Статьи

Почвы являются крупнейшим наземным резервуаром органического углерода, поэтому даже небольшое изменение запасов углерода в почвах может значительно повлиять на атмосферу и климат. Для выбора эффективных стратегий, направленных на смягчение последствий изменения климата, необходимы прогнозы реакции почв на будущие изменения климата и землепользования. Получение обоснованных прогнозов требует глубокого понимания очень сложной открытой многокомпонентной системы органического вещества почв. Одним из наиболее эффективных методов прогнозирования динамики органического вещества почв является математическое моделирование. Процесс-ориентированные, то есть физически обоснованные модели позволяют представить основные концепции о механизмах, определяющих поведение этой системы, в математически формализованном виде и провести количественный анализ. Неопределенность прогнозов зависит от уровня развития теории, объясняющей динамику органического вещества почв, представляющих ее моделей и их экспериментального обеспечения. В этом обзоре рассмотрены достижения последнего десятилетия в представлении в моделях роли микроорганизмов в стабилизации органического вещества почв, концепции насыщения почв органическим углеродом, температурного контроля, а также развитии моделей реактивного транспорта, описывающих динамику органического углерода в профиле почв, и представлении динамики органического вещества почв в глобальных климатических моделях. Обсуждаются нерешенные проблемы, связанные с высокой вариативностью структуры моделей динамики органического вещества почв нового поколения.

Исследован зимний температурный режим почв туфурового поля, сформировавшихся на гажевых отложениях первой надпойменной террасы, и темногумусовой почвы, сформировавшейся в условиях, более близких к зональным. Температуру атмосферного воздуха, под снегом и почвы на глубинах 5–120 см измеряли автономными регистраторами температуры. Температура под снегом зависела от высоты снежного покрова. В середине туфура сумма среднесуточных температур под снегом за период с 10 декабря по 30 марта составила –387°C, а в микропонижении эта сумма была меньше по абсолютной величине и составила –170°C. Температура почвы туфурового микроповышения на разных глубинах была ниже температуры почвы микропонижения между туфурами, а температура почвы в зональных условиях принимала промежуточные значения. Глубина проникновения нулевой изотермы в пределах туфура составила 55 см, микропонижения — 25 см, в зональной почве — 45 см. Микрорельеф туфурового поля является фактором перераспределения снега и формирования неоднородностей высоты снежного покрова и тем самым формирует закономерные расхождения в глубине проникновения нулевой изотермы на различных участках и пространственные неоднородности температурного поля исследованных почв в зимнее время.

Исследована температуропроводность верхнего пахотного горизонта урбанозема, отобранного на территории Почвенного стационара МГУ, низинного пакетированного торфа, а также их смесей. Просеянную через сито 1 мм почву из гор. Апах смешивали с торфом в различных долевых соотношениях; содержание торфа в смесях составляло от 1 до 80% по сухой массе. Почвой, торфом и их смесями набивали металлические цилиндры высотой 10 см и диаметром 3,8 см. Измерения температуропроводности проводили, используя метод регулярного режима с рабочим интервалом температур 20–26°С. Измеряли скорость нагревания набивных образцов после помещения в жидкостный термостат с постоянной температурой воды. Для каждого из исследованных образцов провели серию измерений при пошаговом изменении влажности образца от максимальной после капиллярного насыщения до минимальной при воздушно-сухом состоянии. При изменении влажности в исследованном диапазоне температуропроводность разных образцов менялась в 1,3–3,5 раза; наибольшие изменения были характерны для минеральной почвы. Зависимость температуропроводности от влажности для торфа оказалась почти линейной, для почвы это была S-образная кривая со слабо выраженным максимумом. Наиболее низкая температуропроводность получена для торфа и смесей с его высоким содержанием; наиболее высокая — для почвы без примеси торфа. Выявлен нелинейный характер зависимости температуропроводности от содержания торфа в образцах. Небольшие добавки торфа к минеральной почве приводили к заметному снижению температуропроводности смеси; небольшие добавки почвы к торфу практически не влияли на температуропроводность. Температуропроводность изученных субстратов увеличивалась с увеличением плотности образцов и уменьшалась с увеличением содержания органического вещества. Сделан вывод, что для почвенно-торфяных смесей характерны те же закономерности, что и для ранее исследованных торфо-песчаных смесей, но в случае почвенно-торфяных смесей эти закономерности выражены менее отчетливо.

