Оформление полученных карт было проведено с помощью геоинформацион- ной системы QGIS [52].
2. Результаты и их обсуждение
В табл. 1 представлены статистические показатели пространственного варьирования содержания ПОВ в слоях Аспах. Данные показывают значительную дифференциацию верхней части Аспах по содержанию ПОВ, что можно связать с преимущественным его накоплением в верхних слоях [53, 54]. В целом по изучаемому массиву залежи содержание ПОВ в отдельных точках отбора проб характеризуется высокой пространственной вариабельностью во всех слоях Аспах.
Табл. 1
Статистические показатели пространственного варьирования содержания ПОВ в Аспах залежной светло-серой лесной почвы
|
Показатели |
Содержание ПОВ, % |
||
|
Слой, см |
0-5 |
5-10 |
|
|
Объем выборки (n) |
50 |
50 |
|
|
Минимальное значение |
1.40 |
0.83 |
|
|
Среднее значение |
2.03 |
1.27 |
|
|
Максимальное значение |
3.20 |
2.06 |
|
|
Размах варьирования |
1.80 |
1.23 |
|
|
Коэффициент вариации, % |
16.7 |
19.3 |
Анализ ИК-спектров выявил наличие характеристических полос поглощения валентных колебаний ОН-группы (3500-3300 см-1), симметричных и асимметричных валентных колебаний метиленовых групп (2926 и 2852 см-1), валентных колебаний карбонильной группы (1725 см-1), валентных колебаний двойной углерод-углеродной связи (1630 см-1), валентных колебаний Si-O-Si (1009 см-1) и внеплоскостных деформационных колебаний С-Н (780 см-1). Значимая средняя корреляция была обнаружена только между показателями содержания ПОВ и интенсивностью полос поглощения при длинах волн 1630 см 1 (г = -0.49) и площадью полос поглощения в области 1706-1537 см-1 (г = -0.56) (табл. 2). Разница статистически значимых коэффициентов корреляции не является существенной (р = 0.73) при уровне значимости а = 0.05.
Табл. 2
Показатели корреляции между содержанием ПОВ и интенсивностью и площадью поглощения в ИК-диапазоне спектров в образцах из слоя 0-5 см Аспах (п = 28)
|
Волновые числа, см 1 |
r |
Р |
|
|
3395 |
-0.36 |
0.06 |
|
|
2926 |
-0.31 |
0.11 |
|
|
2852 |
-0.21 |
0.28 |
|
|
1725 |
0.19 |
0.33 |
|
|
1630 |
-0.49 |
0.01 |
|
|
1009 |
0.06 |
0.77 |
|
|
780 |
-0.10 |
0.62 |
|
|
3726-2970 |
-0.35 |
0.07 |
|
|
1706-1537 |
-0.56 |
0.00 |
Примечание. Полужирным шрифтом выделены значимые коэффициенты при а = 0.05.
Для большинства почв отмечается достаточно высокая корреляция между содержанием ПОВ и полосами поглощения в ближнем и среднем ИК-диапазонах [39, 40, 55]. Высокие значения корреляции (> 0.9) между отдельными пиками и полосами поглощения в ИК-области и содержанием ПОВ наблюдаются обычно только после специальной обработки спектров, полученных с применением специального спектрального оборудования [38]. При простой спектральной обработке с применением метода линейной регрессии прогноз агрохимических показателей пахотных угодий, как правило, значительно ниже (r = 0.7-0.8) [24]. В нашем случае слабые значения корреляции между пиками поглощения в ИК-диапазоне и содержанием ПОВ могут быть связаны также с разнородным химическим составом ОВ залежных почв. В отличие от пахотных почв, где ОВ представлено в основном устойчивыми к окислению гумусовыми веществами, старопахотные горизонты залежных почв содержат значительное количество новообразованного органического вещества, обогащенного легкими денсиметрическими фракциями с высокой долей алифатических соединений [8, 9, 56]. По всей видимости, для разнокачественного ПОВ залежей не представляется возможным подобрать функциональную группу, а соответственно, и индивидуальную полосу поглощения, которая количественно отражает пул разнородного ОВ, накапливающегося в Аспах под залежной растительностью, и ОВ, унаследованного от пахотной почвы.
