Статьи

Исследованы закономерности пространственного распределения ¹³⁷Cs в почвах лесных экосистем на микроландшафтном уровне в полугиромофных и гидроморфных условиях в Брянской области при разных шагах измерения радиометром «КОРАД» (10, 2 и 0,5 м). Проведено сравнение вариабельности запаса ¹³⁷Cs, полученное двумя устройствами, различающихся размером площади опробования (РПО): 1) радиометр КОРАД 2) пробоотборник D=14 см. Отношение вариабельности распределения ¹³⁷Cs, полученное методом полевой радиометрии, к данным пробоотбора (CV_корад/CV_проба) для всей площадки равно 0,63; для гидроморфной части, B1-1 — 0,87. Для всей площадки (размер 50x80 м) выявлена слабая пространственная корреляция (эффект «шахматной» доски), для локального гидроморфного участка сильная корреляция с рангом 1,4 м. 

Задача — представить статистический портрет почвенного покрова хозяйства в виде серии кумулятивных распределений глубины и мощности почвенных горизонтов. Объект — светло-каштановые солонцовые комплексы опытной станции «Орошаемая», расположенной на юго-западной оконечности Приволжской возвышенности возле Волго-Донского канала. Большинство эмпирических распределений глубины разных горизонтов и признаков почв общей выборки (182 профиля) не могут быть аппроксимированы нормальным распределением, используются непараметрические показатели. Разделение почв на группы по субстантивным признакам не гарантирует получение выборок с нормальным распределением по всем морфометрическим показателям. Типы (агрокаштановые и агроземы аккумулятивно-карбонатные) и подтипы (солонцеватые, несолонцеватые, стратифицированные) по классификации почв России в пределах опытной станции заметно различаются по совокупности статистических распределений глубины горизонтов. Большинство различий связаны с изменением карбонатного профиля, развитием вторичного осолонцевания, образованием корки, локального поверхностного смыва и намыва пахотного горизонта.

Дыхание почв, представляющее один из главных потоков в глобальном цикле углерода, характеризуется высокой временной и пространственной вариабельностью. На основе непрерывного 21-летнего круглогодичного мониторинга за дыханием дерново-слабоподзолистой почвы в лесном и луговом ценозах южно-таежной зоны выполнена оценка временной изменчивости потоков СО₂ из почв на разных временных уровнях: месячном, сезонном и годовом. Наиболее значительно варьировали величины суммарного дыхания дерново-слабоподзолистой почвы на месячном уровне осреднения (коэффициент вариации, CV = 25–56%), в то время как вариабельность величины годового дыхания почв составляла 20–22%. На сезонном уровне осреднения самой высокой изменчивостью (CV = 39–44%) отличались зимние потоки СО₂ из почв, а вариабельность величины суммарного дыхания почв в остальные календарные сезоны года была близкой и составляла 26–29%. Влияние типа ценоза на суммарные потоки СО₂ из дерново-слабоподзолистой почвы было статистически достоверным как на годовом уровне осреднения, так и во все календарные сезоны года, кроме зимнего. Наиболее стабильным показателем, характеризующим особенности сезонного распределения потоков СО₂ в пределах года, является вклад теплого периода (май — октябрь) в суммарный годовой поток СО₂ из почв, в среднем составляющий 73‒77%. Его вариабельность за 21 год наблюдений в обоих ценозах составила 8%. Можно рекомендовать использовать этот показатель для получения оценок годовых потоков СО₂ из почв на основе полевых определений, проведенных только в пределах вегетационного сезона. Проведенные численные эксперименты показали, что проведение непрерывных наблюдений за эмиссией СО₂ из почв в течение пяти последовательных лет снижает вариабельность годовых и сезонных потоков СО₂ из почв более, чем в 2 раза по сравнению с одно- или двухлетним периодом измерений. Это позволяет рекомендовать пятилетний период наблюдений в качестве оптимального необходимого для получения адекватных значений годовых и сезонных потоков СО₂ из почв южно-таежной зоны.

