ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Балалаєв Олександр Костянтинович

УДК [631.472.8+631.42+630*1] (477.6)

Еколого-мікроморфологічна оцінка едафотопів

лісових екосистем степового Придніпров’я

(стан, охорона, прогноз)

03.00.16 – екологія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Дніпропетровському національному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | доктор біологічних наук, професор

Білова Наталія Анатоліївна,

Академія митної служби України,

кафедра товарознавства та митної експертизи, начальник

Офіційні опоненти: | доктор біологічних наук, професор

Узбек Іван Харлампійович,

Дніпропетровський державний аграрний університет, кафедра загального землеробства, завідувач

кандидат біологічних наук, доцент

Ющук Євген Давидович,

Криворізький державний педагогічний університет,

кафедра ботаніки та екології, доцент

Провідна установа: | Донецький національний університет

Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 27.05.2005 року о -- годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті за адресою: 49050, МСП, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, корпус 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету Міністерства освіти і науки України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13.

Автореферат розісланий 23.04.2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат біологічних наук, доцент Дубина А. О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Актуальність теми. Відомо, що синекологія вивчає в першу чергу біогеоценотичний рівень розвитку біосфери. Серед компонентів лісового біогеоценозу ґрунт – підсумковий його компонент, тонка плівка, яка створює необхідні умови для розвитку рослин.

Для успішного створення полезахисних, меліоративних та рекреаційних лісонасаджень у степу необхідне наукове обґрунтування охорони, відновлення й управління природними і штучними лісовими екосистемами в умовах антропогенного тиску, точне і грамотне втручання в складні біогеоценотичні процеси взаємодії лісового біогеоценозу з ґрунтами.

Екологічна мікроморфологія ґрунтів (Білова, 2000) є безпосереднім, надійним і наочним методом вивчення мікроморфологічної організації, від якої значною мірою залежать живильні, гідротермічні, повітряні режими ґрунту і в кінцевому рахунку його родючість. Із упровадженням комп’ю-терних технологій з’являється можливість одержання достовірної всебічної екологічної оцінки середовищеперетворювального синекологічного впливу лісової рослинності на макро- , мезо- та мікроструктуру едафотопу. Це має велике теоретичне та практичне значення для успішного відновлення і створення лісових біогеоценозів у степу.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Робота була виконана у складі Комплексної експедиції Дніпропетровського національного університету відповідно до наукових планів відділу екології й охорони природи НДІ біології ДНУ з вивчення природних і штучних лісів степової зони України в рамках держбюджетних науково-дослідних тем д/б 01-9-97 (№ 0197V000657), 01-132-00 (№ 0100V005212), 3-038-03 (№ 0103V000557), договір Ф 7/245 (2001–2005).

Мета і задачі дослідження. Головна мета роботи – на основі еколого-мікроморфологічного дослідження лісових едафотопів Степового Придніпров’я, базуючись на результатах математичного моделювання, розробити систему кількісної оцінки ґрунтової мікроструктури з використанням сучасних комп’ютерних технологій.

Відповідно до поставленої мети визначено наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

-

Об’єкт досліджень едафотопи природних та штучних лісових біогеоценозів у межах головного моніторингового профілю Присамарського міжнародного біосферного стаціонара; едафотопи лісових штучних насаджень рекультивації порушених земель Західного Донбасу.

Предмет дослідження комп’ютерні зображення мікрошліфів ґрунту різних генетичних горизонтів, за якими визначаються інтеґральні показники екологічного стану ґрунтів, їх мікроструктури та порового простору.

Наукова новизна одержаних результатів. Уперше для дослідження лісових ґрунтів Степового Придніпров’я розроблено методи кількісної оцінки еколого-мікроморфологічного стану ґрунтової структури з застосуванням сучасних комп’ютерних технологій. Установлено характерні риси мікроструктуроутворення лісових едафотопів та обчислено їх інтеґральні характеристики і геометричні особливості; застосовано удосконалений метод комп’ютерного введення, аналізу і збереження зображень ґрунтових мікрошліфів, що дозволяє значно підвищити точність і оператив-ність досліджень. Створено нову комп’ютерну програму автоматичної морфометрії характеристик ґрунтової мікроструктури, у якій застосовані сучасні досягнення в області цифрової обробки зображень. Знайдено інтеґральні показники оструктуреності ґрунту, здатні інформативно і достовірно оцінювати мікроструктурний стан едафотопів. Проведено статистичний аналіз інформа-тивності мікроморфометричних показників ґрунтової структури різних типів лісових біогеоценозів. Створено ориґінальну візуалізовану комп’ютерну модель, яка імітує ґрунтову мікробудову.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати досліджень дозволяють оперативно і з високою вірогідністю діагностувати екологічний стан едафотопів існуючих полезахисних насаджень, штучних і природних лісів; надають можливість відслідковувати генезис і прогнозувати шляхи розвитку лісових екосистем у майбутньому; можуть бути використані для вибору лісомеліоративних заходів щодо поліпшення родючості сільськогосподарських угідь, при створенні нових стійких і довговічних насаджень, у процесі рекультивації порушених ґрунтів. Застосування одержаних висновків корисно при оцінці вартості землі і її придатності для сільськогосподарської, будівельної і будь-якої іншої мети.

Матеріали роботи впроваджено у мікроморфологічні дослідження НДІ біології ДНУ, у природоохоронну діяльність Дніпровсько-Орільського природного заповідника та в навчальний процес Дніпропетровського та Чернівецького національних університетів.

Особистий внесок здобувача. Виконання обчислювального експерименту, математичне моделювання, створення програмного забезпечення, обґрунтування результатів і висновки зроблено особисто автором у період з 1996 по 2004 р. Еколого-мікроморфологічний опис ґрунтових шліфів проведено під керівництвом д. б. н., проф. Білової Н. А.

