Статьи

В рамках исследования экологического состояния почв и растительного покрова в зоне воздействия Среднеуральского медеплавильного завода (СУМЗ) были решены следующие задачи: определено содержание тяжелых металлов в почвах пробных площадок, заложенных в пределах зоны воздействия СУМЗ; выявлены макрокинетические закономерности сезонной динамики нормализованного относительного вегетационного индекса (NDVI) на пробных площадках в зоне воздействия СУМЗ; выявлены макрокинетические закономерности отклика растительности в форме NDVI, рассчитанного по данным MODIS и Landsat 8, на загрязнение почв комплексом тяжелых металлов в зоне воздействия СУМЗ; проведено ранжирование качества почв по закономерностям отклика растительности в форме NDVI на загрязнение почв комплексом тяжелых металлов в границах природно-защитной зоны (ПЗЗ) СУМЗ по данным 2023 г.

Внутрисезонную динамику фотосинтетически активной биомассы в форме NDVI моделировали с использованием теоретического уравнения роста по материалам спутниковых данных MODIS. Сезонный максимум вегетационного индекса на пробных площадках в 2012 г. пришелся на 25‒28 недели. В 2023 г. он наступил на 27‒33 неделе в зависимости от местоположения пункта пробоотбора. Показатель скорости достижения максимума характеризуется слабым внутрисезонным и межгодовым варьированием.

Закономерности изменения концентрации фотосинтетически активной биомассы в форме максимальных за сезон 2023 г. NDVI в ответ на валовое содержание комплекса тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd и Zn) в почве пробных площадок моделировали с использованием теоретического уравнения дозовой зависимости. Предельно допустимый уровень содержания в почве комплекса тяжелых металлов в форме среднего геометрического, не вызывающий снижения значений вегетационного индекса, рассчитанного по данным спутников MODIS и Landsat 8, составил 101 и 106 мг×кг^-1 соответственно.

Проведен анализ гистограмм распределения величин NDVI в пределах природно-защитной зоны который показал, насколько истинные частоты встречаемости значений вегетационного индекса соответствуют ее эмпирической границе, ассоциированной с точкой максимума дозовой зависимости, выявленной по материалам исследования 2012 г. Характер распределения истинных значений NDVI исключительно полно поддерживает использованную теорию зонирования на основе анализа дозовой зависимости. Современные границы природно-защитной зоны СУМЗ удалены на 4–7 км от центра санитарно-защитной зоны.

Нормирование содержания опасных веществ в почве как объекте охраны окружающей среды в Российской Федерации обеспечивается комплексом нормативных актов, устанавливающих принципы оценки, подходы к использованию почв с различной степенью антропогенной трансформации, уровень их загрязнения, при котором наступает ответственность землепользователя за нарушение законодательства об охране почв. Анализ нормативных актов показывает, что на территории России установлена наиболее жесткая система нормирования загрязнения, в основу которой положено определение соответствия содержания химических элементов и соединений в почвах санитарно-гигиеническим нормативам на территориях населенных пунктов и земель сельскохозяйственного назначения. На прочих землях в качестве норматива, превышение которого ведет к наступлению ответственности за загрязнение почв, применяется значение концентрации загрязняющего вещества на сопредельной территории аналогичного целевого назначения и вида использования, не испытывающей негативного воздействия от конкретного вида нарушения. При этом в качестве загрязняющих веществ рассматриваются химические элементы и соединения, независимо от их происхождения, степени опасности и биологической значимости. Применение данного подхода в рамках правоприменительной практики создает значительные проблемы при установлении факта негативного воздействия, расчете размера вреда от загрязнения, разработке мероприятий по ремедиации почв. Так, действующими нормативами к загрязнителям отнесены вещества природного происхождения, в том числе обеспечивающие плодородие почв и вносимые с минеральными и органическими удобрениями. Применение фонового уровня содержания веществ в качестве предельно допустимого значения не учитывает естественной вариабельности элементов и соединений в почвах, а также погрешности их химического анализа. Чрезмерная жесткость применяемых норм является причиной повышения затрат на мероприятия по ремедиации почв.

