Статьи

Адсорбционные свойства дисперсных систем определяются их поверхностной энергией, поэтому показатели гигроскопической влажности (содержания адсорбированной воды) и дисперсности (удельной поверхности твердой фазы) почв и грунтов находятся в тесной взаимной корреляции. Этот хорошо известный эмпирический факт получил новую фундаментальную трактовку на основе теории расклинивающего давления воды по Дерягину в форме термодинамического уравнения, связывающего удельную поверхность, гигроскопическую влажность почвенных образцов и относительную влажность воздуха в помещении для их сушки. Теоретическое уравнение позволило обосновать методику количественной оценки гидрофильной удельной поверхности почвенных образцов по широко распространенным данным об их гигроскопической влажности. Сопоставление нового метода со стандартным БЭТ-анализом удельной поверхности, а также с предложенным ранее физически обоснованным способом ее определения по наклону термодинамических кривых водоудерживания показало их статистически достоверное совпадение в широком диапазоне оцениваемой величины удельной поверхности от 5 до 340 м²×г^-1 для почвенных образцов разного генезиса и дисперсности.

Целью исследований было изучение годичной и сезонной динамики подвижного калия в почве сада и оценка обеспеченности калием деревьев яблони при использовании почвенных и листовых удобрений. Исследования проводились в периоды вегетации 2016–2020 гг. в почвенно-климатических условиях лесостепной зоны Среднерусской возвышенности (Орловская область). Полевой опыт по изучению эффективности азотных и калийных удобрений проводится с деревьями яблони сорта Веньяминовское. Почва экспериментального сада — агросерая среднесуглинистая. В качестве почвенных удобрений использовали аммиачную селитру и хлорид калия в дозах N30K40, N60K80 и N90K120. Для некорневых подкормок применяли растворы мочевины (1%) и сульфата калия (0,3%). Содержание подвижного калия определяли в пробах почвы, отбиравшихся с глубины 0–20, 20–40 и 40–60 см ежемесячно с мая по сентябрь. Уровень подвижного калия в корнеобитаемом слое почвы неудобренных делянок был относительно стабильным в течение пяти лет. В то же время регулярное внесение удобрений привело к постепенному накоплению калия в верхнем слое почвы, скорость которого зависела от доз удобрений. Когда содержание калия в почве достигало 150 мг×кг^-1, усиливались сезонные колебания показателя и происходила вертикальная миграция элемента в почвенном профиле. Основными факторами, влияющими на калийный режим деревьев яблони, были: метеоусловия, нагрузка деревьев урожаем и дозы удобрений. Сопряженная почвенная и растительная диагностика показала, что негативный эффект от снижения доступности почвенного калия проявляется и в последующем периоде вегетации, при этом его можно ослабить, внося удобрения в почву и применяя листовые подкормки. Наибольшая продуктивность яблони в первые четыре года плодоношения отмечена при удобрении почвы N60K80 в сочетании с некорневыми подкормками.

Одним из главных лимитирующих факторов высоких урожаев чая в мире, в том числе в России, является дефицит азота (N) в почве. Исходя из этого на чайных плантациях повсеместно используют высокие дозы азотных удобрений, которые вызывают агрогенную трансформацию почв, загрязнение сопредельных сред, снижение качества чая. Одним из путей снижения доз азотных удобрений при возделывании культуры чая является внедрение новых сортов с более высокой эффективностью использования N из почвы и удобрений. В этом аспекте в вегетационном эксперименте были изучены генотипические особенности образования и накопления ряда вторичных метаболитов в листьях чая, определяющих вкусовые и лечебные свойства чая, при оптимальной обеспеченности азотом и его дефиците. Объектами исследования являлись наиболее перспективные отечественные сорта чая (Колхида и Каратум), возделываемые на бурых лесных кислых почвах во влажных субтропиках России. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии в листьях чая было определено содержание ряда специализированных органических компонентов: катехинов, флаванолов, алкалоидов и теанина. Установлено, что N в растениях чая изученных генотипов в наибольшей степени активизировал биосинтез теанина (более одного порядка) и алкалоидов: кофеина в 3–5 раз и теобромина в 2–3 раза. При этом N ингибировал образование и накопление ряда катехинов и флаванолов в среднем в 1,5–2 раза. При оптимальной обеспеченности N растения сорта Колхида выделялись более высоким накоплением в листьях теанина (на 30–60 %) и галлированных катехинов (на 50%), а растения сорта Каратум — накоплением алкалоидов (на 10–20%) (кофеина и теобромина). При дефиците N в растениях чая сорта Колхида в большей мере, в сравнении с сортом Каратум, накапливались простые и галлированные катехины, а также рутин. Содержание изученных метаболитов в листьях чая сорта Каратум было более стабильным при различном уровне N, что указывало на его меньшую восприимчивость к азотной недостаточности.