У роботах [4] (співавтор Іванько І. А.) особисто здобувачем обґрунто-вано результати дослідження, виконано багатовимірний статистичний аналіз; [5] (співавтор Яковенко В. М.) створено програмне забезпечення, проведено обчислювальний експеримент, сформульовано висновки; [8] (співавтор Котович О. В.) сформульовано мету, виконано статистичну обробку результатів, зроблено висновки; [9] (співавтор Білова Н. А.) наведено оцінку сучасних комп’ютерних методів у дослідженні ґрунтів.

Права співавторів колективних публікацій не порушено.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на 3 Міжнародній конференції “Франція та Україна” (Дніпропетровськ, 1996), на конференції молодих учених та спеціалістів “Актуальні проблеми ботаніки та екології” (Харків, 1996), 1 Міжнародній конференції “Структура та функціональна роль тваринного населення в природних та трансформованих екосистемах” (Дніпропетровськ, 2001), 4 Міжнародній науковій конференції “Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку” (Донецьк, 2003), на щорічних підсумкових наукових конференціях Дніпропетровського національного університету.

Публікації. Результати досліджень опубліковані в 17 наукових працях, 13 з яких статті у виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота включає вступ, 8 розділів, висновки, список використаної літератури (317 джерел, з яких 102 – на іноземних мовах), додаток. Загальний обсяг дисертації складає 270 сторінок, з них основного тексту – 196 сторінок. Робота містить 15 таблиць, 40 малюнків, 6 додатків.

Автор щиро вдячний науковому керівнику роботи д. б. н., проф. Н. А. Біловій і чл.-кор. НАН України, д. б. н., проф. А. П. Травлєєву за вагомі поради і допомогу при виконанні дисертаційного дослідження. Окрема подяка к. б. н., наук. співроб. НДІ біології ДНУ В. М. Яковенку за надання можливості використання додаткового польового матеріалу.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

АНАЛІЗ НАУКОВИХ ДЖЕРЕЛ

Питаннями вивчення формування ґрунтової структури та її зв’язку з екологічними факторами займалися видатні вчені В. В. Докучаєв, П. А. Костичев, В. Р. Вільямс, Г. М. Висоць-кий, В. М. Сукачов, Г. Ієні. На розвиток їхніх ідей спрямовані фундаментальні роботи, викладені у працях Л. Г. Раменського (1938), В. Р. Волобуєва (1963), Г. В. Добровольського та С. О. Шоби (1978), А. М. Полякова (1984), Л. О. Карпачевського (1994), Н. А. Білової і А. П. Травлєєва (1999). Сучасні уявлення про структурно-функціональну роль ґрунту як компонента екосистеми пов’язані з проблемою біорізноманіття (Дідух, Плюта, 1994; Шеляг-Сосонко, Емельянов, 1997; Добровольский и др., 1997; Дідух, 1998; Емельянов, 1999; Узбек, 2001; Добровольский, 2003).

Ряд робіт присвячений кількісній мікроморфометричній оцінці ґрунтової структури і порового простору, у тому числі із застосуванням сучасних комп’ютерних методів (Jongerius et al., 1972; Ismail, 1975; Ringrose-Voase, Bullock, 1984; Thompson et al., 1992, Скворцова, Морозов, 1993; Скворцова, 1994; Anderson et al., 1996; Protz, VandenBygaart, 1998; VandenBygaart et al., 2000; Медведев, 2002; Кызласов, 2004).

ФІЗИКО-ГЕОГРАФІЧНІ УМОВИ степового Придніпров’я

Зроблено опис особливостей рельєфу та геоморфологічної структури території Степового Придніпров’я (Соболев, 1948; Бельгард, 1971; Пасічний, 1992). Наведено характеристику гідрологічних (Травлеев, 1975) та кліматичних умов регіону досліджень (Чугай, 1960; Грицан, 2000). Розглянуто особливості складу рослинного покриву (Лавренко, 1954; Бельгард, 1950) та тваринного світу (Булахов, 1977; Апостолов, 1981; Пахомов,1998; Жуков, 2001). Надано характеристику ґрунтового покриву (Травлеев, 1972; Белова, Травлеев, 1999).

МЕТОДОЛОГІЧНІ І МЕТОДИЧНІ ПРИНЦИПИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Відправною ідеєю в роботі є вчення В. М. Сукачова (1964) про біогеоценоз; учення С. В. Зонна (1964) про ґрунт як компонент лісового біогеоценозу; учення Г. М. Висоцького (1962) про глибокопрофільне ґрунтознавство; типологія штучних і природних лісів степової зони О. Л. Бельгарда (1950, 1971); концепція екологічного ґрунтознавства, що розвивається Л. О. Карпачевським (1994), А. П. Травлєєвим (1999); методологічні підходи екологічної мікроморфології ґрунтів, розроблені Н. А. Біловою (2000).

В основу методологічного підходу дослідження ґрунту покладено поняття про ґрунт як складну ієрархічну систему з різноманітними і взаємозалежними зв’язками між різними просторовими рівнями її організації (Корнблюм, 1975; Розанов, 1975; Воронин, 1984); концепція ґрунтової матриці (Белова, Травлеев, 1999; Зубкова, Карпачевский, 2001); багатофазність і багатокомпонентність ґрунтового субстрату (Розанов, 1983; Добровольский, 2003), уявлення про мікроструктурну організацію едафотопу як екологічну нішу (Гиляров, 1949; Звягинцев, 1973; Бигон и др., 1989; Стриганова, 1996; Добровольский, 2003); положення про диференціальну порозність ґрунту (Качинский, 1965; Ревут, 1972; Воронин, 1986; Шеин и др., 1988; Hillel, 1998).