Анализ результатов определения в послойных образцах Аспах отражательной способности в видимом диапазоне показывает обратную корреляцию с содержанием ПОВ во всех каналах (от красного до синего) цветового пространства RGB (табл. 3). Максимальная обратная корреляция характерна для красного канала спектра (R), которая составляет r = -0.76 и r = -0.73 для слоев 0-5 см и 5-10 см соответственно. Сравнение коэффициентов корреляции между содержанием ПОВ и интенсивностью отражения в каналах видимого спектра показало, что коэффициенты корреляции по глубинам не различаются при уровне значимости а = 0.05. Наблюдается также обратная корреляция содержания ПОВ и показателя осветленности (L) в цветовом пространстве CIE Lab, однако значение коэффициента корреляции несколько ниже, чем в канале R. Максимальная корреляция содержания ПОВ и отражения в канале R вполне ожидаема и отмечалась ранее в ряде работ [37, 57].
Табл. 3 Показатели корреляции между ПОВ и отражением в каналах видимого спектра в цветовых пространствах RGB и CIE Lab
|
Компоненты цветовой модели |
Корреляция между содержанием ПОВ и интенсивностью отражения |
Значимость разности |
||
|
в каналах видимого спектра |
коэффициентов корре- |
|||
|
Слой Аспах, см |
ляции (p-value) |
|||
|
0-5 |
5-10 |
|||
|
R |
r = -0.76 |
r = -0.73 |
0.79 |
|
|
p = 0.00 |
p = 0.00 |
|||
|
G |
r = -0.62 |
r = -0.52 |
0.42 |
|
|
p = 0.00 |
p = 0.00 |
|||
|
B |
r = -0.49 |
r = -0.59 |
0.48 |
|
|
p = 0.00 |
p = 0.00 |
|||
|
L |
r = -0.68 |
r = -.63 |
0.65 |
|
|
p = 0.00 |
p = 0.00 |
|||
|
Объем выборки (n) |
50 |
50 |
Примечание. R - красный канал, B - синий канал, G - зеленый канал в цветовом пространстве RGB; L - показатель осветленности в цветовом пространстве CIE Lab.
На основе результатов оценки корреляций при построении карт содержания ПОВ по данным аналитического определения в качестве вспомогательного предиктора использовали показатель отражения почвенного материала в красном канале R. Для оценки пространственных закономерностей автокорреляции содержания ПОВ и отражательной способности проводили вариограммный анализ. Данные стандартизировали через ^-преобразование по формуле
где m - среднее значение целевой и вспомогательной переменной, s - стандартное отклонение, х - значение целевой и вспомогательной переменной в точке пространства.
На рис. 2 представлены модельные вариограммы стандартизированных значений содержания ПОВ и значений красного канала, а в табл. 4 - параметры вариограмм. В качестве модельных использовались сферические модели вариограмм.
Анализ вариограмм показывает, что пространственная изменчивость содержания ПОВ в верхних слоях Аспах имеет близкие параметры автокорреляции с показателями канала R в цветовом пространстве RGB как по радиусу корреляции, так и по величине порога. Таким образом, показатель отражательной способности образцов почв, доведенных до воздушно-сухого состояния, в R-диапазоне в видимой области спектра может выступать ковариатой содержания ПОВ в Аспах залежных почв.
Полученные вариограммы нестандартизированных значений ПОВ и канала R, а также кросс-вариограммы (ПОВ + канал R) представлены на рис. 3, а их параметры - в табл. 4.
Табл. 4 Параметры вариограмм стандартизированных значений содержания ПОВ и показателя отражения в красном канале цветового пространства RGB
|
Показа тель |
Модель |
SSErr |
Радиус корреляции, м |
С0 |
С1 |
С0 + С1 |
Сс/ (С0 + С1) |
|
|
ПОВ(0-5 см) |
Sph |
1.Г10"3 |
54.06 |
0.00 |
0.97 |
0.97 |
0.00 |
|
|
R(0-5 см) |
Sph |
1.7T0-3 |
23.05 |
0.69 |
0.24 |
0.93 |
0.74 |
|
|
ПОВ(5-10 см) |
Sph |
0.011 |
28.50 |
0.00 |
0.98 |
0.98 |
0.00 |
|
|
R(5-10 см) |
Sph |
0.002 |
71.98 |
0.49 |
0.46 |
0.98 |
0.50 |
Примечание. SSErr - ошибка подгонки, Со - наггет, Сі - частичный порог, Со + Сі - порог.
