Виды биогеохимических моделей (организм-ориентированные и процесс-ориентированные).

В зависимости от того, как в компартментальных моделях представлены деструкторы органического вещества, их подразделяют на организм‐ориентированные и процесс‐организмориентированные (Paustian, 1994).

Организм‐ориентированные модели рассматривают потоки вещества или энергии через различные (функциональные или таксономические) группы почвенных организмов. Их еще называют моделями пищевых цепей (Brussaard, 1998). Примером наиболее детальной организм‐ориентированной модели может служить модель, описывающая детритную пищевую цепь в короткотравной прерии Hunt et al. (1987). Ее структура представлена на рис. I.4.5.

В процесс‐ориентированных моделях основное внимание уделяется описанию трансформации и движения вещества и энергии. А исключительно важная роль почвенных микроорганизмов в процессах превращения органического вещества в почве учитывается в неявной форме через значения параметров модели.

В структуре моделей этого класса микробный углерод почвы может быть представлен одним (Roth – Ротомстедская модель, Jenkinson, 1990) или большим числом пулов (например, лабильный и стойкий микробный углерод в модели DNDC (DeNitrification DeComposition, Li et al., 1994). Пул микробной биомассы – запасы углерода в микробной биомассе в сравнительном отношении небольшой. На него обычно приходится 1‐4% от общего содержания углерода в почве, поэтому микробный углерод может быть объединен с лабильными органическими соединениями в пул активного органического вещества почвы (CENTURY, Parton et al., 1988).

Однако, даже если в модель включены самостоятельные микробные пулы, они скорее представляет микроорганизмы как субстрат – микробную биомассу, а не как деструкторов.

Процесс‐ориентированные модели динамики органического

вещества почв

Большинство процесс‐ориентированных моделей динамики органического вещества почв имеют сходную структуру, которая представляет собой цепь, звеньями которой являются пулы с возрастающей устойчивостью. Она начинается с поступления углерода органических остатков в пулы органического вещества почвы с возрастающей устойчивостью.

В некоторых моделях поступающие в почву растительные остатки представлены одним пулом. Чаще двумя или большим количеством пулов. Чтобы разделить растительные остатки по устойчивости к разложению, как правило, используют отношение лигнина к азоту (Parton et al., 1994) или отношение С:N (Verberne et al., 1990).

В большинстве моделей органическое вещество почвы представлено двумя или тремя пулами, различающимися по устойчивости к разложению. Модели, в которых органическое вещество почвы представлено только одним пулом, могут быть полезны для определения стационарных состояний системы и изучения их устойчивости. Для удовлетворительного описания динамики органического вещества почв нужно включать большее количество пулов. Это связано с тем, что компоненты органического вещества почвы различаются по скоростям оборота в десятки раз, а ошибки динамических моделей заметно возрастают уже при агрегировании переменных, различающихся по скоростям оборота более чем в три раза (Gardner et al., 1982). Проверка моделей показала, что после предварительной калибровки хорошее согласие с результатами наблюдений за многолетней динамикой общего углерода почвы дают модели, в которых представлено, по меньшей мере, два – три пула органического вещества, которые значительно различаются по скоростям оборота (Elliott et al., 1996).

Чтобы познакомиться со структурой процессориентированных моделей, рассмотрим потоковые диаграммы, отражающие структуру Ротамстедской модели RothC (Rothamsted C model) (Jenkinson, Rayner, 1977; Jenkinson, 1990; Coleman, Jenkin son, 1996) и модели CENTURY (Parton et al., 1988; 1994; Parton, 1996). Они получили наиболее широкую известность среди моделей, описывающих динамику органического вещества почв.

Ротамстедская модель первоначально была создана для описания динамики органического С в пахотных почвах Ротамстедских длительных полевых экспериментов. Эти эксперименты стартовали более 150 лет назад и представляют уникальный материал для изучения круговорота углерода в почве. Отсюда и происхождение названия этой модели. Затем ее применение было расширено на описание круговорота углерода в почвах естественных травяных и лесных экосистем умеренной зоны. В настоящее время RothC используется для изучения круговорота углерода в разных типах почв, при разных климатических условиях, в широком масштабе от локального и полевого до регионального и глобального (Cerri et al., 2003; 2007; Shirato et al., 2004; Smith et al., 2005; Falloon et al., 2006; Романенков и др., 2009; Farina et al., 2013).