Методичні принципи мікроморфологічних досліджень запозичені з монографій і методичних посібників (Польский, 1952; Brewer, 1964; Поляков, 1965; Розанов, 1975; Парфенова, Ярилова, 1977; Шоба и др., 1981; Ромашкевич, Герасимова, 1982; Добровольский, 1983; Handbook .., 1985; FitzPatrick, 1993).

У роботі використано індекси ґрунтових горизонтів, запропоновані главою української ґрунтової школи академіком А. Н. Соколовським (1956). Виготовлення високоякісних прозорих плоскопаралельних тонких шліфів проводилося за методикою Е. Ф. Мочалової (1956) співробітниками лабораторії мікроморфології ґрунтів НДІ біології ДНУ під керівництвом д. б. н., проф. Н. А. Білової.

ПРИНЦИПИ КІЛЬКІСНОЇ ОЦІНКИ ҐРУНТОВОЇ МІКРОСТРУКТУРИ З ВИКОРИСТАННЯМ КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

Традиційні мікроморфометричні методи вимірів мають істотні недоліки. Це насамперед низька точність, суб’єктивізм, велика тривалість процедури виміру, швидка втомлюваність дослідника у роботі з мікроскопом і т. ін.

Застосування комп’ютерних технологій у мікроморфологічному експерименті дозволяє підвищити швидкість, достовірність і точність мікроморфометричних вимірів; дає можливість одержати цифрові копії зображення ґрунтового шліфа для подальшої обробки на комп’ютері і проводити автоматичний пошук і визначення геометричних ознак ґрунтових об’єктів (пор, агрегатів і т. п.); дозволяє обчислювати інтеґральні критерії оцінки ґрунтової структури і створювати електронні бази даних.

Представлена блок-схема (рис. 1) комп’ютерної методики введення, обробки і збереження цифрових зображень ґрунтових мікрошліфів наочно віддзеркалює всі етапи експерименту.

Авторська програма комп’ютерної обробки ґрунтових зображень (Балалаев, 2002) написана об’єктно-орієнтованою мовою Visual C++ (MFC) з використанням М-функцій пакетів розширення Image Processing Toolbox, Wavelet Toolbox, Statistics Toolbox системи MATLAB.

Теоретичні основи цифрової обробки й аналізу зображень, алгоритми і методи, на яких заснована робота програми, викладені в літературних джерелах (Castleman, 1979; Прэтт, 1982; Павлидис, 1986; Роджерс, 1989; Gonzalez, Woods, 1992; Рудаков, Сафонов, 2001; Бондарев и др., 2001; Дьяконов, Абраменкова, 2002). Крім того, застосовано методи, запозичені з математичної морфології (Serra, Ley, 1988; Pitas, Venetsanopoulos, 1989; Banon, Barrera, 1991; Konstantinides, Rasure, 1994) і комп’ютерної геометрії (Препарата, Шеймос, 1989; Роджерс, Адамс, 2001).

Рис. 1. Блок-схема комп’ютерної системи кількісної діагностики

ґрунтових мікрошліфів

Увесь програмний код можна поділити на два великих блоки: 1) бінаризація на основі локального граничного поділу за рівнем яскравості вихідного напівтонового зображення, пошук незв’язаних об’єктів, обчислення їхніх розмірів, коефіцієнтів форми, орієнтації, геометричних і топологічних ознак об’єктів, їхніх контурів і скелетів; 2) перетворення вихідного зображення: оцінка фрактальної розмірності та інформаційних ентропій, побудова рози орієнтації, спектральний Фур’є- і вейвлет-аналізи та ін. для обчислення інтеґральних критеріїв, які характеризують ґрунтову мікроструктуру в цілому.

ЕКОЛОГО–МІКРОМОРФОЛОГІЧНА ОЦІНКА

ЛІСОВИХ БІОГЕОЦЕНОЗІВ СТЕПОВОГО ПРИДНІПРОВ’Я

Едафотопи степових біогеоценозів (ПП 201). Зображення ґрунтових шліфів використані в дослідженні як контроль. Загальна пористість для всіх горизонтів досить низька (< 0,3 од.) (рис. 2), що свідчить про відносно щільне додавання ґрунтової маси, особливо в горизонті P2k. Максимум загальної пористості досягається в горизонті Н2 за рахунок великого об’єму субмакро- і макропор. Зі збільшенням глибини загальна пористість стабільно знижується, різко зменшуючись у 2 рази у самому нижньому горизонті, де внесок субмакропор у загальну пористість незначний. Мезопори у всіх горизонтах вносять мінімальний вклад у загальну пористість (0,01) і порову поверхню (13–20від загальної порової поверхні).

Максимальний внесок у загальну поверхню порового простору вносять макропори (60–70Це пов’язано як з їхньою підвищеною чисельністю, так і зі звивистою, розгалуженою формою. Частка субмакро- і мезопор приблизно однакова ( 20Спостерігається приріст поверхні мезопор унаслідок збільшення їхньої кількості. Частка поверхні субмакропор визначається не їх кількістю, а складною фракталоподібною формою.

Рис. 2. Зміни пористості і частки поверхні, зайнятої субмакро- , макро-

і мезопорами, в горизонтах ґрунтового профілю пробних площ

За абсцисою: зліва – пористість, справа – частка поверхні; за ординатою –
генетичні горизонти

Едафотопи штучних лісових насаджень на плакорі (ПП 224). Вплив штучних лісових насаджень на пористість едафотопу полягає в різкому збільшенні загальної видимої пористості (0,64 од.) і частки субмакропористості в загальній довжині поверхні (72для гумусового горизонту Н1 (рис. 2). У нижчерозташованих горизонтах спостерігається послідовне зниження загальної пористості і ступеня впливу субмакропор до материнської породи. Для лесовидного суглинку характерна низька загальна пористість (0,12 од.) і високий внесок у загальну поверхню порового простору макро- (65і мезопор (20–28 %). Отримані значення близькі з показниками пористості нижніх горизонтів контрольної пробної площі.

