Статьи

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.

Водная эрозия — один из наиболее масштабных процессов деградации почв и земель. Этот процесс существенно ухудшает качество предоставляемых экосистемных услуг. Изучение механизма и последствий данного явления поможет разработать стратегии по смягчению его воздействия на окружающую среду. Одной из проблем изучения водной эрозии является высокая стоимость проведения полевых исследований для масштабных территорий. Другой проблемой является ограничение существующих моделей, часто разработанных для конкретных регионов. Наше исследование направлено на решение этих проблем путем адаптации широко используемой модели RUSLE2 к локальным условиям. Пекин был выбран в качестве области наших исследований благодаря его богатым информационным ресурсам и обширным результатам полевых измерений водной эрозии почв. Расчет был выполнен с использованием растровой модели данных, которая включала модель угла наклона, длины склона, эродируемости почвы, факторов эрозионного потенциала осадков в результате выпадения осадков и таяния снега, типов землепользования и фактора управления растительным покровом. Все данные были взяты из открытых источников. Расхождение с другими исследованиями составило менее 1%. Модифицированная модель RUSLE2 показала хорошие результаты, коррелирующие с другими исследованиями в данной области.

Эрозионно-аккумулятивные процессы реализуются посредством парагенетических процессов деструкции почвы, транспорта, переотложения и аккумуляции педоседиментов, обогащенных органическим углеродом. Перспективным подходом в обосновании допустимых эрозионных потерь почв становится интеграция оценок качества почвенных ресурсов, темпов эрозии, а также скорости почвообразования, включающей расчеты баланса органического углерода в почвах агроэкосистем. Круг исследовательских задач включал: анализ среди современных комплексных подходов по обоснованию допустимых эрозионных потерь почв наиболее перспективных с точки зрения полноты отражения агропедогенеза; оценку эффективности процесса регенерации гумусового горизонта при первичном, рецентном и постагрогенном вариантах воспроизводства почв; выявление закономерностей формирования природного почвенного покрова на датированных и полноголоценовых педотопокатенах; определение результативности эрозионно-аккумулятивных процессов при формировании обогащенных органическим углеродом педоседиментов в тальвегах ложбин стока при экстремальном гидрологическом событии и в аккумулятивных элементах ландшафта за многовековой период.
Основными объектами исследования выступили разновозрастные почвы в состоянии ренатурации, которые были выбраны в антропогенно нарушенных геосистемах европейской лесостепи. Кроме того, изучены почвенно-геоморфологические особенности в пределах разновозрастных эрозионных педотопокатен и процессы аккумуляции педоседиментов на разных масштабных уровнях.
По результатам моделирования почвообразовательного процесса во времени, основанного на обширной базе почвенно-хронологических данных, определены значительные различия скорости формирования гумусового горизонта на начальных и квазифинальных стадиях педогенеза, а также сопряженность онтогенетической зрелости гумусового профиля со скоростью педогенеза, что необходимо учитывать при обосновании допустимых эрозионных потерь. Многолетние исследования процессов ренатурации нарушенных почв в зоне лесостепи определили особый тип воспроизводства у агроаброземов, когда происходит функциональная реабилитация остаточного гумусового горизонта, отличающийся от первичного педогенеза (при формировании гумусового профиля на материнских породах). В зависимости от эрозионной трансформации профиля почвы-предшественника средние скорости формирования постагрогенного гумусового горизонта у черноземов лесостепи находятся в диапазоне от 3,6 до 6,0 мм·год–1. Как показали результаты изучения разновозрастных и полноголоценовых педотопокатен, природный почвенный покров, который отражает процессы смыва–аккумуляции и ландшафтной склоновой микрозональности, и почвенно-геоморфологические взаимоотношения могут быть адекватно формализованы путем совершенствования в эрозионных моделях формулы расчета рельефной функции через введение переменной величины степени при показателе длины склона.

В работе на основе применения универсального уравнения эрозии почвы RUSLE оценивается пространственно-временная изменчивость водной эрозии почвы в Крыму для двух периодов 1958–1988 и 1989–2018 гг. Уровень эрозии почв на полуострове изменяется от слабо опасного до чрезвычайно опасного. Наиболее эродированные почвы приурочены к Южному берегу Крыма, что соответствует сочетанию наибольших значений эрозионной способности осадков и эрозионного потенциала рельефа. Установлено, что потери почвы в первый период несколько превышали аналогичную величину после 1989 г. (⁓ на 13%), при этом доля земель, подверженных эрозии от средне опасной до чрезвычайно опасной, изменялась в пределах менее 1%. Указанные изменения могут быть связаны как с сокращением сельскохозяйственных обрабатываемых земель, так и с изменчивостью самих факторов смыва почв. Показано, что основную роль в формировании поверхностного смыва почвы на территории Крыма играют факторы эрозионной способности осадков, эрозионного потенциала рельефа, а также фактор растительности. На основе сопоставления величин фактического стока взвешенных наносов в замыкающих створах рек со значениями смыва почвы выявлена степень трансформации смытых частиц в сток наносов и показано, что для большинства рек, освещенных данными стационарного мониторинга за стоком взвешенных наносов, характерна аккумуляция продуктов эрозионного смыва, когда замыкающих створов достигает не более 50% смытого материала.