Выходом из сложившейся ситуации является пересмотр системы нормирования, учитывающий биологическую значимость элементов и соединений, необходимость введения многоуровневой системы показателей качества почв. Существует необходимость усовершенствования понятийного аппарата в составе нормативных документов по охране почв.

В статье на примере Воложинского района Республики Беларусь предлагается комплексная оценка агрохимического и почвенного потенциала почвы посредством типизации почвенного покрова в зависимости от агрохимических показателей (рН_KCl, содержание гумуса, подвижных соединений фосфора и калия) и балла бонитета, отражающего плодородие почвы. При помощи методов геостатистики значения агрохимических показателей были интерполированы из элементарных участков в ареалы почвенных разновидностей сельскохозяйственных земель и классифицированы по градациям агрохимических показателей, составивших агрохимический потенциал (АП). После пересечения АП с баллом бонитета было выделено девять групп почв по почвенно-агрохимическому потенциалу (ПАП), из которых наибольшую долю (58,2%) занимают почвы со средним потенциалом (61950 га). По результатам пространственной оценки ПАП было определено, что наибольшим потенциалом обладают дерново-подзолистые и дерново-подзолистые заболоченные почвы, развивающиеся на легких суглинках и связных супесях. Также было выявлено, что территории с низким ПАП тяготеют к наиболее расчлененным участкам местности с песчаными и связносупесчаными почвами. На основании проведенной типизации определены основные виды предпочтительного использования земель Воложинского района: большая половина сельскохозяйственных земель может быть задействована в интенсивном сельскохозяйственном использовании под пашню (52,1 %) и луга (12,5%), традиционное использование земель возможно на 29,3% территории и только 6,2% земель, преимущественно эрозионно-опасных, требуют почвозащитных систем земледелия.

Для условий ландшафтов верхнего течения р. Клязьма Солнечногорского района Московской области были исследованы высота и запасы снежного покрова, а также определен химический состав снега. Основой при рассмотрении компонентного состава снежного покрова послужила геохимическая систематика химических элементов по особенностям водной миграции и распространенности.

Данные по 23 точкам опробования снега интерполировались в программе SAGA GIS при помощи метода обратно взвешенных расстояний (IDW). На этой основе выделены зоны, отличающиеся по химическому составу снега. Одна из зон, приурочена к автомагистрали М-10 «Москва – Санкт-Петербург», тогда как вторая граничит с населенными пунктами. Зона, приближенная к автомагистрали, характеризуется повышенным содержанием в снежном покрове кальция, натрия, алюминия и хлорид-иона. Вторая зона, граничащая с населенными пунктами, отличается повышенным содержанием в снегу кальция, меди, марганца. Для третьей зоны установлены низкие концентрации компонентов в снегу, которые характерны для супераквального ландшафта в силу удаленности от источников загрязнения.

Изученные снежные воды по составу относятся к бикарбонатно-натриево-кальциево-хлоридному классу. Показано, что высота и запасы снежного покрова частично контролируются двумя факторами: типом элементарного ландшафта и типом экосистемы. На этом фоне пространственное распределение концентраций элементов и анионов в снегу преимущественно контролируется антропогенным фактором.

