Статья: Техногенное засоление подзолистых и аллювиальных почв среднетаёжной подзоны Западной Сибири (2024)

Представлен обзор исследований, проведенных в лаборатории биогеоценологии (БГЦ) ИПА СО РАН, по проблемам, связанным с теоретическими и прикладными аспектами эколого-эволюционного направления в учении о гумусе почв. Приводится анализ новых подходов, методов, приемов, использованных при изучении системы гумусовых веществ почв. Дается обзор теоретических и прикладных положений в рамках нового эколого-эволюционного направления в учении о гумусе почв. В период проведения исследований гумусовой составляющей почв, разработаны основы нового, не имеющего аналогов направления в учении о гумусе почв – эколого-эволюционного, в рамках которого выявлены основные закономерности процесса гумусообразования в меняющейся естественным и антропогенным путем природной обстановке.

Рабочая база данных по эколого-гумусовым связям, содержащая информацию о составе, структурных особенностях и свойствах более, чем десяти тысяч гуминовых кислот почв разного возраста и территориальной локализации, вместе с подробными сведениями об экологических условиях их формирования способствовала подбору рядов почв, отличающихся только по одному из факторов или их характеристик, и использованию монофакторного анализа для установления особенностей влияния каждого из них. Обобщение имеющихся данных позволило привести веские доказательства реальности существования гуминовых кислот, их пространственно-временной специфичности, а также высокой индикаторной значимости для классификации и диагностики состояния природной среды, реконструкции палеоприродной обстановки. Разработанный для этих целей, теоретически и экспериментально обоснованный педогумусовый метод дал возможность проведения многочисленных оценок состояния и изменения природной среды в условиях Антарктики (на примере почв оазиса Ширмахера) и разных регионов Евразии, а также осуществления палеоприродных реконструкций для разных отрезков плиоцен-голоценового периода на отдельных территориях.

Эколого-эволюционное направление в учении о гумусе почв способствует более рациональному и экономичному планированию теоретических и прикладных исследований почв, экосистем и биосферы в целом. В этой связи, предстоящие работы сотрудников лаборатории БГЦ д.б.н., проф. М.И. Дергачевой, к.б.н. Н.Л. Бажиной, Е.Г. Захаровой будут направлены на расширение доказательной базы сформулированных ранее положений эколого-эволюционного направления в изучении гумуса почв, детализации используемых методических подходов, оценке значимости разных приемов изучения, сжатия и интерпретации материалов, определения пределов количественных показателей для разных параметров гуминовых кислот и гумусовых веществ в целом, которые могут выступать в качестве индикаторов изменений, происходящих в биосфере на разном уровне ее организации. Аналитические и экспериментальные исследования, направленные на дальнейшую детализацию педогумусового метода для диагностики почв, определения состояния экологических условий их формирования, реконструкции палеоприродной среды позволят расширить область применения этого метода к объектам с разной историей происхождения и условий локализации.

Цель исследования. Выявить региональные и зональные особенности свойств торфов и степень влияния на них палеокриогенных процессов как основу корректных палеореконструкций функционального состояния болот и оценки запасов углерода, депонированного в торфяных отложениях района исследования.

Место и время проведения. Подзона южной тайга в пределах Томской области.

Методы. На основе базы данных, созданной по кадастру «Торфяные месторождения Томской области», и фондовых материалов геологической разведки проведен выбор типичных для района исследования торфяных месторождений и видов торфов, рассчитаны показатели их встречаемости, усредненные значения влажности, зольности и степени разложения. Для выявления региональных и зональных особенностей свойств торфов проведено их сравнение с аналогичными характеристиками торфов европейской части России. При обосновании криогенеза этих особенностей использованы литературные данные о влиянии многолетней мерзлоты на динамику и свойства торфов болот криолитозоны и ранее полученные результаты реконструкций палеокриогенных процессов в детально изученных и датированных торфяных разрезах района исследования.

