНД=0,55; RMSE_ВНД=1,25%. По фактическим данным, cодержание ПОУ в 0–30 см слое исследуемых почв варьировало от 1,2% до 13,9%. Согласно составленной карте, наибольшее содержание ПОУ выявлено в почвах юго-западной части исследуемой территории.

Заключение. Использование растровых карт предикторов с низким исходным разрешением (1×1 км – WorldClim, 250×250 м – SoilGrids) и улучшенным до 30×30 м в сочетании с картами предикторов среднего разрешения (рельеф, растительность, пространственное положение) позволяет достичь лучших результатов в картографировании содержания ПОУ. Одни группы предикторов (климат, почва, пространственное положение) позволяют отобразить на итоговой карте глобальный тренд в изменении содержания ПОУ, а другие (рельеф, растительность) – дифференцирующие/детализирующие тренды, учитывающие особенности рельефа и растительности. Таким образом, предикторы, характеризующие разные факторы почвообразования, взаимно дополняют друг друга в их совмещённом наборе и позволяют получить более детальные/дифференцированные карты при проведении картографирования содержания ПОУ в почвах.