Знайдені розподіли пористості і відмінності геометрії пор у верхніх горизонтах порівняно з контрольним едафотопом є наслідком середовищеперетворювального впливу лісових насаджень на степові едафотопи. Вплив лісової рослинності на плакорі має подібну спрямованість і специфічні особливості порівняно з природними лісами байраків.

В едафотопах природного байрачного лісового масиву (ПП 204) при збільшенні глибини загальна видима пористість закономірно зменшується (рис. 2). Така сама тенденція виявляється й у зниженні частки загальної поверхні субмакропор і в збільшенні відсотка макропор. При цьому максимальна загальна пористість (0,6 од.) і частка поверхні (85 характерні для нижнього елювіального горизонту Н2el1 і формуються переважно за рахунок субмакропор.

Висока агрегованість і відносно велика видима пористість елювіальних горизонтів, а також щільна будова і низька видима пористість ілювіальних горизонтів є наслідком текстурної диференціації профілю байрачних ґрунтів у результаті лесиважу.

Для горизонта материнської лесової породи Рk характерно подальше зниження загальної пористості і субмакропористості. Макропор за займаною загальною площею і довжиною границь – абсолютна більшість. Співвідношення поверхні субмакропор до поверхні мезопор приблизно таке саме, як у нижньому горизонті ПП 201.

Едафотопи природних долинних лісів Присамар’я (ПП 209). Верхній горизонт Н1 відрізняється за середньою пористістю (0,28) і переважанням поверхні макропор (66,7(рис. 2). Максимум загальної пористості (0,44) установлено для горизонта Н2 , який виникає за рахунок субмакропористості внаслідок високої агрегованості та губчастості ґрунтового матеріалу горизонта (47,2від загальної порової поверхні). Частка поверхні макропор також висока (45,8Перехідний горизонт НР характеризується мінімальною загальною пористістю, переважанням поверхні макро- (65,2і мезопор (29,5Зниження загальної пористості можна пояснити присут-ністю рухливих органічних тонкодисперсних компонентів алювіального походження, що проникають головним чином у субмакропори і частково в макропори, зменшуючи їх об’єм. Сказане підтверджує невелике збільшення загальної, субмакро- і макропористості в горизонтах Ph і Р, де кількість тонкодисперсного матеріалу знижується.

Едафотопи ділянок лісової рекультивації Західного Донбасу створені для усунення негативних наслідків осідання території і підтоплення у результаті підробітку вугільних шарів (Белова, 1997; Травлеев, Овчинников, Зверковский, Цветкова и др., 1988).

Мікроморфометричні особливості порової організації різних варіантів едафотопів ділянки рекультивації № 1 обумовлені генетично високою агрегованістю чорнозему, інтенсивним біогенним оструктуренням лесовидного суглинку і фізико-хімічним перетворенням монолітної шахтної породи.

Рідкісні субмакропори віддзеркалюють знижену загальну пористість і відповідно підвищену щільність будови для всіх варіантів від чорнозему (0,3) до лесовидного суглинку (0,23) і шахтної породи (0,1). Частка поверхні макропор відносно мезопор мінімальна для породи (63 %) і максимальна для суглинку і чорнозему (80Спостерігаються знижені значення пористостей і усунуті співвідношення поверхонь пор різних розмірних груп для суглинку і чорнозему порівняно з їхніми аналогами у природних лісових едафотопах.

При транспортуванні, укладанні і перемішуванні чорнозему і лесовидного суглинку у процесі рекультивації їх генетично сформована структура сильно порушується. Активний середовищеперетворювальний вплив лісової рослинності і ґрунтової мезофауни протягом майже 30 років поступово відновляє структурну організацію.

ІНФОРМАЦІЙНО–СТАТИСТИЧНИЙ АНАЛІЗ

ЕКОЛОГО–МІКРОМОРФОЛОГІЧНИХ ОЗНАК ДОСЛІДЖУВАНИХ ЕДАФОТОПІВ

Нами достовірно показано перевагу впливу лісу на мікро-морфометричні характеристики пор ґрунтового профілю всіх досліджуваних лісових едафотопів. При цьому найбільший ефект полягає в зменшенні ймовірності защемлення, середньої ширини скелета та округлості форми, збільшенні ізометричності й ексцентриситету еліпса пор. Тобто при впливу лісу пори стають більш витягнуті, форма – більш складною, а контури – більш криві.

Генетичні горизонти ґрунтового профілю є вторинним чинником перебудови порового простору. Високі відгуки від ступеня гумусованості горизонтів відповідають змінам середньої мінімальної відстані до найближчої пори, коефіцієнта розчленованості і всіх розмірних ознак. Тобто при зміні генетичних горизонтів більше значення мають розміри і близькість розташування пор, ніж особливості їхньої форми.

Установлене співвідношення факторів статистично достовірно доводить високу ґрунтоперетворювальну здатність лісу в степових умовах.

За результатами факторного аналізу виділено чотири найбільш значущі фактори, що впливають на розподіл геометричних характеристик порового простору всіх досліджуваних едафотопів. Їм відповідають у порядку зменшення: фактор розміру пори (пояснює 39,9загальної дисперсії ознак), фактор ізометричності пори (18,5фактор складності форми пори (7,5і фактор гладкості контуру пори (5,8

Використання багатовимірного шкалування дозволило одержати узагальнену кількісну оцінку структурних змін порового простору різних горизонтів едафотопів. За результатами оптимального розміщення ґрунтів у багатовимірному просторі порових характеристик видно відокремлене розта-шування едафотопів дібров центральної заплави (ПП 209) (рис. 3, а). Такий стан визначається у першу чергу генетично обумовленими відмінностями гранулометричного складу алювіальних відкладень ґрунтотвірної породи, з якої формується профіль ґрунту.