В работе продемонстрирована важность создания оптимальных условий минерального питания злаковых трав и микроорганизмов в нефтезагрязненной олиготрофной торфяной почве при ремедиации. Для установления эффективности применения различных форм азотных удобрений при нефтезагрязнении исследованы изменения агрохимических свойств и ферментативной активности почвы, продуктивность злаковых трав и количество ДНК прокариот. Показано значительное увеличение продуктивности растений и численности бактерий и архей при оптимизации азотного питания, особенно ярко выраженное при внесении аммонийно-нитратной формы удобрения. Каталазная активность олиготрофной торфяной почвы повышалась одновременно со снижением остаточного содержания нефтепродуктов в почве, что может являться косвенным доказательством интенсификации процессов деградации углеводородов нефти в почве, усиливающихся при применении минеральных удобрений.

В работе исследована роль оптимизации условий питания и развития смеси злаковых трав в нефтезагрязненном черноземе типичном при высоком уровне загрязнения. Изучено влияние различных форм азотных минеральных удобрений при среднем уровне обеспеченности растений азотом на фоне нефтезагрязнения с использованием показателей, характеризующих агрохимические и ферментативные свойства почвы, а также продуктивность и качественный состав растений-ремедиантов. Загрязнение почв нефтью в дозах 5 г нефти×кг^-1 и 7 г нефти×кг^-1 оказало значительное негативное воздействие на продуктивность растений-ремедиантов, выраженное в снижении биомассы и содержания основных макроэлементов (NPK). Отмечено, что при оптимизации условий питания растений с помощью минеральных удобрений увеличивается надземная биомасса и улучшается качественный состав растений, произрастающих в условиях нефтезагрязнения. Показано, что максимально благоприятные условия для роста и развития растений формировались при внесении нитратной формы азотных удобрений по сравнению с аммонийной и аммонийно-нитратной в эквивалентных дозах. Отмечена высокая зависимость активности исследуемых ферментов (каталазы, уреазы и фосфатазы) от содержания нефти в почве. На фоне применения минеральных удобрений ферментативная активность чернозема типичного повышается пропорционально снижению содержания нефти в почве, что свидетельствует об усилении процессов деградации углеводородов нефти при внесении минеральных удобрений.

Проведен анализ структурных особенностей органической компоненты растворенного органического вещества (РОВ) черноземов типичных (Protocalcic Chernozem), различающихся по преобладающему направлению трансформации почвенного органического вещества (накопление или минерализация), во взаимосвязи с минеральным составом. Для характеристики структурных особенностей органической компоненты использовали методы спектрометрии в ультрафиолетовом и видимом диапазоне и спектрофлуориметрию как подходы, наиболее часто применяемые для этих целей в связи с экспрессностью и доступностью инструментального оформления. Определение содержания минеральных элементов (Al, B, Ba, Ca, Fe, K, Li, Mg, Mn, Na, P, S, Si, Zn) было проведено методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Установлено, что для РОВ пахотных черноземов, где ведущим направлением трансформации является минерализация органического вещества, характерны повышенные значения показателей E2/E3, BIX и SUVA254, что указывает на меньшую молекулярную массу (ММ), больший вклад органического вещества микробного происхождения и ароматических структур в состав РОВ по сравнению с почвами, не вовлеченными в сельскохозяйственное использование. Анализ минеральной составляющей показал, что основными элементами РОВ являются Si и Ca. Вовлечение черноземов в сельскохозяйственное использование приводит к снижению содержания Ca и росту Si, Fe и Al, что отражает увеличение степени выветривания минеральной матрицы черноземов. Проведенный ранговый корреляционный анализ показал наличие значимых связей между структурными характеристиками РОВ (Е2/Е3, SUVA254, MM, BIX, T) и содержанием минеральных элементов (Ca, Al, Fe, Si), что свидетельствует о влиянии процессов выветривания на особенности формирования почвенного РОВ.