Основная цель работы состояла в проверке применимости подхода к оценке экологического состояния почв и теоретической модели биологического отклика в форме вегетационного индекса на воздействие комплекса тяжелых металлов в зоне воздействия объектов добычи и переработки каменного угля в условиях дальневосточной таежно-лесной почвенно-биоклиматической области. Исследования проведены в комплексе с геохимической оценкой природных сред, что обеспечило возможность учета размеров зон воздействия объектов добычи и переработки каменного угля на территории эксперимента по квотированию выбросов, проводимого Минприроды России. Инвентаризация источников выбросов позволила определить ряд приоритетных объектов негативного воздействия на окружающую среду: основная промплощадка, промышленная котельная, интегрированная промплощадка, два угольных разреза и др. По результатам проведения сводных расчетов рассеивания загрязняющих веществ были выделены следующие маркерные поллютанты: углерод (сажа), пыль неорганическая и пыль каменного угля. Установление уровней загрязнения почв и снежного покрова позволило выявить локализацию техногенных аномалий тяжелых металлов, а также определить пылевую нагрузку на исследуемую территорию. Почвенный покров характеризуется низким уровнем загрязнения по суммарному показателю загрязнения, однако накопление микроэлементов в поверхностном слое почв характерно для большинства исследованных металлов и металлоидов, о чем свидетельствуют коэффициенты концентрации >1. Выявлены очаги загрязнения снежного покрова, приуроченные к зоне жилой застройки. Площади с очень высоким уровнем загрязнения снега расположены вблизи муниципальных котельных. На основе теоретической модели биологического отклика в форме вегетационного индекса на воздействие комплекса тяжелых металлов определенного набора, содержащегося в почвах окрестностей предприятия по добыче и переработке каменного угля, установлены предельно допустимые уровни их содержания. Определены границы зоны воздействия основных структурных подразделений предприятия угледобычи, за чертой которых распространены территории природно-антропогенного фона. Почвы в окрестностях объектов добычи и переработки каменного угля характеризуются преимущественно фоновым (ненарушенным) состоянием либо слабодеградированы, таким образом, вред почвам на территории эксперимента не нанесен.

Проведена оценка нормативной урожайности и кадастровой стоимости сельскохозяйственных угодий Алтайского края. Охарактеризовано 123 почвы от дерново-подзолистых до горных в различных агроклиматических условиях и элементах ландшафта. Кадастровая стоимость варьирует в диапазоне значений от 17,2 руб.∙м-2 для черноземов выщелоченных до 0,02 руб.∙м-2 для солончаков автоморфных типичных. Увеличение кадастровой стоимости связано с ростом агроклиматического потенциала. Наибольшие показатели кадастровой стоимости и нормативной урожайности соответствуют зоне оподзоленных и выщелоченных черноземов, темно-серых и серых лесных почв предгорий Салаира, наименьшие показатели кадастровой стоимости и нормативной урожайности характерны для зоны каштановых почв сухих степей. По медианным значениям удельных показателей кадастровой стоимости в ряду черноземов можно выделить следующую зависимость: черноземы типичные> черноземы выщелоченные> черноземы оподзоленные> черноземы обыкновенные> черноземы южные. Показана чувствительность кадастровой стоимости к деградационным процессам: смытость почв снижает удельные показатели кадастровой стоимости от 5 до 88%, дефлированность — на 5–92%, засоление — от 13 до 36%, глееватость — до 66%.