Основные результаты. В выявленных видах типичных торфов установлены или подтверждены известные региональные и зональные особенности их свойств. Обосновано определяющее влияние сезонной мерзлоты и палеокриогенных процессов на особенности ботанического состава и встречаемости видов торфа, значительное варьирование показателей их свойств, необычно высокую зольность верховых и переходных торфов, низкие усредненные показатели степени разложения сфагновых и высокие – других видов торфов, вторичные изменения свойств и специфику залегания в торфяных залежах. Обоснован видовой состав рабочей коллекции образцов торфа района исследования для определения в них содержания углерода.

Заключение. В связи со значительным влиянием палеокриогенных процессов на свойства торфов, необходимо учитывать эти процессы для повышения корректности интерпретации данных, полученных при исследовании болот, решения различных научных и прикладных задач, в том числе оценке баланса и запасов углерода в болотных экосистемах. Данные по встречаемости и свойствам торфов, полученные для торфяных залежей разного типа, позволяют объективно подойти к созданию рабочей коллекции образцов при определении содержания углерода в торфах района исследования.

Цель исследования. Провести оценку содержания, морфологии и степени деградации поверхности частиц пластмасс в почвах поймы малой реки Данилиха на урбанизированной территории.

Место и время проведения. Рекреационная зона в проектируемом «Сквере Каменских», расположенная в низкой пойме на левом берегу малой реки Данилиха (приток р. Кама) в городе Пермь. Диагностированы урбо-аллювиальные серогумусовые глеевые почвы. Отбор почвенных образцов из поверхностных горизонтов проводили в июле 2023 г.

Методы. Для извлечения из почвы частиц пластмасс использовали методы визуального отбора, просеивания, флотации в насыщенном растворе NaCl. Форму и тип частиц пластмасс определяли визуально по внешним признакам. Природное органическое вещество удаляли реактивом Фентона. Морфологию поверхности частиц пластмасс и их количество определяли с помощью стереомикроскопа. Для определения связи между формой частиц пластмасс и их размерами использовали информационно-логический анализ.

Основные результаты. В объединённой пробе почвы из поверхностных горизонтов количество частиц пластмасс достигает 177 штук/кг, без учёта волокон. Масса частиц пластмасс с учётом волокон составила 0,7 г/кг. Среди форм частиц пластмасс количественно преобладают плёнки – 62%, шарики пенопласта и пены составляют 34 и 4%. По массе преобладают частицы в следующей последовательности: шарики пенопласта ˃ плёнки ˃ волокна ˃ пены. В размерном диапазоне преобладают крупные частицы пластмасс от 1,1 до 15 мм. Установлены специфичные размеры частиц пластмасс для разных форм.

Заключение. Впервые изучено содержание частиц пластмасс в поверхностных горизонтах почв поймы малой реки Данилиха – урбанизированной территории на примере рекреационной зоны в проектируемом «Сквере Каменских». Частицы пластмасс имеют разные размеры и форму, что указывает на многообразие источников загрязнения. Степень деградации поверхности частиц пластмасс указывает на их активное выветривание, которое протекает в почве в условиях нейтральной реакции среды. На деградацию поверхности частиц пластмасс также активно влияют внешние факторы, которые действуют до попадания пластмасс в аллювиальные почвы. Загрязнение изученных почв частицами пластмасс можно оценить как среднее. В связи с обнаружением загрязнения почв частицами пластмасс рекомендуем органам муниципальной власти города Пермь организовать проведение мониторинга их содержания в районах с высокой антропогенной нагрузкой.

Цель исследования. Оценить степень гидрофобности нефтезагрязнённых почв методом водяного пятна (метод «Water Spot»).

Место и время проведения. Исследования проводили в 2024 году в лабораторных условиях с чернозёмом типичным и серой лесной почвой.

