Статьи

В работе охарактеризованы профили целинных каштановых почв и солонцов севера Прикаспийской низменности, прилегающихк Джаныбекскому стационару. Задачей исследования было проанализировать морфологию, физические свойства и химический и минералогический состав так называемых ксерометаморфических горизонтов каштановых почв в районе исследований. Исходной гипотезой было общее генетическое сходство ксерометаморфических горизонтов с солонцовыми горизонтами в соответствующих сопряженных почвах. При общем сходстве морфологических признаков, минералогического и химического состава указанных горизонтов отмечалось существенное различие по содержанию обменного натрия и по наличию признаков иллювиирования глины в солонцовых горизонтах. Высказано предположение, что ксерометаморфические горизонты отражают начальные этапы формирования щелочных почв, в дальнейшем разведенных дивергентным педогенезом. Поддерживается предложение ряда специалистов по выделению горизонта ВМК в почвах, используемых в сельском хозяйстве, и, соответственно, типа агрокаштановых почв.

Данные дистанционного зондирования служат важным источником информации для мониторинга и картографирования растительного покрова. Методы машинного обучения являются современным и мощным инструментом для обработки данных. Однако методы машинного обучения в сочетании с данными дистанционного зондирования практически не использовались для оценки и картографирования засоленности почв на юге степной зоны России. В настоящей работе рассматривается возможность применения различных спектральных характеристик для оценки и картографирования засоленности почв в солонцовых комплексах на юге степной зоны России (Республика Калмыкия) с использованием методов машинного обучения. Был рассмотрен ряд предикторов, среди которых коэффициенты отражения в голубой, зеленой, красной, инфракрасной зонах спектра, вегетационные индексы (NDVI, NDVIt, TVI, SAVI, MSAVI, EVI1-EVI4), индексы засоления (SI1–SI6), индексы интенсивности (Int1, Int2), индекс яркости (BI) и индекс, предложенный авторами. Использовались снимки высокого разрешения со спутников QuickBird (2,4 м) и SuperView-1 (2 м). Засоленность почв оценивалась по двум показателям: удельная электропроводность в водной суспензии (EC1:5) и активность натрия (aNa1:5). В исследовании применялись две различные модели машинного обучения: линейная регрессия и нейронные сети. Согласно полученным результатам, в модели линейной регрессии для EC1:5 в слоях 0–30, 0–50, 0–100 см коэффициент детерминации (R2) на обучающей выборке равен 0,53, 0,59, 0,79; на тестовой выборке удалось получить коэффициент детерминации 0,49, 0,58, 0,70, соответственно. Модель нейронной сети имеет значительно более высокие коэффициенты детерминации: R2 для EC1:5 в слоях 0–30, 0–50, 0–100 см на обучающей выборке равен 0,68, 0,91, 0,97; на тестовой выборке равен 0,87, 0,86, 0,88, соответственно. Это указывает на больший потенциал данной модели для картографического моделирования засоленности почв. При этом наилучшими предикторами оказались следующие индексы: NDVIt, TVI, EVI1, Int1. Исследование показало потенциал использования модели нейронной сети и спектральных индексов, полученных с помощью изображений SuperView-1, для картографирования засоленности почв солонцовых комплексов на юге степной зоны России.

Изучены физические, химические и физико-химические свойства почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) территорий угольных отвалов в юго-восточной части Донецкого кряжа в пределах Грушевско-Несветаевской синклинали (Ростовская область), различающихся по возрасту, литологическим свойствам слагающих их вскрышных и вмещающих пород и пирогенной динамике. Установлены основные химические, физические и физико-химические характеристики свойств почв исследуемых территорий для оценки геоэкологической ситуации, закономерностей распространения потенциально токсичных веществ и разработки проектов по восстановлению территорий. Выявлено неравномерное влияние факторов почвообразования, проявляющееся в высокой вариабельности и контрасте свойств почв и ТПО. Электронно-микроскопические исследования техногенных образцов показали, что грубая микроструктура образовалась в результате воздействия на породу современных процессов уплотнения, цементации и спекания. Широкий диапазон варьирования рН (4,4–8,9) и засоление (до 1,9% плотного остатка) относят породы к непригодным для биологической рекультивации.

В пик вегетационной активности исследованы микробная продукция и эмиссия СО2 в дерново-подзолистых почвах карбонового полигона МГУ «Чашниково» в Московской области. Объектами выступили мониторинговые площадки в двух природных экосистемах (вторичный еловый лес и суходольный разнотравный луг) и в двух агроэкосистемах (многолетние травы и чистый пар). Почвы различались запасами углерода органического вещества (Сорг), микробного углерода (Смик) и потенциально-минерализуемого углерода (Спм). Наибольшие величины микробных показателей и содержания углерода отмечались в верхних 30 см с максимумом в верхних 10 см. Запасы Сорг в слое 0–30 см были в 1,1–1,3 раза выше в агропочвах (72,7–75,6 т·га-1) по сравнению с природными (59,4–65,0 т·га-1) из-за различия в плотности почв. Вклад запасов Смик в запасы Сорг в почвах луга и агропочвах под многолетними травами (1,8 и 1,4%) был выше, чем в лесных почвах и почвах под чистым паром. Запасы Спм в природных почвах (1,34 и 0,97 т·га-1 для слоя 0–10 см) были в 1,3–2,3 раза больше, чем в агропочвах, но интенсивность минерализации органического вещества в агропочвах в 1,4–2,9 раз ниже, чем в почвах естественных экосистем. Для экосистем со сходной растительностью показано влияние запасов Спм на величину микробной продукции СО2, отмечалось ее пропорциональное увеличение. Максимальная потенциальная микробная продукция СО2 (4,8 гС·м-2·сут-1 для слоя 0–10 см и 10,5 гС·м-2·сут-1 для слоя 0–30 см), запасы Смик (0,50 т·га-1), а также эмиссия СО2 (11,09±0,29 гС·м-2·сут-1) были характерны для почв суходольного луга. В остальных биоценозах микробная продукция СО2 ниже примерно в 2 раза. Так как эмиссия СО2, помимо микробного дыхания, обусловлена еще дыханием корней растений, то минимальные ее величины наблюдались с агропочв под чистым паром (5,01±1,43 гС·м-2·сут-1). Эмиссия СО2 лесными почвами и агропочвами под многолетними травами была статистически незначимо ниже по сравнению с лугом.

Впервые апробирована методика ФАО в рамках проекта по созданию Глобальных карт питательных веществ и их балансов (Global Soil Nutrient and Nutrient Budget Maps) для картографирования содержания гумуса в почвах на региональном уровне на примере Брянской области (РФ) с пространственным разрешением 250 м/пиксель. Карта создана в программной среде R с использованием материалов Агрохимслужбы за 2017–2022 гг., данных дистанционного зондирования Земли, общедоступных баз данных и почвенных карт. Для моделирования за точки пробоотбора были выбраны центроиды участков, с которых отбирались смешанные образцы Агрохимслужбой. Оценка значимости предикторов проведена при помощи алгоритма Boruta, используемого обычно как начальный этап для случайного леса. Создание картографической модели проводилось методом квантильной регрессии на основе случайного леса при помощи пакета caret. Коэффициент эффективности моделирования (МЕС) составил 55%, коэффициент детерминации (R2) — 0,57. Карта отражает актуальные сведения и может быть использована для мониторинга содержания органического вещества в почве и оценки состояния пахот ных почв Брянской области.

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.