На примере данных из статьи Е.А. Дмитриева[1999]. рассматривается расчет необходимого числа проб почвы для оценки содержания углерода в лесном биогеоценозе при мониторинговых исследованиях. Первичные данные содержания углерода были получены в ельнике в 166 точках в слоях 0–10, 10–20, 20–30 см после удаления подстилки. Опробование проводилось в узлах регулярной сетки равносторонних треугольников со стороной 1 м в пределах правильного шестиугольника со стороной 7 м. Содержание углерода определялось методом Тюрина. В исходной статье представлены статистики для трех зон — приствольного, подкронового и межкронового пространства. Пространственное варьирование во всех зонах и на всех глубинах высокое, коэффициенты вариации около 50%. Показано, что число необходимых повторностей для оценки среднего содержания углерода при доверительной вероятности 95% в слое 0–10 см составляет сотни штук и снижается до десятков штук в слое 20–30 см. Поскольку число повторностей для проверки гипотез о равенстве средних зависит не только от доверительной вероятности, но и от мощности используемого критерия, необходимое число повторностей возрастает в несколько раз. Опробование образцами, отобранными из всего вертикального слоя 0–30 см, и формирование из них смешанных образцов уменьшают число требуемых повторностей, однако требуется тщательное соблюдение пробоподготовки, в том числе первичного смешивания проб.

По цифровым фотоснимкам авторы создали трехмерную модель (3D) распределения почвенных горизонтов мозаичного строения в пространстве. Методика апробировалась на освоенной дерново-подзолистой почве Учебно-опытного почвенно-экологического центра МГУ имени М.В. Ломоносова «Чашниково». На одиннадцати срезах почвенного профиля, использовавшихся для получения модели, отображен участок площадью 30×45 см с расстоянием в 2,5 см между ними. Корректность цветопередачи фотоизображений проверяли с помощью портативного спектрофотометра. Цветопередача наилучших фотоснимков была скорректирована по методике внешнего стандарта. На основе полученных изображений создан пакетный файл обработки в программе SAGA GIS для получения трехмерного массива данных по цвету почв в системе CIE L*a*b*. В программе Voxler 4 по цветовым показателям была построена 3D-модель размером 45 см (X) × 30 см (Y) × 25 см (Z) и разрешением 0,5 см (X) × 0,5 см (Y) × 2,5 см. На основании анализа пространственного распределения цветовых показателей и применения алгоритма пороговых значений было проведено выделение горизонтов A1A2, A2, A2B. Запасы углерода, вычисленные для одного и того же объема почвы по 3D-модели, существенно, на 25%, меньше, чем запасы, рассчитанные по 2D-модели. Авторы полагают, что метод оптического картирования на основании цветовых показателей в системе CIE L*a*b* достаточно аккуратно воспроизводит естественную структуру границ почвенных горизонтов и может быть использован в дальнейших работах по моделированию и изучению профилей почв с мозаичным строением.

Предисловие к выпуску

Возвращение частной собственности на землю и насущные запросы развивающейся практики землепользования требуют переосмысления некоторых существующих фундаментальных парадигм и поиска новых технологий во взаимоотношениях человека и природы, а для этого — создания новых разделов знания. Новым способам освоения окружающей ландшафтной среды недостаточно методов, предлагаемых традиционными дисциплинами. Строительные нормы и правила нуждаются в уточнении для антропогенноизмененных почв и грунтов. Инженерное почвоведение — это область знания, изучающая инженерные свойства почвы и возможности их использования для проектирования и строительства почвенно-инженерных сооружений в почве и конструкций из почвы, призванная решать конкретные почвенно-инженерные задачи природообустройства и разрабатывать экологичные инженерные технологии управления свойствами почв и ландшафтов. Подобные технологии сегодня экстренно востребованы в малоэтажном, коммунальном, ландшафтном, садово-парковом, сельскохозяйственном, гидрологическом, лесном, городском и т.п. строительстве. Объекты инженерного почвоведения — почвенно-инженерные сооружения и почвенные конструкции разного масштаба, от педона до почвенного покрова, создаваемые в естественных и антропогенно-измененных почвах. Под почвенно-инженерными сооружениями подразумевается почвенно-технический комплекс, сохраняющий или создающий основу для устойчивого существования естественной окружающей среды. Все почвенно-инженерные сооружения можно разделить на инертные конструкции (фундаменты, трубопроводы, дорожные покрытия) и конструкции, взаимодействующие с почвой (колодцы, поля фильтрации, водоемы, дренажные и оросительные системы). Почвенно-ландшафтный инжиниринг — это неотъемлемая часть бурно развивающегося экологического инжиниринга. Технологии почвенно-ландшафтного инжиниринга являются одной из основных движущих сил прогресса цивилизации на протяжении всего существования человечества, а наивысшего расцвета они достигают в русской усадебной культуре XIX в. Однако новое социально-экономическое явление «современная русская усадьба» нуждается в изучении и разработке норм и правил по организации его взаимодействия с окружающей природной средой, которое во многом похоже на влияние садового строительства и очень схоже с совмещенным в пространстве и времени влиянием города.