Методы. В просеянные и высушенные почвенные образцы добавляли нефть для достижения выбранного уровня концентрации (0, 0,2, 0,5, 1, 3 и 5% по массе), а также гексан и воду для уменьшения вязкости повышения влажности почвы, соответственно. После двух суток инкубации почвы в закрытом состоянии наносили раствор флуоресцеина натрия, и результат фотографировали в тёмном месте при свете ультрафиолетового светодиодного фонаря. Для определения эффективности хитозана (как природного сорбента) во второй серии экспериментов, проведённой по аналогичной первой серии схеме, наносили на образцы раствор хитозана, и инкубировали ещё двое суток для проявления действия хитозана на поверхности почвы. Результаты обрабатывали при помощи пакета программ CorelDRAW и пакета анализа в Microsoft Excel.

Основные результаты. При нефтяном загрязнении почв, как правило, отмечается нарушение водного режима. При повышении концентрации нефтепродуктов от 0,5 до 5% в почве происходит снижение впитывающей способности, которое проявляется в уменьшении площади водяного пятна на поверхности почвы. После обработки загрязнённых нефтепродуктами почвенных образцов 0,1% раствором хитозана площадь водяного пятна увеличивается на серой лесной почве в среднем на 43%, на чернозёме типичном – на 6%. При увеличении концентрации раствора хитозана в два раза площадь водяного пятна увеличивается на серой лесной почве в среднем на 48%, на чернозёме типичном – на 46%. Таким образом, раствор хитозана можно использовать в качестве сорбента при загрязнении почв нефтепродуктами.

Заключение. Метод водяного пятна (метод «Water Spot») применим, прост и может использоваться при оценке загрязнённости почв нефтепродуктами: при увеличении степени загрязнённости наблюдается уменьшение площади водяного пятна на почве.

Цель исследования. Анализ состояния и инвентаризация мелиорированных земель Пермского края с обобщением результатов в виде веб-ГИС.

Место и время проведения. Работа выполнена в административных границах Пермского края по мелиорированным участкам в течение 2022−2023 гг.

Методы. Комплексный подход к решению проблемы реализован методами геоинформационного и веб-картографирования. Геоинформационная система мелиорируемых земель создана на основе крупномасштабных почвенных карт (масштаб 1:10 000). Использовали данные дистанционного зондирования Земли, которые включают в себя космические снимки среднего пространственного разрешения Landsat 5 за 1985−1990 годы, Sentinel-2 за 2020−2021 годы и снимки сверхвысокого разрешения покрытия ESRI World Imagery, а также векторные пространственные данные OpenStreetMap. Создание и информационное наполнение ГИС-проекта осуществляли в QGIS 3.22.12. Разработка клиентского веб-приложения с использованием интерфейсов Leaflet реализована при помощи модуля QGIS2Web и универсального редактора кода Brackets. Разработка главной страницы сайта выполнена на основе технологий HTML и CSS-разметки. Размещение веб-приложения организовано на платформе GitHub. Исследование проведено в несколько этапов: геопривязка сканированных крупномасштабных почвенных карт в системе координат проекции Гаусса-Крюгера, зона 10 и последующая векторизация границ мелиорируемых участков (на основе геопривязанных карт) по данным дистанционного зондирования с использованием разновременных космических снимков в синтезе каналов SWIR-NIR-RED; оценка степени зарастания неиспользуемых мелиорируемых участков по разновременным спутниковым снимкам, полученным в зимний период при помощи метода неуправляемой классификации ISODATA; векторизация участков осушительной мелиорации на основе пространственного анализа векторных данных и данных дистанционного зондирования.