а | б

Рис. 3. Еколого-мікроморфологічне відображення едафотопів

у двох шкалах ознак порового простору: а – увесь профіль; б – генетичні горизонти (Н – гумусовий горизонт, Р – материнська порода)

Екологічна близькість інших едафотопів пояснюється головним чином спільністю лесової материнської породи. Видно (рис. 3, б), що відмінності суглинкових і гумусованих горизонтів для степового едафотопу в просторі порових ознак порівняно з лісовими ґрунтами мінімальні. Спрямованість перетворень порового простору верхніх горизонтів ґрунтів природних і штучних лісів, що спостерігається в двох шкалах, різна.

Гумусові горизонти природних байрачних лісів знаходяться на значній відстані від степових ґрунтів у багатовимірному просторі порових ознак і відрізняються винятково агрегованою будовою і високою міжагрегатною видимою пористістю, організованою в єдину просторову мережу, яка позитивно сприяє поліпшенню екологічних властивостей чорноземів.

Гумусові горизонти чорнозему звичайного лісополіпшеного штучних насаджень піддаються інтенсивному структуроутворюючому впливу лісових рослин і тварин, що населяють ґрунтову товщу. У результаті інтенсивної біогенної трансформації ґрунтової мікроструктури і порового простору едафотопи, що формуються під штучними лісовими насадженнями, займають за своїми структурними властивостями у цілому проміжне положення (42між природними байрачними (100і степовими едафотопами (рис. 3, а).

Для наближеної кількісної оцінки енергетичних витрат на структурну перебудову ґрунту скористаємося обчисленням структурної ентропії, розрахованої за ґрунтовими зображеннями.

Інформаційний аналіз мікрозображень рекультивованих ґрунтів Західного Донбасу показав достовірне послідовне зростання структурних ентропій і відповідне зниження упорядкованості ґрунтових мікроструктур при порівнянні ґрунтового ряду чорнозем ? лесовидний суглинок ? шахтна порода. Найбільші відмінності середніх значень спостерігаються для декомпозиційної (1,24 > 1,5 > 1,8 біт) і загальної вейвлет (69469 > 84668 > 93520 біт) ентропій.

Масштабну ієрархічність ґрунтових мікроструктур розглянутих об’єктів демонструє відносна мінливість різниці середніх ентропій деталізуючих вейвлет-коефіцієнтів залежно від їхніх рівнів (рис. 4). Негативні числа відпо-відають масштабним рівням ґрунтових утворень з мінімальною структурною ентропією і максимальною витраченою енергією на структурні перебудови.

Рис. 4. Різниця середніх значень ентропій деталізуючих вейвлет-коефіцієнтів:

v – вертикальні, h – горизонтальні, d – діагональні

Масштабні рівні з 4-го по 6-й для чорнозему і суглинку відповідають середнім розмірам ґрунтових агрегатів, для шахтної породи – порожнинам і тріщинам, що утворені внаслідок геологічного метаморфізму.

Аналіз великої кількості зображень ґрунтових шліфів дозволяє дійти висновку, що ґрунтові мікроструктури мають фрактальну геометрію (Балалаев, 2003). Можна припустити, що фрактальні властивості ґрунтів є глобальний природний феномен. Для досліджуваних пробних площ достовірно розрізняються тільки середні значення оцінки фрактальної розмірності (таблиця) гумусованих горизонтів і материнської породи.

Значення фрактальної розмірності ґрунтових зображень

Горизонт

гумусовий | перехідний | материнська порода

Степова цілина (ПП 201)

1,288 | 0,019 | 1,294 | 0,029 | 1,384 | 0,015

Штучне дубово-ясеневе насадження (ПП 224)

1,282 | 0,027 | 1,298 | 0,032 | 1,366 | 0,016

Байрак “Капітановський” (ПП 204)

1,287 | 0,025 | 1,306 | 0,029 | 1,362 | 0,018

Липово-ясенева діброва (ПП 209)

1,278 | 0,021 | 1,32 | 0,031 | 1,369 | 0,016

Західний Донбас

чорнозем | суглинок | шахтна порода

1,425 | 0,028 | 1,493 | 0,032 | 1,406 | 0,045

Примітка. – середня арифметична; – квадратичне відхилення.

Проведений нами тест на мультифрактальність показав, що в розглянутому масштабному діапазоні для ґрунтових зображень характерні, щонайменше, дві характеристики скейлінгу. Наявність двох різних локальних розмірностей пов’язана з агрегуванням ґрунтових часток і з різними властивостями самоподібності внутрішньо- і міжагрегатних структур.

Поступове зниження фрактальної розмірності спостерігається при переході від материнської породи до верхніх горизонтів усіх пробних площ і віддзеркалює збільшення розмаїтості ієрархічної організації ґрунтових структур і відповідно рост інтенсивності ґрунтотвірних процесів.

Оцінка фрактальної розмірності, розрахована за лінійним рівнянням регресїї, при значних обсягах вибірки, великому розкиді лінійних розмірів (3 порядки) і площі пор (6 порядків) дає подібні результати (рис. 5).

