Педотрансферні функції для прогнозування вмісту органічного вуглецю в чорноземах типових і звичайних на прикладі Лівобережного Лісостепу України

Анотація

Наразі в Україні моніторинг ґрунтів у його науковому розумінні відсутній, а реальним контролем стану ґрунтів на землях с.-г. призначення є агрохімічна сертифікація. Проте її методика не передбачає вимірювання вмісту органічного вуглецю у ґрунті (ОВҐ) і, враховуючи триваючу війну та обмежене державне фінансування, фундаментальна реформа системи моніторингу ґрунтів найближчим часом не очікується. Для подолання інформаційних прогалин щодо кількості та запасів ОВҐ вирішальне значення має моделювання на основі доступних агрохімічних показників. Метою цього дослідження є створення з використанням даних агрохімічної 

паспортизації ґрунтів та оцінка педотрансферних функцій (ПТФ) для прогнозування вмісту ОВҐ у чорноземах типових і звичайних Лівобережного Лісостепу України. Цілі дослідження: 1. З використанням сучасного аналізатора Multi EA 4000 в зразках ґрунтів, відібраних з орного горизонту, визначити вміст ОВҐ та агрохімічні показники (вміст гумусу, доступних форм фосфору та калію, лужногідролізованого азоту, pHн₂о); 2. Як предиктори для моделювання серії ПТФ в цілях прогнозу вмісту ОВҐ використати вказані ґрунтові показники як окремі, так і їх поєднання; 3. Для створених варіантів ПТФ провести порівняльне оцінювання ефективності моделей з огляду на їхню прогностичну силу та пояснювальну здатність, використовуючи статистичні критерії (MAE, RMSE, NRMSE, R² та MAD); 4. Визначити можливості застосування побудованих ПТФ для практичного використання в контексті підтримки рішень щодо сталого управління ґрунтовими ресурсами. Матеріали та методи. У процесі агрохімічної сертифікації зразки ґрунтів було відібрано з верхнього (орного) горизонту (0–20 см) у межах Лівобережної височинної провінції Лісостепової зони для двох підтипів чорноземів: типовий (n = 18) та звичайний (n = 11). Окрім стандартних агрохімічних аналізів, здійснених в лабораторії Полтавської філії Державної установи «Інститут охорони ґрунтів України», у київській лабораторії цієї ж установи визначали загальний вміст вуглецю (TC), загальний вміст неорганічного вуглецю (TIC) та загальний вміст органічного вуглецю (TOC) у тих самих зразках грунтів. Вміст вуглецю визначали за допомогою аналізатора Multi EA 4000 (Jena) шляхом спалювання, під час якого вуглець окиснюється до CO₂ за різної температури в кисневій атмосфері. Загальний обсяг вивільненого вуглецю вимірювали автоматично за допомогою недисперсійного інфрачервоного детектора (NDIR). Загальний вміст органічного вуглецю (TOC) визначали як різницю між загальним вмістом вуглецю і вмістом неорганічного вуглецю: TOC = TC - TIC (г/кг ґрунту). Cтатистичний, кореляційний та регресійний аналізи проводили з використанням програми Excel для оцінювання точності моделей та узгодженості між прогнозованими та виміряними значеннями TOC. Статистично значущість відмінностей між групами прогнозованих значень вмісту TOC оцінювали за допомогою двовибіркового t-критерію з припущенням нерівних дисперсій. В оцінці узгодженості між прогнозованими та виміряними значеннями TOC використовували як статистичні показники точності, так і перевірку гіпотез. Результати та висновки. Вміст гумусу та ОВҐ (TOC) практично відповідають нормальному розподілу, що дозволяє нам правильно оцінювати довірчі інтервали та рівні значущості, застосовуючи параметричні статистичні тести. Крім того, що особливо важливо, нормальність розподілу є передумовою для надійного використання лінійної регресії. Також для обґрунтування вибору предикторів для побудови ПТФ, спрямованих на оцінку вмісту ОВҐ (TOC), були проаналізовані парні коефіцієнти кореляції між властивостями ґрунтів. Вміст гумусу не завжди був ключовим фактором, що впливає на вміст органічного вуглецю. Можливими причинами цього можуть бути: а) обмежена амплітуда вмісту гумусу у відібраних нами зразках; б) вплив мультиколінеарності, оскільки гумус достовірно корелює, наприклад, з умістом азоту, а тому втрачає своє індивідуальне значення в багатовимірній моделі; в) відсутні дані про гранулометричний склад ґрунтів, окремі фракції якого можуть мати значний вплив на органічну речовину ґрунтів. Беручи до уваги широку мінливість співвідношень TOC і гумусу, що спостерігалися в нашому дослідженні (від 0,495 до 0,92), використання звичайного коефіцієнта перетворення (0,58) для оцінки вмісту TOC на основі вмісту гумусу може призвести до суттєвих неточностей. Наші результати чітко ілюструють, що такий узагальнений підхід не відображає фактичної різноманітності складу органічної речовини ґрунтів. Це підкреслює критичну потребу в локальних дослідженнях, з урахуванням специфіки та структури ґрунтового покриву в конкретних ареалах, спрямованих на підвищення точності оцінок TOC, особливо в контексті моделювання запасів вуглецю та програми кліматично розумного управління ґрунтами. Прогнозовані значення вмісту TOC з використанням створених нами ПТФ можна вважати статистично взаємозамінними зі спостережуваними в протестованих умовах, що підтверджує адекватність створених нами моделей для практичного застосування в оцінці вмісту TOC. Враховуючи відсутність зміщення та прийнятні рівні похибки прогнозування (NRMSE <10 % для всіх моделей), протестовані ПТФ можуть бути надійно використані для оцінювання TOC у програмах моніторингу орних грунтів з наступною оцінкою запасів TOC, у плануванні заходів вуглецевого землеробства та вуглецевої сертифікації, особливо якщо за використання ПТФ будуть враховані конкретні таксони ґрунтів. Рішення про вибір моделі для прогнозування вмісту TOC є прерогативою дослідника. Наше бачення практичного використання змодельованих ПТФ є таким: якщо бракує точної інформації про класифікаційну приналежність ґрунтів, доцільно використовувати створену нами ПТФ3: TOC (г/кг) = 11,0 + 2,394Гумус - 0,049P + 0,065К; якщо точно визначено тип ґрунту, то для чорноземів типових оптимальним варіантом буде ПТФ5: TOC (г/кг) = 32,1 + 1,21Гумус + 0,0017N + 0,088K - 0,085P - 2,71pH, а для чорноземів звичайних — ПТФ7: TOC (г/кг) = 15,4 + 1,81Гумус. Вказані пропозиції не виключають можливості використання всіх створених нами ПТФ. Запропоновані моделі мають певні обмеження: 1) наша вибірка стосувалася двох підтипів ґрунтів у конкретних умовах, що може вплинути на зовнішню валідність моделей; 2)  чинником, що звужує репрезентативність ПТФ, є якість вхідних даних, як зі сторони точності лабораторних вимірювань, так і щодо репрезентативності ґрунтових зразків. Змодельовані результати необхідно інтерпретувати з урахуванням існуючих обмежень у застосуванні ПТФ.