Основные результаты. Созданы растровые почвенные карты с нанесением информации в векторном формате о проведенных мелиоративных мероприятиях. На территории Пермского края в 16 муниципальных районах имеются мелиорируемые земли (осушенные и орошаемые). Векторизовано 177 мелиорируемых участков и установлено их актуальное состояние; преобладают осушенные участки. Наибольшие площади (более 1000 га) мелиорируемых земель (осушенных) отмечаются в Пермском, Октябрьском, Большесосновском, Нытвенском, Куединском, Кишертском муниципальных районах. Проведена оценка степени зарастания неиспользуемых мелиорируемых участков. Разработана технологическая схема веб-сайта, сформирована атрибутивная база данных и структура ГИС-проекта. Создана геоинформационная система пространственного анализа состояния и использования мелиорируемых земель Пермского края: веб-ГИС сервис «Геоинформационная система мелиорируемых земель Пермского края».

Заключение. Актуальное состояние почвенного покрова мелиорируемых земель определяется характером землепользования. В результате анализа современного использования мелиорируемых почв сформирована геопространственная база данных и карта мелиорируемых земель Пермского края. Установлено, что наибольшие площади мелиорируемых земель в крае расположены в Пермском муниципальном районе (6944 га), Октябрьском городском округе (1175 га) и Большесосновском муниципальный округе (1169 га). Площадь неиспользуемых (заросших древесно-кустарниковой растительностью) мелиорированных земель составила 3564 га. Из существующего ГИС-проекта создано клиентское веб-приложение «Геоинформационная система мелиорируемых земель Пермского края» и организовано на платформе GitHub, что сокращает стоимость геоинформационного проекта. Использование приложения доступно любому сельхозпроизводителю и позволяет в режиме текущего времени получать информацию о плодородии почв, планировать рациональное использование земельных ресурсов агропредприятия, что способствует устойчивому развитию земледелия на мелиорируемых землях Пермского края.

Цель исследования. Оценка особенностей состава алифатических соединений в почвах постпирогенных и фоновых территорий степной зоны Хакасии.

Место и время проведения. Образцы почв отобраны через три месяца после пожаров на фоновых и постпирогенных участках в Ширинском районе в окрестностях с. Туим (чернозём южный), а также в Усть-Абаканском районе вблизи г. Усть-Абакан (чернозём южный) и г. Черногорск (каштановая почва).

Методы. Пробы отбирали с глубины 0–1 см (подстилка – степной войлок) и 1–10 см. Органические соединения выделены из высушенных и измельчённых почв путём экстракции 7% раствором метанола в хлороформе. Исследование состава органических алифатических соединений проводили методом хромато-масс-спектрометрии.

Основные результаты. В составе алифатических соединений почв обнаружены углеводороды (н-алканы), насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, кетоны (н-алкан-2-оны, 10-нонакозанон, 16-гентриаконтанон), н-альдегиды, спирт 1-гексакозанол. Суммарное содержание биомолекул в верхнем слое почвы фоновых участков снижено по сравнению с подстилками в среднем на 82%. Под воздействием пожара в подстилках происходит резкое снижение количества н-альдегидов, жирных кислот, а также длинноцепочечных кетонов по сравнению с фоновыми территориями. Распределение н-алканов в почвах носит бимодальный характер: первая мода представлена низкомолекулярными чётными гомологами С14–С22, характерными для микроорганизмов (преимущественно аэробных бактерий и грибков); вторая – высокомолекулярными нечётными структурами С23–С35, которые указывают на вклад наземных растений в органическое вещество почв. В распределении н-алканов почвенных войлоков после пожаров наблюдается рост доли чётных низкомолекулярных гомологов. Более высокое содержание низкомолекулярных гомологов характерно и для н-альдегидов большинства образцов подстилок горелых участков по сравнению с фоновыми территориями. Пожар в разной степени повлиял на степной войлок и непосредственно верхний слой почвы. Практически не изменилось изначально низкое содержание биомолекул в почве и характер распределения отдельных гомологических рядов на горелых участках по сравнению с фоном. Таким образом, под воздействием пожара разрушаются отдельные классы биомолекул, прежде всего характеризующиеся наличием длинной парафиновой цепи. В дальнейшем, в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, дополнительно образуются такие структуры как низкомолекулярные чётные н-алканы.