Рис. 5. Лінія регресії і залежність квадрата периметра (P) від площі (S), виражена в подвійних логарифмічних координатах видимих пор

ДОСВІД КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

ҐРУНТОВОЇ МІКРОСТРУКТУРИ

Розглянуто існуючі моделі порового простору дисперсних систем, відзначено їх слабку пристосованість до візуалізації модельних мікроструктур. Одним із шляхів підвищення інтенсивності і ціле-спрямованості мікроморфологічних досліджень є синтез “штучних” шліфів, а точніше – їхніх комп’ютерних зображень на основі імітаційного моделювання процесів ґрунтового структуроутворення.

Поровий простір едафотопа має складну нерегулярну стохастичну структуру. Тому в роботі застосовуються стохастичні моделі, що імітують порову структуру у вигляді статистичного ансамблю розподілених у просторі взаємозалежних структурних елементів. Окремі пори, що складають у сукупності поровий простір, описуються геометричними характеристиками форми, розміру, орієнтації, розгалуженості, кривизни поверхні і т. ін., які є вихідними перемінними моделі.

Загальне завдання моделювання було розділене на два підзавдання.

Залежність системи пор від розміру форми й орієнтації ґрунтових часток при випадковому розташуванні їх на площині зображення. Модельні експерименти (рис. 6) показали, що при незмінній пористості розмір часток правильної округлої форми має другорядне значення на основні показники структури порового простору. Тому моделі, засновані на уявленні про ґрунтові частки як про кульки різного радіуса, є неточними.

Без урахування особливостей розподілу часток у просторі їх форма є найбільш інформативною ознакою, що визначає геометрію порового простору. Форму необхідно розглядати як складне інтеґральне поняття, що включає як особливості глобальної зміни форми, так і локальну порізаність меж.

Рис. 6. Блок-схема модельного експерименту

Вплив способу розміщення часток у ґрунтовому скелета на характеристики порового простору. Розглянемо більш високий масштабний рівень ієрархічної організації ґрунтової струк-тури. Для цього у моделях використано три різні принципи взаємо-розташування і взаємозв’язків елементарних часток ґрунтового скелета.

Рівномірно-стохастичний алгоритм здійснює рівномірне розміщення ґрунтових часток різних розмірів на всій площині (метод Монте-Карло). Заповнення продовжується до моменту досягнення заданої пористості.

Агрегатно-стохастичний алгоритм синтезу моделі відрізняється від попереднього тим, що в межах площини моделі розміщуються центри заданого числа агрегатів, координати яких вибираються випадково. Визначення координат ґрунтової частки щодо центра одного з агрегатів здійснюється також випадково, але за нормальним розподілом. Імовірність попадання ґрунтової частки в агрегат тим вище, чим ближче її координати до центра одного з агрегатів.

У фрактально-кластерному алгоритмі застосовується ССА-модель (Kolb, Botet, Jullien, 1983; Смирнов, 1991) з варіюванням числа кластерів і незмінною 100вою ймовірністю прилипання частки до скелета. При об’єднанні великого числа фрактальних кластерів в один утворюється мегакластер з фрактальними властивостями на малих розмірах і однорідністю на великих розмірах.

Проведені обчислювальні експерименти (Балалаев, 2004) наочно показали, що структуротвірні процеси сильніше впливають на розмаїтість геометрії порового простору, ніж вихідний гранулометричний склад. Чим дрібніші ґрунтові частки, тим вони більш рухомі, тому ймовірніше утворюють складні ґрунтові структури.

Подібне явище можна спостерігати в природі при порівнянні піщаних і глинистих ґрунтів. Так, піски мають примітивну періодичну повторювальну структуру, а чорноземи, сформовані на суглинку, мають найбільш складну структуру порового простору.

Для фрактально-кластерного та агрегатно-стохастичного методу формування твердої фази ґрунту при зміні загальної пористості характерні більш стабільні значення коефіцієнтів розгалуженості, перериваності, неоднорідності ширини скелета, фактора форми і пористості у всіх розмірних групах пор, а також збільшення кількості великих пор. Відзначено достовірний вплив щільності кластерів на зміну всіх геометричних характеристик, за винятком деяких показників середньої фракції пор. Із зростанням числа кластерів розходження в методах нівелюються. Ефекти від дії фактора розміру ґрунтових часток на структуру порового простору мінімальні.

У процесі моделювання найбільш чуттєвою до впливу окремих факторів виявилася фракція дрібних пор, у той самий час комбінована дія факторів сильніше змінює чисельність великих пор. Фракція середніх пор через великий розкид значень ознак менш значуща. У розглянутій моделі так само, як і в реальних едафотопах, важливіше співвідношення масштабів вихідних часток і пор, що утворилися, ніж їхні абсолютні розміри.

У моделях, так само як і в реальних ґрунтах, спостерігається зниження порової фрактальної розмірності при збільшенні загальної пористості. На відміну від пористості, пов’язаної в основному з розміром пор, порова фрактальна розмірність обумовлена в більшій мірі розподілом пор у просторі.

Знижений поріг протікання, характерний для агрегатно-стохастичного і фрактально-кластерного методу, з екологічної точки зору більш перева-жаючий, оскільки розчини з живильними речовинами розподіляються в ґрунтовій товщі у великому об’ємі і проникають глибше при меншій пористості. Ця обставина сприяє росту рослин з більш глибокою кореневою системою, а отже, більш пристосованих до посушливих кліматичних умов.

ПЕРСПЕКТИВИ І ПЕРЕВАГИ ЗАСТОСУВАННЯ КОМП’ЮТЕРНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЕКОЛОГІЧНІЙ МІКРОМОРФОЛОГІЇ ҐРУНТІВ

До подальших шляхів розвитку комп’ютерної мікроморфометрії ґрунтів можна віднести (Белова, Балалаев, 2004): упровадження сучасних розробок в області цифрової обробки зображень для одержання додаткових уявлень про ґрунтову структуру; оптимізацію програмних алгоритмів для прискорення обчислювального процесу; удосконалювання методів і техніки одержання цифрових зображень ґрунтових об’єктів; застосування комп’ютерних методів аналізу повнокольорових ґрунтових зображень; одержання різними способами інформації про об’ємну структуру ґрунтового зразка.