Дана оценка влияния пластмассового бестраншейного и гончарного траншейного дренажа на физические и химические свойства минеральных оглеенных почв, сформированных на бескарбонатных лессовидных суглинках со средней и низкой водопроницаемостью (Кф 0,1–0,3 м∙сут-1). Раскрыты особенности водного режима светло-серых почв разной степени оглеения в годы разной влажности. В профиле глееватых почв весной и осенью формируется двухъярусная верховодка, что обусловливает снижение урожая культур или их гибель. Показано, что дренаж устраняет верховодку. Гончарный траншейный и пластмассовый бестраншейный дренаж оказывают близкое агроэкологическое и гидрологическое влияние на рассматриваемые почвы. Установлена трансформация физических и химических свойств, а также гумусного состояния почв, осушенных разными видами дренажа. Многолетние исследования последействия пластмассового и гончарного дренажей позволяют изучать эволюцию осушенных почв и прилегающего ландшафта. На основе 30-летнего исследования тяжелосуглинистых почв и железомарганцевых конкреций впервые предлагается использовать параметр «содержание углерода в Fe-Mn ортштейнах»: во-первых, для диагностики степени гидроморфизма почв; во-вторых, для оценки эффективности действия дренажных систем и целесообразности проведения их реконструкции.

Существенная роль в движении воды в почвенном профиле принадлежит преимущественным вертикальным потокам влаги, при этом исследованию латеральных потоков уделяется меньшее внимание. Предложен метод исследования латеральных потоков влаги на микроландшафтном уровне с использованием 137Cs «чернобыльского» происхождения в качестве маркера. Для ГИС-моделирования латерального переноса использованы гидрологические атрибуты микрорельефа, полученные на основе цифровой модели рельефа (ЦМР) масштаба 1:200 с сечением горизонталей 20 см. Площадь водосборных участков, протяженность водных потоков, структура эфемерной микроручейковой сети, построенная по методу Хортона – Стралера, а также топографический индекс влажности (TWI) качественно характеризуют интенсивность увлажнения почвы, а также латеральные потоки на микроландшафтном уровне. Введено представление о «преимущественных латеральных потоках» по аналогии с вертикальными «преимущественными потоками влаги». Благодаря пространственным особенностям строения нано- и микрорельефа латеральный перенос формирует эфемерные паттерны с различным режимом увлажнения: «пальчатые», нитевидные и другие. Выявлен слабый уровень зависимости латеральной миграции 137Cs от производных ЦМР.

Показан вклад содержания органического вещества в гидросорбционные свойства почв. Гидросорбционные свойства изучались на примере почв разного генезиса и степени техногенной нагрузки. Среди техногенно преобразованных рассмотрены городские почвы и окультуренная пахотная почва. Естественные почвы представлены дерново-элювиально-метаморфической почвой на ленточных глинах, серой метаморфической почвой и черноземом глинисто-иллювиальным на бурых глинах. Сравнивались показатели изотерм сорбции водяного пара и удельные поверхности, рассчитанные по уравнению БЭТ, исходных образцов и образцов с удаленным органическим веществом. Удаление органического вещества производилось в лабораторном опыте с помощью перекиси водорода. Выявлено, что обработка перекисью привела к существенному снижению сорбционной способности почв и изменению гистерезисных явлений. Установлено, что обработка перекисью сильнее сказалась на значениях влажностей интервала капиллярной конденсации. В то же время сорбционная способность почв снизилась по-разному. Величина удельной поверхности уменьшилась от 1,9 до 2,8 раз. Статистический анализ не выявил корреляционной связи между степенью снижения удельной поверхности и степенью снижения содержания органического вещества. Однако тесная корреляционная связь была установлена между степенью снижения удельной поверхности и исходным содержанием органического вещества. Чем больше было исходное содержание органического вещества в почве, тем сильнее снизилась удельная поверхность в результате обработки. Сорбционная способность городских почв была более низкой, чем у их естественного аналога и окультуренной почвы. При относительно высоком содержании органического вещества в городских почвах эффект от его удаления повлиял на величину удельной поверхности меньше по сравнению с другими почвами, что позволяет рассматривать его в связи с качественным составом органического вещества.