Почвы играют важную роль в биогеохимическом цикле углерода, поэтому в связи с проблемой глобального изменения климата особое внимание уделяется оценке запасов органического вещества почв. Уровень накопления органического вещества в почве является результатом взаимодействия множества факторов, регулирующих процессы его превращений, что обусловливает его высокую вариабельность. Степень и характер увлажнения почв относятся к ведущим факторам, которые влияют на запасы в них органического углерода. Фактор влажности приобретает особое значение при оценке запасов органического углерода в почвах лесной зоны, на которую приходится 70% площади всех полугидроморфных почв России. По литературным данным запасы органического углерода в полугидроморфных почвах лесных экосистем в несколько раз выше, чем в автоморфных. Для уточнения региональных оценок запасов органического углерода почв лесной зоны России необходима информация о вариабельности запасов углерода в почвах лесных экосистем и ее зависимости от условий увлажнения. В настоящей работе обсуждаются результаты сравнительного статистического анализа вариабельности запасов органического углерода в автоморфных и полугидроморфных почвах лесных экосистем. Для оценки запасов почвенного углерода и расчета количественных показателей их вариабельности была использована информация из двух источников: базы данных «Органический углерод почв лесных экосистем европейской территории России» и почвенно-географической базы данных России. Сведения были собраны в единый массив, который включает характеристики 289 разрезов почв лесных экосистем. Из них 201 разрез характеризует автоморфные почвы и 88 разрезов — полугидроморфные почвы. Результаты статистического анализа показали, что запасы органического углерода (с учетом подстилки) в полугидроморфных почвах характеризуются более высокой вариабельностью, о чем свидетельствуют больший диапазон изменений, межквартильный размах и более высокие значения стандартного отклонения. Наибольший вклад в общую вариабельность запасов углерода почв лесных экосистем при повышенном увлажнении вносит органогенный горизонт. Для него значения стандартного отклонения в полугидроморфных почвах в 7 раз выше, чем в автоморфных, тогда как различия для метровой толщи четырехкратные.

Рассмотрено современное состояние проблемы картографирования почв. Показано, что произошло замещение методов традиционного картографирования почв на методы, базирующиеся на использовании геоинформационных, цифровых и дистанционных технологий. Обозначены основные преимущества и недостатки используемых в настоящее время методов картографирования почв и продемонстрирована необходимость учета уровня генерализации информации, используемой в процессе картографирования почв. Продемонстрированы ошибки, возникающие на почвенных картах, при использовании при картографировании пространственных цифровых данных с разным уровнем генерализации информации. Выявлены наиболее перспективные направления в развитии методов картографирования почв. Показано, что основное внимание должно быть уделено развитию методов цифровой почвенной картографии на основе данных дистанционного зондирования, которые содержат наиболее точную информацию о пространственном варьировании свойств поверхностного горизонта почв. Использование методов пространственной интерполяции данных точечных наблюдений априори являются менее точными по сравнению с использованием данных дистанционного зондирования. Однако последние позволяют уверенно детектировать лишь отдельные свойства почв, а не всех, необходимых для создания почвенных карт в традиционном виде. Более перспективным является картографирование отдельных свойств почв. Карты отдельных свойств почв более удобны и точны для оценки почвенных и земельных ресурсов. В перспективе они могут быть использованы в качестве основы и для воссоздания почвенных выделов в терминах принятой классификации почв и для создания почвенных карт в традиционном виде с отражением на них классификационных выделов почв. Но для полного перехода к картографированию свойств почв, необходимо углубление исследований в области изучения спектральной отражательной способности поверхности почв и ее связи со свойствами нижележащих почвенных горизонтов.

Статья представляет собой обзор научных проблем, над которыми работал заслуженный профессор Московского университета имени М. В. Ломоносова Евгений Анатольевич Дмитриев. Основная область его научных интересов — генезис данных о почве и почвенном покрове. Многочисленные работы, выполненные под его руководством, убедительно демонстрируют влияние способов опробования на результаты определения тех или иных почвенных свойств. Как следствие, это влияние распространяется и на конечные выводы, которые могут быть сильно искажены, если не учитывается способ их получения. В попытке решения вопроса «что классифицирует классификация почв» он разрабатывает концепцию «единичной почвы», которая может быть объектом почвенных классификаций, не являясь непосредственно почвенным телом, однако выступая как своеобразный стандартный элемент опробования. Теоретическое осмысление влияния неоднородности почв и почвенного покрова на всех иерархических уровнях на особенности ее «жизни» — тематика второй части научного наследия Е. А. Дмитриева. Он выдвигает концепцию почвенных тел разной мерности, показывает влияние размерностных характеристик этих тел на почвенные режимы и в частности, на водный режим, обсуждает необходимость исследований почвенных режимов на разных иерархических уровнях. Для фиксации неоднородности почвы и почвенного покрова им были разработаны специальные приспособления, при помощи которых проводились исследования на дерново-подзолистых, серых лесных, каштановых и др. почвах.