Ротамстедская модель включает пять пулов органического углерода. Растительные остатки представлены двумя пулами, которые названы «разлагаемый растительный материал» (DPM – decomposable plant material) и «стойкий растительный материал» (RPM – resistant plant material). При разложении органического вещества этих пулов часть углерода теряется системой в форме СО2, а другая поступает в пулы «микробная биомасса» (BIO) и «гумифицированное органическое вещество» (HUM). Еще один пул этой модели представляет устойчивое к биологической атаке инертное органическое вещество почвы (IOM – inert organic matter).

Этот пул не связан с другими пулами модели. На содержание углерода в нем не влияют изменения климата и хозяйственных воздействий. Его размер конечно важен, но он не может по определению служить стоком для атмосферного СО2. Средний возраст инертного органического вещества 50000 лет (Coleman and Jenkinson, 1996). Описание в модели RothC пула, характеризующего инертное органическое вещество, позволило получить реалистичные оценки возраста почв, согласующиеся с данными радиоуглеродных измерений образцов верхних горизонтов почв, собранных до термоядерных испытаний (Falloon et al., 1998b; Falloon and Smith, 2000b).

Структура Ротамстедской модели (RothC) представлена на рис. I.4.6.

Модель CENTURY относится к моделям экосистемного уровня (https://www.nrel.colostate.edu/projects/century/). Она описывает круговорот углерода и биофильных элементов (N, P, S) в системе почва – растения. CENTURY может использоваться для изучения агроэкосистем, а также естественных травяных и лесных экосистем. Модель имеет блочную структуру, которую характеризует общая потоковая диаграмма (рис. I.4.7).

Наземные и подземные органические остатки разделены на структурный и метаболический пулы в зависимости от отношения лигнина к азоту в растительных остатках. Чем выше это отношение, тем большая часть растительных остатков поступает в структурные пулы, которые имеют значительно меньшую скорость разложения, чем метаболические пулы. Структурные пулы содержат весь лигнин растительных остатков.

В результате микробного разложения растительных остатков и органического вещества почвы образуется СО2. Потери СО2 при разложении активного пула органического вещества почв зависят от их гранулометрического состава. Они возрастают с увеличением содержания песка.

Предполагается, что при разложении органического вещества «структурных» пулов весь лигнин растительных остатков поступает непосредственно в медленный пул органического вещества

почвы, минуя пул наземных микроорганизмов и активный пул органического вещества почвы.

Активный пул состоит из микробов и микробных продуктов, с коротким временем оборота от месяцев до нескольких лет в зависимости от условий среды и содержания песчаной фракции. От текстуры почв зависит поступление органического вещества в медленный пул. Оно выше в глинистых почвах.

Медленный пул представлен органическим веществом, поступившим из структурных пулов растительных остатков и физически защищенными микробными продуктами, поступившими из пула наземных микробов и активного пула. Время оборота органического вещества этого пула составляет 20‐50 лет.

Пассивный пул очень устойчив к разложению (время оборота от 400 до 2000 лет). Он включает органическое вещество, защищенное химическими и физическими механизмами стабилизации. Доля органического С, которая направляется в пассивный пул при разложении органического вещества активного и медленного пулов возрастает с увеличением содержания глины.

Часть продуктов разложения из активного пула теряется в результате выщелачивания. Выщелачивание зависит от скорости разложения и текстуры почв. Оно уменьшается с увеличением содержания глины. Выщелачивание происходит только в случае, когда вода просачивается глубже 30 см.

Результаты многочисленных испытаний модели CENTURY с использованием экспериментальных данных, полученных в разных регионах в том числе и в России (Gilmanov et al., 1997; Mikhailova et al., 2000), показали, что она успешно работает в широком диапазоне условий среды. Поэтому ее часто используют для решения различных экологических проблем разного масштаба.

Процессные модели педогенеза, в явном виде описывающие миграцию вещества в почвенном профиле: модель ORTHOD (прим. мне кажется тут какая-то ошибка, я в книге даже такой аббревиатуры не встретил, в интернете тоже глухо), SOILGEN, модель элювиального процесса УИП5.