Высокая водоудерживающая способность и влагоемкость детрита определяют его потенциальное гидрологическое значение в формировании водного режима почв и фитопродуктивности лесных ландшафтов. Используя компьютерное моделирование водного обмена в системе «почва-растение-атмосфера» HYDRUS-1D, мы изучили предварительно гидрологическую функцию детрита по водоудерживанию влаги осадков и корневому водопотреблению при разных количествах и вариантах расположения слоев детрита в почвенном профиле. Спроектированные на основе этой информации почвенные конструкции для устойчивого лесоразведения с повышенной карбоновой секвестрацией продемонстрировали в полевых экспериментах с мониторингом водного баланса высокую эффективность в оптимизации водоудерживающей способности почвы и транспирационного расхода влаги тестовой культуры (ель голубая Picea pungens Engelm.) с 2–3-кратным сокращением непродуктивных водных потерь и 1,5–2-кратным увеличением текущего прироста растений относительно необработанного контроля. Физическим механизмом гидрологической функции детрита является формирование капиллярных барьеров, блокирующих испарение и капиллярное рассасывание влаги, при расположении органогенных слоев на поверхности (лесная подстилка) или внутри почвы (торфяные прослои в почвенных конструкциях).

На кафедре эрозии и охраны почв сложились основные научные направления — «Оценка эрозионных процессов в почвах различных биоклиматических зон», «Изучение основ устойчивого землепользования» и «Эколого-экономическая оценка деградации почв и земель». Предлагается развитие как существующих направлений научных исследований с определенной корректировкой их названий и проблематик («Анализ и моделирование эрозионных процессов в почвах, в том числе в условиях изменения климата», «Развитие концепции устойчивого землепользования в контексте проблемы продовольственной безопасности», «Экология, экономика и социально-демографические особенности землепользования в условиях изменения климата и деградации почв»), так и новых направлений, имеющих некоторую исследовательскую историю на кафедре — «Разработка принципов охраны почв», «Разработка методологических основ рекультивации земель». Особенно подробно рассмотрена необходимость создания целостной концепции охраны почв. Эта концепция должна включать в себя и формулирование правовых (законодательных и нормативно-методических) принципов охраны почв, и определение критериев оценки почв, при которых их охрана может осуществляться, и разработку систем охраны почв, прежде всего от проявления эрозионных процессов, в различных биоклиматических и административно-территориальных условиях.

В статье обобщены результаты последних исследований сотрудников кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова в области оценки генетического потенциала микробных сообществ почв и их применения в развитии фундаментального почвоведения и природоохранных технологий. Сформулированы перспективные направления дальнейшей работы, связанные с использованием микробного потенциала почв в целях биоремедиации территорий от экотоксикантов, разработки технологий самоочищения почв на основе стимуляции природных сообществ микроорганизмов, а также применения микробных препаратов биодеградации нефтепродуктов, пестицидов и синтетических полимеров. Другое важное направление связано с развитием научных основ индикации биологических объектов в окружающей среде и космических объектах. В рамках этого направления проводится геномный анализ некультивируемых микроорганизмов из Арктики, Антарктики и других экстремальных местообитаний, а полученные знания используются в качестве модели инопланетной жизни. Еще одним актуальным направлением для кафедры биологии почв является разработка агробиотехнологий на основе управления естественным почвенным микробиомом, создание микробных препаратов-стимуляторов роста и развития растений, микробиологических способов повышения доли биологического азота в питании растений, использование микробных эндосимбионтов растений и биоинсектицидов. Не менее важным аспектом является поиск продуцентов биологически активных веществ, таких как фитогормоны, антибиотики, ферменты, пробиотики, гидролитики природных и искусственных полимеров. Рассмотренные направления исследований в области биологии почв имеют важное значение для улучшения земельного хозяйства, охраны окружающей среды и разработки природоохранных технологий.