В условиях лабораторного инкубационного эксперимента было изучено влияние внесения пожнивных остатков растений (солома ржи) и минерального азотного удобрения на образование закиси азота агродерново-подзолистой почвой. Установлено, что прирост содержания углерода микробной биомассы линейно связан с массой внесенных растительных остатков. Важным показателем, характеризующим изучаемую систему, являются соотношение C:N микробной биомассы и ее динамика как при изменении количества вносимых пожнивных остатков, так и во времени. При соотношении C:N = 40 в растительных остатках на ранних этапах их разложения в почве преобладающий процесс микробной иммобилизации азота сменяется на преобладание процесса минерализации органических соединений азота. Показано, что максимальная иммобилизационная «емкость» микробной биомассы по отношению к азоту достигается при соотношении C:N в субстрате, равном 20–40. Установлена зависимость интенсивности эмиссии закиси азота почвами от количества внесенных пожнивных остатков. Показано, что максимальные значения эмиссионного коэффициента (т.е. количество образующейся N₂O на 1 г внесенного углерода) характерны для вариантов эксперимента с внесением субстрата, обогащенного азотом (C:N = 7,5–10), что может быть связано с более полным и быстрым разложением растительных остатков в условиях лучшего обеспечения азотом. 

Определены особенности травяного яруса в связи с применением ухода в типичных городских насаждениях г. Москвы. Характер ухода за насаждениями в большей степени, чем вид древесных пород, детерминирует основные показатели напочвенного покрова. В результате ухода за насаждениями неморальные тенелюбивые виды в травяном ярусе активно замещаются луговыми нитрофильными и прижилищными сорными, относящимися к однолетникам и дерновинным злакам, что способствует повышению скорости биологического круговорота. В городских экосистемах индикационная роль растений по отношению к свойствам почв наиболее снижена в насаждениях с периодическим уходом по причине преобладания в травяном ярусе видов с широкой экологической амплитудой. 

Содержание бензойной кислоты в водной вытяжке из генетических горизонтов подзолистой почвы составляет 3,27 и 1,83 мг/кг в органогенных горизонтах L и F, соответственно, и снижается до сотых долей мг/кг в минеральных горизонтах. Сорбция бензойной кислоты на Са-монтмориллоните возрастает от 5,61 до 15,34 ммоль/кг с увеличением ее равновесной концентрации от 0,02 до 1,45 ммоль/л. С учетом содержания и минералогического состава илистой фракции находящиеся в составе ила лабильные минералы в верхних минеральных горизонтах подзолистой почвы способны сорбировать 0,06–0,15 ммоль бензойной кислоты на 1 кг почвы в том же интервале равновесных концентраций. Полученные изотермы сорбции в наибольшей степени соответствуют линейному уравнению и уравнению Фрейндлиха. Предполагается, что в условиях эксперимента основными механизмами сорбции бензойной кислоты были мостиковые связи через ионы кальция или молекулы воды его гидратной оболочки и электростатическое взаимодействие бензоата с положительно заряженными силанольными и алюминольными группами на боковых сколах монтмориллонита. Поглощения бензойной кислоты в межслоевом пространстве минерала не происходило.

Были изучены особенности состава и свойств водорастворимых органических веществ (ВОВ) в зависимости от их локализации в разных частях порового пространства почвы, что влияет на их устойчивость к биодеструкции. ВОВ дернового и гумусового горизонтов перегнойно-гумусовой глеевой почвы, искусственно насыщенной до полной влагоемкости, выделяли методом последовательного центрифугирования из пор диаметром более и менее 30 мкм. По общей концентрации углерода и фенольных соединений, спектрам поглощения и флуоресценции растворы достоверно не отличаются, но сильное варьирование показателей (отношение максимальных и минимальных значений в 4–15 раз) свидетельствует о неоднородности состава извлекаемых веществ. Концентрация простых фенолкарбоновых кислот (ФКК) в растворах крупных пор гумусового горизонта в 4–8 раз выше, чем в более мелких, доминируют салициловая, бензойная и коричная кислоты (75% от общего количества). В мелких порах преобладают р-гидроксибензойная и бензойная кислоты (67% от общего количества). ВОВ подзолистой почвы, присутствующие in situ в горизонте (ЕLВТg) при влажности почвы 22%, были получены с помощью вакуумных лизиметров из пор диаметром более и менее 14,7 мкм. В растворах из крупных пор ВОВ содержат больше С, N, фенольных соединений; судя по спектрам поглощения, имеют бо́льшую молекулярную массу и степень ароматичности. Вещества мелких пор более гидрофобны и характеризуются более широким отношением C:N, т.е. потенциально более устойчивы к разложению. Преимущественная приуроченность фенольных соединений к растворам крупных пор обеспечивает возможность их сохранения в почве за счет переноса с потоками влаги в нижние горизонты, где они химически стабилизируются в виде органоминеральных соединений.