Концептуальную основу математических процессных моделей педогенеза представляет модель Роя Симонсона (Simonson, 1959). Схематически она представлена на рисунке ниже.

Известные процессные модели педогенеза условно можно разделить на две группы. Первую представляют ландшафтные модели, развитые в геоморфологии. При построении моделей эволюции ландшафта, возникла необходимость связать латеральный перенос вещества в результате эрозии с процессом почвообразования, так как направление и скорость геоморфологических процессов сильно зависят от свойств почв и характера растительного покрова. В этих моделях почва представлена не разделенной на горизонты толщей, мощность которой изменяется во времени в результате двух основных процессов: выветривания почвообразующей породы и эрозии. Ландшафтные модели отражают преобразование и перемещение только твердой фазы почвы и не описывают явно циркуляцию воды и растворенных веществ в почве. Модели второй группы сосредоточены на описании образования и развития почвенного профиля. Назовем их профильными. Как правило, для простоты предполагается, что поверхность почвы статична. В этом случае моделируется дифференциация исходно условно однородной почвообразующей породы на горизонты или описываются изменения уже существующего почвенного профиля в процессе эволюции. В этих моделях в явной форме описаны потоки воды и растворенных веществ в почве.

В качестве примера рассмотрим первую модель из этой серии УИП5. Автор назвал ее моделью «идеального подзола», чтобы подчеркнуть, что речь идет не о моделировании формирования конкретного реального профиля, а об абстрактном профиле.

Суть этой идеализации заключается в предположениях, лежащих в основе модели.

Предположения, принятые при построении модели УИП5

Для простоты в модели не рассматривается латеральный перенос вещества, поэтому поверхность принята статичной.

Предполагается, что в начальный момент времени есть гомогенная рыхлая водопроницаемая почвообразующая порода. Это может быть гомогенная толща песка, обеспечивающая свободную фильтрацию воды с растворенными в ней веществами сквозь всю элювиируемую толщу. Песок состоит из двух минералов: конгруентно растворимого силиката (например, средне‐основного плагиоклаза) и практически нерастворимого (или очень медленно растворимого) минерала, например, кварца. На поверхность породы непрерывно поступает поток влаги, содержащей растворенное органическое вещество любой природы. Поступающий раствор является агрессивным по отношению к породе и условно назван «фульво». Такой поток вертикально просачивается с постоянной скоростью через всю толщу. Проникая вглубь, поток влаги с растворенным «агрессором» взаимодействует с породой так, что полностью и конгруэнтно растворяет «плагиоклазы». Все продукты разрушения выносятся в растворенной форме за пределы элювиальной толщи, а нерастворимая часть породы «кварц» остаточно накапливается в зоне элювиирования.

Эта схема «идеального» элювиального процесса, конечно, сильно упрощает реальный элювиальный процесс, но, тем не менее, она отражает его существенные черты в некоторых почвах гумидных областей: промывной водный режим; наличие в поступающих и просачивающихся растворах веществ – агрессоров, способных разрушать почвообразующие породы; наличие условий свободного выноса из зоны элювиирования продуктов растворения минералов. Она вполне приложима к формированию подзолистого горизонта в песчаных подзолах.

Модель «идеального подзола» УИП 5, описывает динамику следующих пяти переменных состояния: влаги (w), «фульво» (f); материнской породы (m1); «кварца» (m2); «биофила» (с). «биофил» – это вещество, образующиеся в результате растворения материнской породы под действием «фульво». Предполагается, что материнская порода взаимодействует с «фульво» по схеме:

m1 + f = m2 + c. Размерность переменных состояния (г/см3). В одномерном варианте, когда все величины зависят только от одной пространственной координаты z, направленной вертикально вниз, она представляет собой систему пяти дифференциальных уравнений следующего вида:

где w v – скорость перемещения влаги в почве; Dw, Df, Dc – коэффициенты диффузии влаги, «фульво» и «биофила» (два последних по отношению к влаге) в почве, τf – скорость «самораспада» «фульво» – исчезновение, не связанное с переносом или реакцией с материнской породой; β – константа скорости разложения материнской породы; μf , μc , μ2 – параметры (отношения молекулярных масс «фульво», «биофила» и кварца и соответствующих молекулярных масс породы); А(z,t) – безразмерный корневой фактор, характеризующий распределение активности корней, аw аc – параметры поглощения корнями влаги и «биофила» соответственно.

