Смагин Андрей Валентинович

На количественном уровне в 2-х летнем почвенно-лизиметрическом эксперименте оценены основные составляющие баланса СО₂ – эмиссия с поверхности, вынос с лизиметрическим стоком и динамика запасов в 1,5 метровой почвенной толще с учетом межфазных равновесий. Показан значительный (до 22-92%) вклад лизиметрического стока в общий газообмен в холодное время (осень-зима) на фоне малой (0,3-3,7%) доли во время вегетации (весна-лето). Из-за инерционности и нестационарности внутрипочвенных процессов аккумуляции/разгрузки газа эмиссия с поверхности не отражает адекватно гросс-продуцирование СО₂ объемом почвы, занижая в весенне-летний период и завышая осенью. Полученная за 2-х летний срок корреляция эмиссии и гросс-продуцирования СО₂ указывает на возможность 1,3-1,4 –кратного занижения диссимиляционной составляющей круговорота углерода при традиционной  эмиссионной оценке почвенного дыхания. 

На примере московского мегаполиса рассматриваются методологические проблемы количественной оценки загрязнения городских почв бенз(а)пиреном и их биоремедиации. Использованы доступные материалы научных публикаций и официальных отчетов муниципальной системы «Мосэкомониторинг» по загрязнению городских почв бенз(а)пиреном и закономерностям его динамики. Методическую основу исследования составило математическое моделирование, включающее как нелинейный регрессионный анализ в программе S-Plot-11, так и численное компьютерное моделирование в среде Matlab-7. Анализ опубликованных материалов выявляет минимум двукратное превышение предельно допустимого уровня загрязнения городских почв бенз(а)пиреном на 70% территории московского мегаполиса при большой вероятности крайне высокой степени загрязнения в несколько десятков ПДК на 10% площади города. В отличие от известных работ в данной области, исследование связывает такую негативную ситуацию не с устойчивостью бенз(а)пирена в почвах, а с его высокой техногенной нагрузкой. Простая кинетическая модель, верифицированная по экспериментальной информации о биодеструкции бенз(а)пирена в почвах, позволяет оценить допустимые пределы техногенной нагрузки, гарантирующие самоочищение городских почв от этого опасного поллютанта в условиях г. Москвы. 

Биодеградация является одним из главных факторов, лимитирующих эффективность и срок службы гель-формирующих почвенных кондиционеров. Исследование количественно оценивает этот процесс с использованием лабораторного анализа биологического поглощения кислорода (БПК) в инновационных композитных суперабсорбентах с акриловой полимерной матрицей, амфифильными агентами (гуматы, торф) и ионами серебра в качестве ингибитора биологической активности. Предложена простая кинетическая модель БПК для стандартизации анализа и расчета периода полураспада полимеров после их инкубации в прецизионных респирометрах VELP (Италия). Период полураспада гидрогелей, набухших в дистиллированной воде (1:100) при температуре 30°C, менялся в диапазоне от 0,8±0,2 до 2,4±1,6 лет. Добавление водного экстракта из компоста резко усиливает биодеградацию и уменьшает период полураспада гидрогелей до 40–60 дней. Дозы 0,1–1% серебра в полимерной матрице или 10–100 ppm в набухших гидрогелях увеличивают период их полураспада в 5–20 раз. Новый методологический подход позволяет полностью автоматически оценивать биодеградацию гель-формирующих полимеров в лабораторных условиях, однако для стабильных материалов с периодом полураспада более 2,5–3 лет точность манометрических анализаторов БПК недостаточна для статистически достоверной оценки кинетики биодеградации даже в длительных (120 дней) инкубационных экспериментах.

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

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.