Детально изучены особенности антропогенной трансформации природных каштановых почв и генезиса городских почв в условиях сухостепной природной зоны на территории г. Волгограда. Изучение проведено методом сравнения морфологических, физических и химических характеристик естественных почв и их антропогенно-измененных аналогов. Для каждого из 16 разрезов было проведено морфологическое описание. Морфологические характеристики городских почв и каштановых почв окрестностей города сопоставлены. Под влиянием урботехнопедогенеза исчезают природные светлогумусовые горизонты AJ, а средняя мощность диагностических ксерометаморфических горизонтов BMK уменьшается. Верхняя граница аккумулятивно-карбонатного горизонта BCA опустилась относительно поверхности в среднем на 32 см по сравнению с естественными каштановыми почвами. Под влиянием урботехнопедогенеза появились включения, представленные обломками стройматериалов и мусором, накопленными в процессе функционирования человеческих поселений, изменились структура, плотность, характер вскипания от HCl 10%. Современные поверхностные горизонты часто вскипают от HCl 10%. В озелененных рекреационных зонах города вследствие полива территории произошло выщелачивание карбонатов. Выявлены варианты морфологической трансформации каштановых почв, формирующихся на территории г. Волгограда в результате урбопедогенеза. Первый вариант — почвы начальных стадий технотрансформации, с изменениями на уровне верхних горизонтов. Второй вариант — почвы с мощными урбиковыми горизонтами, перекрывающими сохранившиеся диагностические горизонты. Третий вариант — погребение естественных пород техногенными грунтами различной мощности с почти полным уничтожением (изъятием) естественных горизонтов почв. Четвертый вариант — почвы с мощными гумусовыми горизонтами, сформированные за счет интенсивного привноса органического вещества в подсыпках компоста. Отмечено, что большинство почв города имеет профили, полностью сформированные на техногенных отложениях, и не содержат природных почвенных горизонтов в верхней толще 1,5 м. Согласно Полевому определителю почв России, исследованные почвы первого варианта трансформации определены как урбистратифицированные. Почвы остальных вариантов трансформации могут быть отнесены к техногенным поверхностных образованиям. Содержание органического углерода в урбиковых, техногенных и реплантанированных горизонтах в среднем составляет 1,1, 0,25 и 1,6% соответственно. Химический анализ урбиковых, рекультивационных и техногенных горизонтов выявил низкое содержание легкорастворимых солей — 0,14% и карбонатов — 0,9%. Плотность в горизонтах UR и RAT в среднем составляет 1,4–1,43 г/см³, в горизонтах TCH — 1,55 г/см³. Значение плотности сложения погребенных горизонтов в среднем составляет в AJ — 1,43 г/см³, в BMK — 1,49 г/см³, в B — 1,62 г/см³, в BCA — 1,54 г/см³, что выше средних показателей плотности для нативных каштановых почв. Для погребенных горизонтов характерны меньшие значения содержания карбонатов кальция, чем в фоновых, подщелачивание среды, а также уменьшение органического углерода в среднем на 0,35% в горизонтах AJ, BMK и B и на 0,28% в BCA. Среднее содержание CaCO₃ в верхних гумусовых и срединных горизонтах составляет 1,4%, а в карбонатном горизонте 4,3%. Полученные результаты позволяют более детально изучить особенности генезиса городских почв и антропогенной трансформации природных каштановых почв в городских условиях сухостепной природной зоны.