В (5.16) уравнение (1) описывает динамику влаги в почве. Первое слагаемое в правой части этого уравнения описывает диффузию влаги в почве (Dw – коэффициент диффузии), а второе ее поглощение корнями. А(z,t) характеризует распределение активности корней. Динамику «фульво» описывает уравнение (2), в левой части которого представлен конвективный перенос «фульво» водой. В правой части этого уравнения учтена диффузия «фульво» в растворе (Df), самораспад «фульво» за характерное время τf, под которым понимаются любые процессы, приводящие к разложению или потере активности, и «гибель» «фульво» в результате связывания с материнской породой. Уравнение (3) характеризует скорость разложения материнской породы с постоянным кинетическим коэффициентом β. Уравнения (4) и (5) описывают динамику «биофила» и кварца соответственно.

Для решения системы (5.16) нужно задать начальные и граничные условия. Начальные условия – это распределение по z для переменных состояния модели. Для простоты принято, что в начальный момент кварц, «фульво» и «биофил» в почве отсутствуют. Граничные условия. Поскольку рассматриваются три мигрирующих по профилю почв субстанции, описывемые уравнениями в частных производных (уравнения 1, 2, 4) для них должны быть заданы условия на поверхности z = 0 и на нижней границе почвенного профиля z = L. На поверхности были заданы постоянные потоки влаги, «фульво» и «биофила». На нижней границе следует ставить условия на интенсивность просачивания влаги и растворенных веществ. В простейшем случае, можно считать, что просачивания за нижнюю границу не происходит.

Рассматриваемая модель использовалась для анализа динамики фронта элювиирования (ФЭ). Фронт элювиирования – зона перехода от области неразрушенной породы к области, где эта порода полностью разрушена. Правильнее говорить о зоне перехода, ниже которой разрушено, например <30% материнской породы, а выше сохранилось неразрушенной около 30% материнской породы. Модель позволяет ответить на следующие вопросы:

1. Представляет ли фронт элювиирования после некоторой стадии формирования «стационарную» в дальнейшем структуру, или его параметры (например, толщина) непрерывно изменяются?

2. Если ФЭ выходит в стационарное состояние, то каково время выхода в это состояние?

3. Чем определяется толщина фронта элювиирования?

4. От чего зависит скорость перемещения ФЭ вглубь толщи материнской породы?

Результаты выполненных численных расчетов с реалистическими значениями кинетических коэффициентов находятся в разумном согласии с данными наблюдений. Представленные материалы свидетельствуют об эффективности модели УИП‐5. Эта модель относится к типу базовых «минимальных» моделей. Их используют для изучения основных динамических свойств системы, поэтому они имеют предельно простую «минимальную» структуру, при их построении стараются по возможности исключить детали, чтобы понять суть изучаемых явлений. Полученные результаты свидетельствуют о целесообразности развития моделей педогенеза этого типа.

Следующая модель педогенеза SoilGen, которую мы рассмотрим, относится к классу более детальных имитационных моделей (Finke, Hutson, 2008; Finke, 2012; Opolot et al., 2015). Она предназначена для изучения педогенеза в масштабе нескольких тысячелетий (до 15000 лет). SoilGen описывает формирование почвенного профиля в результате взаимодействия биологических, геохимических и физических процессов. Очень существенно, что SoilGen отражает связь факторов почвообразования («CLORPT») с процессами почвообразования (табл. 5.1). Модель описывает вертикальный перенос тепла, влаги, растворенных веществ, миграцию глины, физическое и химическое выветривание, различные химические равновесия, катионный обмен, корневое поглощение элементов, круговорот углерода, диффузионный поток СО2 и биотурбации. Кроме того, она отражает антропогенное воздействие на почвообразование, учитывая эрозию, вспашку и внесение удобрений. В SoilGen процессы вертикального переноса в почве воды и растворенных веществ моделируются аналогично модели LEACHCM, описывающей движение воды и растворенных веществ в ненасыщенной зоне (Hutson, 2003).