Предложен новый методологический подход к моделированию основной гидрофизической характеристики почвы (ОГХ), полностью основанный на феномене расклинивающего давления водных пленок по Дерягину применительно к почвенной физической системе. Он оперирует переменной массовой долей водной фазы (почвенного раствора) с параметрами концентрации и заряда ионов электролита, удельной поверхностью твердой фазы, а также ограничениями пористостью и стандартным потенциалом условно нулевого содержания воды в почве. Новая модель, валидированная по авторским и независимым литературным данным для почв различного генезиса и гранулометрического состава от песков до глин, показала хорошее соответствие с экспериментальными данными и более адекватное описание водоудерживания с нормализованными среднеквадратическими ошибками в 5–10 раз меньше, чем у наиболее распространенной для описания ОГХ эмпирической модели ван Генухтена. Наряду с адекватным описанием ОГХ во всем диапазоне от состояния водонасыщения до условно нулевого содержания воды новая модель позволяет рассчитать аналитически распределения пор по размерам, оценить обобщенную константу Гамакера для межфазных молекулярных взаимодействий жидкой и твердой фаз почвы, дебаевскую толщину двойного электрического слоя и удельную поверхность твердой фазы почвы альтернативно стандартному БЭТ-методу.

В работе представлены результаты экспериментов по изучению изменения гидрологических свойств почвенных субстратов, слагающих профили искусственных почв (конструктоземов), через 1–4 года после их создания. Конструктоземы представлены двумя вариантами — слоистой почвой, включающей горизонты Апах, торф низинный и песок карьерный одинаковой мощности, и смесью этих субстратов в идентичном количестве по массе, как и для слоистого конструктозема. Проведено сравнение кривых водоудерживания, полученных капилляриметрическим методом на образцах ненарушенного строения. Выявлено снижение водоудерживающей способности торфяного слоя и возрастание в образцах смеси уже через год после закладки конструктоземов. Лабораторные и полевые эксперименты показали статистически значимую разницу в скоростях фильтрации влаги слоистого конструктозема и смеси. Резкие границы между контрастными по своим свойствам горизонтами снижают скорости миграции влаги вплоть до нулевых значений. Получение выходных кривых ионов калия позволило установить, что формирование непрерывных путей быстрого движения влаги и растворенных веществ наблюдается через четыре года функционирования искусственных почв и наиболее выражено в конструкциях с однородным строением профиля.

Рассматриваются проблемы определения и классификации почв по гранулометрическому составу с точки зрения отечественного и международного почвоведения. Развитию методов и приборов гранулометрического анализа почв во многом способствовали работы кафедры физики и мелиорации почв, на основе которых была показана необходимость двух этапов гранулометрического анализа, основана общероссийская методика седиментационного анализа частиц методом пипетки с разработкой классификации Н.А. Качинского и названий почв по гранулометрии, которые принципиально отличаются от общепринятых в мировой практике. В настоящее время, в основном, на первом этапе распространен метод предобработки 4% пирофосфатом натрия, на втором этапе — измерение гранулометрического состава — используют два подхода — методы седиментации и лазерной дифрактометрии, имеющие различные физические основы. Различие конечных результатов по гранулометрическому составу почв указанными методами обычно связывают с разной формой и плотностью твердой фазы органических и минеральных частиц. В данной работе приводятся исследования гранулометрического состава агродерново-подзолистой супесчаной почвы (Тверская область, Опытный полигон ВНИИМЗ) с малым содержанием органических веществ в сравнении трех методов определения гранулометрического состава: лазерного дифрактометра, седиментометрических методов оценки давления суспензии на приборе Pario — метод ISP+ (Integral Suspension Pressure) и классического пипет-метода. Лазерный дифрактометр для тонких фракций показал систематически заниженные данные при одинаковой процедуре предварительной обработки по сравнению с ISP+ и пипет-методом. Метод ISP+ в сравнении с классическим пипет-методом дает схожие результаты.