Проведено изучение эродируемости модельных почв методом размыва образцов водным потоком в гидродинамической трубе. Новый способ формирования почвенных образцов при горизонтальной загрузке кассет по сравнению с традиционным вертикальным методом позволил получить более однородное сопротивление образцов в процессе их размыва водным потоком, к которому сформированные слои почвенных агрегатов располагаются перпендикулярно. Использование измерительного устройства «Посейдон» позволило получить интенсивности смыва в динамике, оценить качество подготовки образцов и провести анализ данных с целью их выбраковки, особенно начала и конца экспериментов. Кроме того, использование устройства позволило отказаться от отдельных операций, необходимых для уточнения данных опытов при досрочном их прекращении, — учета остатка образца, требующего его высушивания для определения количества смытой почвы по разности масс. Файлы данных, формируемые устройством по окончании экспериментов, существенно упростили их обработку и значительно сократили требуемое на нее время. Коэффициент вариации величины интенсивности смыва уменьшился в среднем на 12% при использовании нового метода подготовки образцов по сравнению с прежним. Установлены диапазоны влажности модельных почв, для которых характерна их минимальная эродируемость. Приведены зависимости интенсивности смыва почв от скорости водного потока в диапазоне от 0,5 до 2,5 м·с-1. Полученные результаты подтверждают зависимость интенсивности смыва почв от куба скорости потока. Эродируемость почв определяли как коэффициент пропорциональности между интенсивностью смыва и кубом скорости потока. Максимальный коэффициент эродируемости характерен для агросерой почвы и равен 179×10-6, а минимальный получен для агрочернозема — 53,0×10-6 с2·м-2. Агродерново-подзолистая почва характеризуется промежуточной величиной коэффициента эродируемости — 80,3×10-6 с2·м-2. Предложенные методические подходы и полученные экспериментальные результаты в дальнейшем могут использоваться для оценки эродируемости монолитов почв и грунтов и модельных образцов полифракционного состава, близкого к естественному.

Деградация земель — глобальная проблема человечества, где наибольший вклад принадлежит засушливости и эрозии почв. Социальные последствия деградации земель — крайне актуальная, но слабо концептуализированная проблема. Это препятствует созданию эффективных исследовательских программ по их изучению. В статье дается широкий обзор рассматриваемой проблемы. Для выявления проблемного поля в области изучения социальных последствий деградации земель было проведено экспертное исследование. С помощью интервьюирования девяти признанных ученых-экспертов в области изучения деградации земель были выявлены наиболее устойчивые суждения, которые послужили опорой для выделения основных форм проявления социальных последствий деградации земель. Были составлены частные исследовательские концепции, заключающиеся в выделении позиции каждого эксперта по поводу основных последствий деградации земель. В результате была сформирована обобщенная экспертная модель проблемного поля социальных последствий деградации земель. Согласно этой модели, все эксперты отмечают междисциплинарный характер изучения рассматриваемых вопросов, которые находятся на пересечении экологических, экономических и социальных проблем. Подавляющее большинство экспертов отметили прямой характер влияния деградации земель на формирование социальных последствий. Благодаря комплексированию частных концепций получилось выявить такие аспекты, по которым есть расхождения. Это предоставляет возможность более широкого изучения социальных последствий деградации земель. Так, встречается экспертное мнение, которое заключается в том, что социальные последствия имеют скорее опосредованный характер и реализуются через ресурсные проблемы. Часть экспертов обратили внимание на то, что именно экстремальные формы деградации земель значительно усиливают проявление социальных последствий. По мнению экспертов, деградация земель может приводить к изменению социального статуса; снижению рекреационного потенциала земель; голоду, изменению продолжительности жизни, потере работы; усилению расслоения общества; изменению стоимости жилья и смене типа землепользования; снижению использования земли для сельскохозяйственных нужд и изменению отношений людей на более индивидуалистические. Также было отмечено, что использование продукции с деградированных земель может приводить к повышению онкозаболеваемости в регионе. Концептуализация и выявление указанных проблем может помочь сконцентрировать усилия в области изучения социальных проблем деградации земель.