Взаимодействие между почвой и растительностью в SoilGen представлено ежегодным поступлением опада и корневым поглощением ионов. Параметры, характеризующие эти процессы, определяются одним из четырех типов растительного покрова (травы/кустарники, сельскохозяйственные культуры, хвойные и широколиственные леса). Углеродный цикл описан в соответствии с Ротамстедской моделью RothC 26.3 (Jenkinson, Coleman, 1994).

Процессы почвообразования, имитируемые SoilGen, имеют разный временной масштаб от миллисекунд до тысяч лет. Поэтому вычисления для разных процессов проводятся с разным шагом по времени. Например, теплоперенос моделируется с часовым шагом, превращения органического вещества вычисляются с суточным шагом, а биотурбации с ежегодным. Однако все выходные данные представляются с годовым шагом (Opolot et al., 2015).

Факторы почвообразования («CLORPT») представлены в SoilGen в качестве входных параметров, характеризующих начальные или граничные условия.

Подробное описание модели SoilGen приведено в работах Finke and Hutson (2008) и Finke (2012).

Проверка модели показала, что она дает разумные результаты, как в масштабе почвенного профиля, так и в масштабе ландшафта. Она успешно использовалась для моделирования миграции глины в почвах, используемых в лесном и сельском хозяйстве в северной Франции, для оценки влияния биотурбаций в результате вывала деревьев на мощность профиля, для объяснения эффекта крутизны склона и экспозиции на почвенные свойства и глубину декальцификации, для оценки влияния климата на карбонатные лессовые почвы. Чтобы оценить способность SoilGen описывать развитие почвы, она применялась для описания почвенных хронорядов Норвегии. Оценивалось изменение рН, степени насыщенности основаниями, емкости катионного обмена, содержания глины и органического углерода. Сделанные выводы свидетельствует о довольно хорошем качестве модели (Opolot et al., 2015).

Д.Г. Бокхейм и А.Н Геннадиев (Bockheim, Gennadiyev, 2000) рассмотрели проблему соотношения классификации почв с концепцией о почвообразовательных процессах. Они показали, что мировая реферативная база почв (WRB) использует систему диагностических свойств и горизонтов, выбор которых основан на глубоких генетических принципах, что позволяет объяснить их формированием определенным набором из 17 основных почвообразовательных процессов. Разработчики SoilGen предложили внести в этот список еще пять процессов (эрозию, осаждение вещества на поверхности почвы, физическое выветривание, химическое выветривание и биотурбации), которые важны не для диагностики и классификации почв, а для оценки изменения их состояния в ландшафте. Полученный таким образом список из 22 процессов может служить основой для моделирования характерных особенностей (за исключением морфологических свойств) почв реферативных почвенных групп, входящих в мировую реферативную базу. Современная версия SoilGen способна моделировать основные характеристики 15 реферативных почвенных групп, а потенциально за счет включения дополнительных почвообразовательных процессов их количество может увеличиться до 24. С моделированием оставшихся 8 почвенных групп, входящих в WRB (WRB; IUSS Working Group WRB, 2006) пока много проблем, обусловленных сложностью почвообразовательных процессов (Opolot et al., 2015).

Для дальнейшего развития этой модели, ее калибровки и проверки нужны надежные данные, характеризующие климо‐, топо‐ и хроноряды почв.

Рассмотренные выше ландшафтные и профильные модели дополняют друг друга. Для дальнейшего развития математической теории педогенеза важна интеграция ландшафтных и профильных моделей, чтобы получить 3D модели отражающие развитие и эволюцию почв в ландшафте с учетом образования и развития почвенных горизонтов. На наш взгляд, для совершенствования моделей педогенеза очень важно учесть достижения в развитии моделей биогеохимических циклов основных биофильных элементов, так как трудно переоценить роль биологического круговорота в почвообразовании.

В настоящее время математическая педодинамика находится только на первом этапе своего развития. Однако возрастание сложности экологических и социальных проблем потребует ее быстрого развития в XXI веке.