Основні шляхи розвитку імітаційного моделювання структури едафотопів на ЕОМ полягають у переході до тривимірних моделей, зростанні фазності і компонентності кожної фази модельної ґрунтової системи, обчисленні динамічних характеристик перебудови структури едафотопа залежно від рівня дії ґрунтотвірних факторів для відновлення природних та створення штучних лісових екосистем.

Крім використання результатів комп’ютерних вимірів і моделювання для освітньої мети й екологічного моніторингу едафотопів можливе застосування розроблювальних методів у сільському господарстві для аналізу агрономічної цінності ґрунтової структури й у будівництві для оцінки міцності ґрунту.

ВИСНОВКИ

1. Для застосування кількісної еколого-мікроморфологічної оцінки ґрунтів показано високу чутливість програмних алгоритмів до виявлення достовірних змін мікроморфометричних показників порового простору едафотопів, що неможливо знайти візуально. На практиці перевірено високу ефективність і точність застосованих нових комп’ютерних методів.

2. Визначено статистично достовірну відмінність субмакро- , макро- і мезопор різних генетичних горизонтів едафотопів шляхом парного порівняння значень геометричних ознак. Найбільша відмінність характерна для субмакропор лісових біогеоценозів.

3. Установлено, що у всіх досліджуваних ґрунтових зображеннях виділяється максимум розподілу ширини вздовж скелета пор. Зазначений пік значно ширший у лісових едафотопах порівняно зі степовими ґрунтами, що відбиває розширення екологічних функцій порового простору лісополіпшених ґрунтів.

4. На основі спектральної і кратномасштабної оцінки ґрунтової мікроструктури виявлено особливості структуроутворення і різний ступінь агрегованості кожного едафотопу. В умовах степової цілини ймовірність утворення ґрунтових агрегатів понад 3 мм значно нижче, ніж у лісових едафотопах.

5. Оцінка коефіцієнта анізотропії і рози орієнтації показала слабку орієнтацію і неістотні відмінності ступеня ізотропності структурних елемен-тів досліджуваних ґрунтових об’єктів; тільки окремі групи пор деяких горизонтів ґрунтових профілів мають достовірні відмінності середнього кута нахилу.

6. Достовірно встановлено велику екологічну значущість впливу лісової рослинності на дисперсію порових ознак у профілі порівняно з впливом гумусованості генетичних горизонтів, а також виділено основні незалежні латентні фактори, що визначають геометричні особливості сформованого порового простору.

7. За результатами двовимірного шкалування багатовимірних порових ознак досліджуваних об’єктів дано узагальнену екологічну оцінку ступеня впливу штучних і природних лісових екосистем, генетичних близьких едафотопів на структурну організацію порового простору.

8. Визначено мультифрактальні властивості і масштабну ієрархічну підпорядкованість ґрунтових мікроструктур; у всіх розглянутих едафотопах спостерігається достовірне зниження фрактальної розмірності в гумусованих горизонтах, що відбиває збільшення структурної розмаїтості ієрархічної організації ґрунту.

9. На прикладі рекультивованих едафотопів Західного Донбасу проведено інформаційний аналіз різних варіантів насипок, наведено оцінку декількох видів інформаційних ентропій, показано достовірне зниження структурних ентропій і підвищення впорядкованості ґрунтових мікроструктур чорнозему порівняно з лесовидним суглинком і шахтною породою.

10. Створено і застосовано візуалізовану комп’ютерну модель, що імітує різні процеси синтезу ґрунтового скелета з часток різного розміру, форми й орієнтації, перевірка адекватності результатів моделювання показала в цілому позитивні результати.

11. Модельні експерименти наочно продемонстрували більшу залежність основних показників структури порового простору від способу формування ґрунтового скелета, ніж від розміру елементарних ґрунтових часток, а також велику залежність від особливостей форми ґрунтових часток, ніж від їхніх розмірів.

12. На формування мікроструктурної розмаїтості ґрунтового профіля в умовах Степового Придніпров’я переважно впливають два фактори: 1) дія підстеляючої і ґрунтотвірної породи, 2) активність ґрунтової та наземної біоти.

СПИСОК науковИх праць ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Балалаев А. К. Материалы к моделированию лесной подстилки как структурного элемента биогеоценоза (БГЦ) // Вісник Дніпропетр. ун-ту. – Вип. 3. Біологія. Екологія. – Д.: ДДУ, 1997. – С. 201-206.

2. Балалаев А. К. Опыт применения компьютерных технологий в морфометрических исследованиях почвенных микрошлифов // Ґрунтознавство. – 2002. – Т. 2, № 1-2. – С. 88-96.

3. Балалаев А. К. Основные принципы статистического анализа и обра-ботки многомерной информации в почвенной микроморфометрии // Вестник ДНУ. Биология. Экология. – Вып. 10, т. 1. – Д.: ДНУ, 2002. – С. 60-66.

4. Балалаев А. К., Иванько И. А. Анализ влияния световых структур фитоценозов на физико-химические свойства лесных эдафотопов с использованием многомерных статистических методов // Екологія та ноосферологія. – 2002. – Т. 12, № 3-4. – С. 72-79.

5. Балалаев А. К., Яковенко В. Н. Анализ связи экологических характеристик почв и пространственных показателей почвенных агрегатов // Ґрунтознавство. – 2002. – Т. 3, № 3-4. – С. 27-39.