Целью работы является оценка вклада в общий пул органического вещества растительного сообщества таких составляющих, как биомасса и мортмасса древостоя, подрост, подлесок, живой напочвенный покров и лесная подстилка. Объект исследования — массив хвойно-лиственного леса, расположенного в городском округе Солнечногорск Московской области, в котором были выделены пять постоянных пробных площадей размером 50×50 м. Наибольший вклад в общую массу органического вещества изученных растительных сообществ вносят многолетние части древостоя (до 87%) и мортмасса древостоя (до 14%). При этом доля фитомассы лиственных пород в древостое составляет от 32 до 98%, что говорит о незавершенности процесса лесовосстановительной сукцессии. Вклад лесных подстилок составляет не более 3%, запасы подстилок невысокие — от 0,18 до 1,21 кг×м^-2, что не типично для еловых лесов, как и принадлежность всех подстилок к деструктивному типу. Живой напочвенный покров по флористическому составу и эколого-ценотической структуре типичен для подзоны хвойно-широколиственных лесов, его вклад в общую продуктивность лесного биогеоценоза незначителен. Пространственная внутрибиогеоценозная структура распределения запасов подстилок и биомассы живого напочвенного покрова нарушена по сравнению с типичными еловыми лесами по причине высокой доли лиственных пород в древостое. Включение в древесный ярус лиственных пород, типичное для завершающей стадии формирования вторичного хвойного леса в ходе сукцессии, вызывает некоторое увеличение интенсивности биологического круговорота, индикатором чего служат в данном случае снижение запаса подстилок и упрощение их строения. Поскольку биомасса и мортмасса древостоя вносят наибольший вклад в депонирование углерода лесными биогеоценозами, именно эти компоненты нуждаются в наиболее подробной характеристике в ходе проведения мониторинговых наблюдений, цель которых состоит в оценке запасов углерода наземными экосистемами.

Изучено влияние залпового поступления отработанной противообледенительной жидкости (ПОЖ), применяемой в гражданской авиации, на химический состав элюата дерново-подзолистой почвы в колоночном эксперименте. Установлено, что вместе с отработанной ПОЖ в окружающую среду поступают ионы Al, Ca, Cd, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Na, Ni, Pb, Sr и Zn. Показано, что ПОЖ приводит к изменению показателей состава лизиметрических вод: ХПК, pH, ОВП, электропроводности и содержания тяжелых металлов (ТМ). Элементы в составе элюата делятся по поведению на четыре группы в зависимости от характера изменения концентраций стока из колонки. Ряд элементов из-за поступления ПОЖ становятся более подвижными, в том числе Fe и Mn, и переходят в жидкую фазу, другие — закрепляются в почве, что приводит к перераспределению элементов в профиле почвы.

 Проанализированы изменения физических свойств подзолистых почв спустя три года после рубки хвойно-лиственного леса на территории средней тайги Республики Коми при трех- и десятикратном проездах форвардера, а также после выравнивания глубоких колей, образовавшихся после десяти проездов. Показано влияние разного числа проездов на плотность почвы, коэффициент фильтрации, сопротивление расклиниванию и сдавливанию. Выдвинуто предположение о различных механизмах изменения почв: три прохода форвардера приводят к сдавливанию, десять — к сдавливанию и турбированию, которое подтвердилось показаниями плотности и твердости почвы. Выявлено, что сдавливание после трех проходов приводит к увеличению плотности на 0,15 г×см^-3 и росту сопротивления пенетрации на 25%. При этом изменений в скорости фильтрации не зафиксировано. Десять проходов форвардера привели к перемешиванию, которое нивелировало возможное уплотнение за счет привнесения лесной подстилки в верхние минеральные горизонты почв. Таким же образом произошло уменьшение показателей пенетрации в два-три раза по сравнению с ненарушенным участком, но наряду с этим водопроницаемость волока после десяти проездов уменьшается с 70 до 1 см×сут^-1. Выявлено, что выравнивание колей приводит к заметному уменьшению плотности почвы спустя три года, в том числе по сравнению с ненарушенной почвой пасечного участка. Более того, в несколько раз возрастает скорость фильтрации. Однако на выровненном участке повышается сопротивление пенетрации. Оценка параметров аппроксимации кривой водоудерживания уравнением ван Генухтена позволила выявить изменения почв волоков по сравнению с механически ненарушенным участком. Отмечено уменьшение диапазона подвижной влаги в результате уплотнения и образования колей от тяжелой техники, приводящее к застою влаги в колеях.

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.