.В работе рассматриваются особенности аккумуляции эродированного почвенного материала у подножия распаханного склона, на нижней границе которого сформирован вал напаши, и его поступления на задернованный борт малой долины. Исследован малый водосбор в районе интенсивного чернобыльского загрязнения, где положение нижней границы пашни на протяжении последних нескольких десятилетий совпадает с бровкой балки. Это позволило проследить пространственные закономерности распределения эродированного материала при стабильном функционировании напаши в качестве важного литодинамического рубежа, аккумулирующего и перераспределяющего потоки смытого твердофазного вещества почв. Определение объемов материала, поступающего с пахотных склонов, проводилось при помощи математического моделирования эрозии на базе высокоточной цифровой модели рельефа, данных о климате, эродируемости почвы и севооборотах. Для оценки интенсивности аккумуляции использован 137Cs чернобыльского происхождения в качестве надежного хрономаркера. Основной объем эродированного материала поступает в долинную сеть по системе склоновых ложбин, концентрирующих склоновый сток и прорезающих напаши. На участках задернованных бортов вне зон концентрации стока переотложение материала в основном зависит от морфологической выраженности вала напаши, происходит локально и связано с эпизодическими переливами в результате постепенного заполнения понижения перед напашью. В существующих условиях аккумуляция продуктов эрозии почвы на задернованных бортах балки занимает сравнительно малую долю в общем балансе наносов исследованного водосбора. Существенные изменения могут произойти вследствие постепенного снижения барьерной роли напаши в результате аккумуляции эродированного почвенного материала и климатических изменений, способствующих увеличению смыва.

Черноземы — наиболее плодородные почвы России. Большая часть территории Курской области покрыта черноземами, распахана половина территории, приблизительно пятая часть распаханных земель эродированы. В связи с этим актуально изучение различных аспектов эрозионных процессов, затрагивающих черноземы Курской области. Целью работы являлось оценить влияние мелководных потоков на морфометрические характеристики агрегатов черноземов типичных разной степени смытости. Проведен ряд модельных эрозионных экспериментов с капиллярно-увлажненными насыпными образцами верхнего 10-сантиметрового слоя гумусового горизонта черноземов типичных пахотных Курской области. Контрольный вариант — сопоставимый образец чернозема типичного участка «Косимая степь» Центрально-Черноземного природного биосферного заповедника имени профессора В.В. Алехина. Определены морфометрические параметры агрегатов почвы, вынесенных модельными потоками с минимальной, средней и максимальной скоростью (0,3, 0,41‒0,45 и 0,54‒0,58 м·с-1 соответственно). Анализ результатов экспериментов показал, что агрегаты меньших размеров имеют большие показатели округлости, изометричности, меньший показатель изрезанности поверхности. Агрегаты больших размеров, наоборот, менее округлы и изометричны и более изрезанны. При воздействии на насыпной образец почвы модельным мелководным потоком степень округлости и коэффициент изрезанности поверхности агрегата изменяются обратно пропорционально друг другу. На изменение фактора формы и коэффициент изрезанности поверхности агрегатов оказывает влияние как степень смытости почвы, так и скорость потока, причем эти факторы взаимно усиливают влияние друг друга. На степень изометричности агрегатов влияет главным образом степень смытости почвы, но ее влияние усиливается при добавлении фактора скорости. В зависимости от скорости потока влияние его на морфометрические параметры агрегатов различается: в области низких скоростей происходит окатывающее воздействие, в области высоких скоростей — разрушающее. Продолжение подобных исследований позволит расширить представления о механизмах и закономерностях формирования смытых почв.

Формула Кузнецова связывает параметры эрозионной стойкости и водоустойчивости почв. Однако механизм возникновения данных свойств различен: водоустойчивость объясняют действием внутриагрегатных гидрофобных связей между гуминовыми веществами, а эрозионную стойкость — размером водопрочных агрегатов и силой их сцепления друг с другом. При этом природа межагрегатных связей, обеспечивающих эрозионную стойкость, остается неясной. Цель работы состояла в уточнении механизма эрозионной стойкости почв путем проверки существования связи между устойчивостью почв к действию воды на гидролотке и водоустойчивостью их агрегатов. В работе использовали образцы гумусово-аккумулятивных горизонтов почв: дерново-подзолистой и чернозема выщелоченного. Для получения образцов с одним агрегатным составом, но отличающихся по эрозионной стойкости в работе использованы почвенные полимерные мелиоранты (ППМ). Эрозионную стойкость почв определяли на гидролотке и рассчитывали критическую скорость смыва. Водоустойчивость почв оценивали методом лезвий. Размер частиц в растворах оценивали методом лазерной дифрактометрии. Установлено, что на почвах, обработанных ППМ, результаты методов лотка и лезвий коррелируют на 99%. Высокая корреляция позволяет предположить единую природу внутри- и межагрегатных связей. Для проверки роли гидрофобных взаимодействий в формировании агрегатов, устойчивых к действию воды, в модельном эксперименте к водным растворам гуматов добавили полимеры разной степени гидрофобности: полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиакриламид (ПАА) и поливиниловый спирт (ПВС). Параллельно оценили водоустойчивость почв, обработанных ПЭГ, ПАА и ПВС. Анализ результатов показал, что наибольшая водоустойчивость агрегатов отмечена при добавлении в почвы самого гидрофобного полимера — поливинилового спирта, который формировал наиболее крупные частицы при взаимодействии с гуматом в модельном опыте. Эти результаты подтверждают роль гидрофобных взаимодействий в образовании агрегатов и свидетельствуют, что при подборе полимеров-структуров следует учитывать их взаимодействие не с глинистыми минералами, а почвенными гелями, которые включают в себя глинистые минералы и гуминовые вещества.