Рис. 2. Вариограммы стандартизированных значений содержания ПОВ и интенсивности отражения в красном канале (R) в верхних слоях Аспах
Кросс-переменная, состоящая из значений ПОВ и показателя отражения канала R (табл. 5, ПОВ(0-5 см) + R(o-5 см)) в верхнем слое (0-5 см), по оценке С.А. Кам- барделлы [58], имеет умеренную пространственную зависимость. Кросс -переменная (табл. 5, ПОВ(5-і0 см) + R(5-i0 см)) в нижележащем слое (5-10 см) старопахотного горизонта имеет сильную пространственную зависимость. Содержание ПОВ в слое 0-5 см характеризуется сильной пространственной зависимостью, а зависимость, характерная спектральному показателю, является умеренной. В слое 510 см пространственная зависимость содержания ПОВ ослабевает, а канала R усиливается. Анализ кросс-вариограмм показывает, что значения порога для содержания ПОВ и интенсивности канала R (табл. 5, ПОВ(0-5 см) + R(0-5 см)) для слоя 0-5 см имеют такое же или более высокое значение, чем для вариограмм каждого показателя в отдельности (табл. 4). Для слоя 5-10 см порог кросс-вариограммы (табл. 5, ПОВ(5-10 см) + R(5-10 см)) выше, чем для ПОВ, и ниже, чем для значений канала R. В целом порог кросс-вариограмм для слоя 0-5 см превышает порог кросс-вариограмм для слоя 5-10 см. Результаты перекрестной проверки представлены в табл. 6.
Табл. 5
Параметры вариограмм и кросс-вариограммы
|
Показатель |
Модель |
Диапазон, м |
С0 |
С1 |
С0 + С1 |
О/ (Се + Q) |
|
|
ПОВ(0-5 см) |
Sph |
54 |
0.27 |
0.93 |
1.20 |
0.23 |
|
|
R(0-5 см) |
Sph |
54 |
0.10 |
0.09 |
0.19 |
0.52 |
|
|
ПОВ(0-5 см) + ^(0-5 см) |
Sph |
54 |
0.51 |
0.29 |
0.80 |
0.64 |
|
|
ПОВ(5-10 см) |
Sph |
35 |
0.51 |
0.73 |
1.24 |
0.41 |
|
|
R(5-10 см) |
Sph |
35 |
0.20 |
0.94 |
1.14 |
0.17 |
|
|
ПОВ(5-10 см) + R(5-10 см) |
Sph |
35 |
0.00 |
0.81 |
0.81 |
0.00 |
Примечание. См. обозначения к табл. 4.
Табл. 6
Результаты перекрестной проверки точности интерполированных карт содержания ПОВ, полученных методами ординарного и ковариационного кригинга
|
Показатель |
Ординарный кригинг |
Кокригинг |
|||||
|
ME |
RMSE |
MSDR |
ME |
RMSE |
MSDR |
||
|
ПОВ(0-5 см) |
0.012 |
1.09 |
1.36 |
3.4Н0-4 |
0.69 |
0.85 |
|
|
ПОВ(5-10 см) |
0.014 |
1.00 |
1.00 |
0.001 |
0.68 |
0.61 |
Рис. 3. Кросс-вариограммы содержания ПОВ и показателя отражения в красном канале (R) цветового пространства RGB в верхних слоях Аспах
Из табл. 6, в которой обобщены результаты перекрестной проверки, видно, что значения ME и RMSE при использовании кокригинга для обоих слоев меньше, чем при применении ОК. Наименьшие значения ME и RMSE указывают на наилучший пространственный прогноз. Однако оценка по показателю MSDR не столь однозначна. В целом кокригинг при использовании отражательной способности в канале R видимого спектра в качестве косвенного предиктора позволяет улучшить точность пространственного прогноза по сравнению с результатами использования ординарного кригинга при минимальном наборе пространственных данных.
Заключение