Сухостепные каштановые почвы (Kastanozems) месторождения Тамсагбулаг подвержены интенсивному техногенному воздействию объектов нефтедобычи. В работе представлены результаты оценки степени загрязнения почв нефтяными углеводородами вкупе с механическим нарушением почвенного покрова. Установлено, что техногенное воздействие на каштановую почву при нефтедобыче проявляется в широком диапазоне варьирования физико-химических показателей поверхностного горизонта: величина минерализации водной вытяжки колебалась от 32,5 до 325,0 мгл-1, удельная электропроводность от 65,4 до 647,0 мкСм·см-1. Концентрация углеводородов (УВ) находилась в пределах от 7 до 647 мг·кг-1. Превышение фонового значения (100 мг·кг-1), установленного для районов нефтедобычи, было выявлено в единичных случаях и составляло 3,2 и 6,5 раз. Доля УВ от содержания органического углерода Сорг варьировала в широких пределах — от 0,01 до 6,20%. Газохроматографический анализ молекулярно-массового распределения н-алканов в составе УВ показал, что в поверхностном горизонте почвы доминируют высокомолекулярные гомологи С27–С39 с достаточно высокой степенью трансформации индивидуальных нечетных н-алканов. Доля среднемолекулярных гомологов ∑С22–С25 не превышала 8% от суммы н-алканов. В микробном сообществе почвы среди эколого-трофических групп микроорганизмов (одноклеточные бактерии, актиномицеты, микромицеты) доминировали гетеротрофные бактерии, в их составе доля нефтеокисляющих бактерий составляла 9,1–39,3%. Процесс деструкции нефтяных УВ сопровождался образованием широкого спектра летучих органических соединений.

В статье представлены результаты измерения токсичности почв с удельной активностью 137Cs в диапазоне 3,3‧102–1,3‧106 Бк·кг-1, плотностью потока β-частиц и мощностью дозы γ-излучения на поверхности насыпного образца 5,4–192,7 имп·с-1‧см-2 и 0,2–2,7 мкЗв·ч-1 соответственно. Формы токсичности выявляли в твердофазном биотесте с Allium cepa L., имитирующим ситуацию внешнего облучения делящихся клеток при контакте с почвой. Токсический эффект оценивали относительно контроля как митотоксичность по снижению митотического индекса и как генотоксичность по индукции хромосомных аберраций с учетом вклада кластогенного эффекта. Величина митотического индекса в серии биотестов с загрязненной почвой снижалась до значений 8,6±1,1–14,6±2,3% по сравнению с контрольным уровнем пролиферации в 14,9±1,2%. При этом частота хромосомных аберраций сопряженно возрастала от 4,7±0,3 до 18,2±3,3%, при контрольном уровне в 3,9±0,5%, с возрастанием до 68% доли нарушений, связанной с кластогенным воздействием на хромосомы. Выявлен ряд значимых корреляций между величинами индексов токсичности и показателями радиоактивного загрязнения почв.

Целью данной работы было изучение поглотительной способности деградированных почв сельскохозяйственных угодий на примере агрохозяйств южной части Шахтерского района Донецкой Народной Республики. В основные задачи исследований входило изучение суммы обменных оснований, обменного кальция и обменного магния. Для исследования почвенного покрова земель сельскохозяйственных угодий были выбраны модельные участки различной степени деградации. При их выборе учитывались такие факторы, как распространенность типа нарушения в пределах района исследований, степень антропогенной трансформации, тип возделываемой культуры. Отбор проб почвы проводился в сентябре 2023 г. Установлено, что наиболее существенное уменьшение показателя суммы обменных оснований было зафиксировано на участках, оставленных под паром после выращивания ряда сельскохозяйственных культур — подсолнечника, кукурузы и пшеницы. Значения суммы обменных оснований были снижены по сравнению с контролем на 56–85%. Показатели обменного кальция в почвах изученных агроценозов варьировали в пределах от 5,5 до 38,08 ммоль экв·100 г-1 почвы, что зависело от положения участка в ландшафте, звена системы севооборота, типа возделываемой культуры. Отсутствие надлежащей системы ухода за почвой исследуемых участков отразилось на содержании обменного кальция, снизив его содержание в среднем на 42,7–84,8%. Процент обменного магния от суммы обменных оснований составлял от 14,3 до 20,6%. Наиболее существенное снижение содержания обменного кальция и магния по отношению к контролю было зафиксировано на участках после выращивания подсолнечника, а также участках, оставленных под паром, где совместное действие ряда неблагоприятных факторов (склоновая поверхность, культура-предшественник с повышенным уровнем выноса элементов минерального питания) повлияло на изменение этого показателя.