В пределах ландшафтов верхнего течения р. Клязьмы изучен многолетний компонентный состав природных вод в системе: снеговые воды — почвенные растворы — почвенно-грунтовые воды — поверхностные воды. Установлено, что закономерное превышение содержания основных макро- и микроэлементов в почвенных растворах по сравнению со снеговыми водами на последующих этапах вначале сменяется увеличением концентрации компонентов в почвенно-грунтовых водах, с последующим снижением содержания в поверхностных водах — ручьях и речных водах. Показано, что относительно высокая подвижность натрия, магния, калия и кальция, а из анионов хлорид- и нитрат-ионов сопровождается существенным уменьшением подвижности элементов семейства железа, меди и цинка на переходе от почвенно-грунтовых вод к поверхностным водам. Это объясняет широкое распространение сегрегированных форм, представленных в виде ортштейнов в почвах полугидроморфных ландшафтов, вплоть до ортзандов, а в заболоченных условиях притеррасных понижений на границе с супераквальным ландшафтом — формирование типичных болотных руд. Таким образом, анализ состава природных вод и его изменения служит не только хорошим, но и необходимым инструментом для объяснения особенностей миграции элементов в системе «почвы — природные воды», и выявления механизма формирования почвенных новообразований.

На примере московского мегаполиса рассматриваются методологические проблемы количественной оценки загрязнения городских почв бенз(а)пиреном и их биоремедиации. Использованы доступные материалы научных публикаций и официальных отчетов муниципальной системы «Мосэкомониторинг» по загрязнению городских почв бенз(а)пиреном и закономерностям его динамики. Методическую основу исследования составило математическое моделирование, включающее как нелинейный регрессионный анализ в программе S-Plot-11, так и численное компьютерное моделирование в среде Matlab-7. Анализ опубликованных материалов выявляет минимум двукратное превышение предельно допустимого уровня загрязнения городских почв бенз(а)пиреном на 70% территории московского мегаполиса при большой вероятности крайне высокой степени загрязнения в несколько десятков ПДК на 10% площади города. В отличие от известных работ в данной области, исследование связывает такую негативную ситуацию не с устойчивостью бенз(а)пирена в почвах, а с его высокой техногенной нагрузкой. Простая кинетическая модель, верифицированная по экспериментальной информации о биодеструкции бенз(а)пирена в почвах, позволяет оценить допустимые пределы техногенной нагрузки, гарантирующие самоочищение городских почв от этого опасного поллютанта в условиях г. Москвы. 

Показано, что культурные слои урбоэкосистем отличает накопление всех групп (общего, минерального, органического) фосфора. При этом гумус горизонтов антропогенного происхождения обогащен органическим фосфором по сравнению с природными аналогами в 3–10 раз. Ввиду нейтрального и близкого к нейтральному характеру почвенной кислотности снижена подвижность всех групп соединений фосфора, что является главной причиной их закрепления в профиле стратоземов. Обнаружено, что групповой состав фосфора в почвах городищ и поселений не отражает зональные закономерности накопления и профильного распределения фосфора, но может служить надежным индикатором наличия антропогенной деятельности в прошлом, а также конструктивных особенностей археологических сооружений. 

Почвы городов содержат значительные запасы органического вещества (ОВ), в процессе минерализации которого образуется СО₂, играющий важную роль в контексте глобального изменения климата. Известно, что скорость минерализации ОВ увеличивается с повышением температуры почвы, а величина такого эффекта во многом зависит от ее физико-химических свойств. В то же время влияние функционального разнообразия микробного сообщества на температурную чувствительность минерализации ОВ (Q₁₀) остается все еще малоизученным и особенно для урбоэкосистем. Поэтому наше исследование было сфокусировано на оценке влияния функционального разнообразия микробного сообщества на показатель Q₁₀ для почв различных городов. В Санкт-Петербурге, Москве, Воронеже и Краснодаре, которые расположены в разных биоклиматических зонах (южная тайга, смешанные леса, лесостепь и степь соответственно), было выбрано по четыре городских парка, в которых отбирали образцы почвы из верхнего 10-см слоя. В почвенных образцах определяли скорость минерализации ОВ при разных температурах (10, 20, 30 и 40°С) для последующего расчета Q₁₀. В качестве факторов, влияющих на Q_10, определены физико-химические (влажность, гранулометрический состав, pH, содержание C, N, P₂O₅ и K₂O) и микробные (функциональное разнообразие и углерод микробной биомассы) свойства почвы. Показано, что пространственное варьирование Q₁₀ гумусовых горизонтов почв изученных городов связано в основном с их гранулометрическим составом, содержанием С, N и влажностью, а функциональное разнообразие коррелирует с содержанием P₂O₅. Закономерного изменения Q₁₀ и изученных свойств почвы городских парков вдоль широтного градиента не выявлено, однако показана отрицательная зависимость Q₁₀ от функционального микробного разнообразия (R²=0.50). Можно полагать, что высокое функциональное разнообразие способствует снижению «чувствительности» минерализации ОВ почвы к изменению температуры.