6. Балалаев А. К. Исследование фрактальных свойств почвенных микроструктур естественных степных биогеоценозов // Екологія та ноосферологія. – 2003. – Т. 13, № 1-2. – С. 151-157.

7. Балалаев А. К. Опыт компьютерного моделирования структуры порового пространства почвы методом Монте-Карло // Ґрунтознавство. – 2003. – Т. 4, № 1-2. – С. 19-25.

8. Балалаев А. К., Котович А. В. Изучение влияния абиотических факторов на режим грунтовых вод в условиях степной зоны левобережной Украины // Екологія та ноосферологія. – 2003. – Т. 14, № 3-4. – С. 62-72.

9. Белова Н. А., Балалаев А. К. Развитие компьютерных методов в экологической микроморфологии при исследовании эдафотопов степной зоны Украины // Екологія та ноосферологія. – 2003. – Т. 14, № 3-4. – С. 40-47.

10. Балалаєв О. К. Особливості використання методів спектрального аналізу зображень у дослідженнях ґрунтової мікроструктури // Науковий вісник Чернівецького університету: Зб. наук. праць. – Вип. 194. Біологія. – Чернівці: Рута, 2004. – С. 139-147.

11. Балалаев А. К. Экологическая интерпретация геометрических характеристик модельного порового пространства эдафотопа // Ґрунто-знавство. – 2004. – Т. 5, № 1-2. – С. 107-127.

12. Балалаев А. К. Варианты вычисления информационной энтропии цифровых почвенных изображений для эколого-микроморфологического анализа // Екологія та ноосферологія. – 2004. – Т. 15, № 1-2. – С. 96-112.

13. Балалаев А. К. О вычислении метрических признаков видимых пор по цифровым изображениям прозрачных почвенных микрошлифов // Ґрунтознавство. – 2004. – Т. 5, № 3-4. – С. 89-97.

14. Балалаев А. К. К вопросу об оптимизации степени экологического соответствия искусственных лесонасаждений лесораститедьным условиям степной зоны Украины // 3 Международная конференция “Франція та Україна: науково-практичний досвід у контексті діалогу національних культур”. – Д., 1996. – С. 4-5.

15. Балалаев А. К.  К решению проблемы исследования динамики лесной подстилки как подсистемы БГЦ // Матеріали конференция молодых ученых и специалистов “Актуальные вопросы ботаники и экологии”. – Х., 1996. – С. 8.

16. Балалаев А. К. К методике исследования микроморфологического строения лесных почв // Структура и функциональная роль животного населения в природных и трансформированных екосистемах: Тез. 1 Междунар. конф., 17–20 сент. 2001 г. – Д.: ДНУ, 2001. – С. 56-57.

17. Балалаев А. К. Применение компьютерной морфометрии почвенных микрошлифов в изучении процессов фиторекультивации нарушенных земель Западного Донбасса // Промислова ботаніка: стан та перспективи розвитку: Матеріали 4 Міжнар. наук. конф. (м. Донецьк, 17–19 вер. 2003 р.). – Донецьк, 2003. – С. 19-20.

АНОТАЦІЯ

Балалаєв О. К. Еколого-мікроморфологічна оцінка едафотопів лісових екосистем Степового Придніпров’я (стан, охорона, прогноз). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 – екологія. Дніпропетровський національний університет. – Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена комплексній екологічній оцінці мікроморфо-логічної будови порового простору та структуроутворення у лісових едафотопах у степових умовах. Знайдено статистично достовірну відмінність мікроморфометричних ознак видимих субмакро- , макро- і мезопор. Оцінено екологічні масштаби і спрямованість трансформації ґрунтової мікроструктури і перебудови порового простору під впливом лісових екосистем в умовах степу. Виявлено тенденцію достовірного зниження фрактальної розмірності ґрунтових зображень гумусових горизонтів. Розроблено візуалізовану комп’ютерну модель, що імітує варіанти процесів синтезу ґрунтового скелета з часток різного розміру, форми й орієнтації.

Ключові слова: лісова екосистема, ґрунтова мікроструктура, поровий простір, комп’ютерна мікроморфометрія, фрактальна розмірність, структурна ентропія, імітаційна модель, Степове Придніпров’я.

АННОТАЦИЯ

Балалаев А. К. Эколого-микроморфологическая оценка эдафотопов лесных экосистем Степного Приднепровья (состояние, охрана, прогноз). – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 – экология. Днепропетровский национальный университет, 2005.

Диссертация посвящена комплексной экологической оценке микро-морфологического строения порового пространства и структурообразования в естественных и искусственных лесных эдафотопах в степи.

При помощи разработанной компьютерной методики и авторского программного обеспечения установлены количественные характеристики микроструктуры генетических горизонтов степных биогеоценозов, естествен-ного байрачного лесного массива, естественных долинных лесов Присамарья, искусственных лесных насаждений на плакоре и участков лесной рекультивации Западного Донбасса. Найдены статистически достоверные различия микроморфометрических признаков видимых субмакро- , макро- и мезопор.

В работе оцениваются экологические масштабы и направленность трансформации почвенной микроструктуры и перестройки порового пространства под воздействием лесных экосистем в условиях степи. Статистически достоверно выявлены латентные факторы, определяющие геометрические особенности сформированного порового пространства.

Для всех анализируемых почвенных микроизображений наблюдается максимум распределения ширины пор вдоль их остова, который значительно шире для лесных эдафотопов по сравнению со степными почвами. Это отражает расширение экологических функций порового пространства лесо-улучшенных почв.

На основе спектральной и кратномасштабной оценки микроструктуры почвенных изображений установлены особенности структурообразования и разная степень агрегированность эдафотопов. В условиях степной целины вероятность образования почвенных агрегатов, превыщающих размер 3 мм,