Заключение. Анализ состава алифатических соединений в степных почвах Хакасии на фоновых и постпирогенных территориях показал, что биомаркеры, такие как н-алканы и н-альдегиды, являются экологическими индикаторами источников, процессов деградации, пирогенной деструкции и трансформации органического вещества почвы.

Цель исследования. Дать морфогенетическую характеристику структуры почвенного покрова (СПП) Притазовского заполярья.

Место и время проведения. Почвенно-географические и почвенно-генетические исследования проводили в период с 2009 по 2011 годы в подзоне южной тундры Западной Сибири в левобережной части бассейна р. Таз, в нижнем ее течении. Камеральные работы, в т.ч. аналитические исследования проводили в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН в период с 2010 по 2016 годы.

Методы. На двух ключевых участках, различающихся ландшафтами, проведено крупномасштабное, а местами детальное почвенное обследование. Созданные почвенные карты были оцифрованы в пакете QGIS. Математическая обработка полученных цифровых данных по площадям и периметрам ареалов почв и почвенных комбинаций (ПК) проводена с использованием MsExcel. При классификации почвенных комбинаций за основу взята таксономическая система В.М. Фридланда; также использованы предложенные им же количественные показатели для морфогенетического анализа СПП.

Основные результаты. Основу почвенного покрова (ПП) Притазовского заполярья составляют глееземы и криоземы, занимающие 90,9% площади. Большинство ареалов этих почв слабо варьируют по площади и внешнему периметру и имеют несложное геометрическое строение. По площади наиболее крупных контуров все элементарные почвенные ареалы (ЭПА) и почвенные комбинации относятся к мелко- и среднеареальным (<30 га). Более 90% контуров имеют очень мелкие размеры (<5 га). Наименьшими размерами ЭПА характеризуются торфяно-криоземы полигонально-валиковых болот. Большинство почвенных контуров (83%) исследуемой территории имеют округлую или вытянутую форму со слабоизвилистыми границами и небольшой длиной внешнего периметра, что обусловливает их монолитное и слаборасчлененное строение (коэффициент расчленения <2,5). Главными дифференцирующими факторами почвенного покрова являются криогенез, глеевые процессы, детритогенез. В целом, почвенный покров Притазовского заполярья характеризуется как монотонно-гетерогенный для территорий с расчлененным рельефом и гомогенно-монотонный для территорий с плоским рельефом.

Заключение. Почвенный покров территорий Притазовского заполярья с расчлененным рельефом более классификационно контрастен и менее геометрически сложен по сравнению с ПП территорий с плоским рельефом, который имеет очень сложное геометрическое строение из-за большого количества в нем очень мелких ЭПА. Мелкоконтурность и большое количество ЭПА и ПК на единицу площади сильно отличает почвенный покров тундры от ПП остальных биоклиматических зон Западной Сибири.

Расчет значений показателей прецизионности (повторяемости и воспроизводимости) и неопределенности определения гранулометрического (зернового) состава грунтов пипеточным методом.

Методы. В образцах почв пипеточным методом определяли содержание следующих гранулометрических фракций: 0,1–0,05 мм, 0,05–0,01 мм, 0,01–0,005 мм, 0,005–0,002 мм, 0,002–0,001 мм, менее 0,01 мм, менее 0,001 мм (ГОСТ 12536-2014). Определение рН солевой вытяжки проводили потенциометрическим методом (ГОСТ 26483-85), а органического вещества – фотометрическим методом (ГОСТ 26213-2021, п. 6.1). Для каждого образца рабочей пробы получено по 16 результатов единичных измерений для каждой фракции грунта. На основании полученных данных была проведена оценка показателей прецизионности в условиях внутри лабораторной повторяемости и воспроизводимости, а также показателей неопределенности методики по алгоритму, указанному в РМГ 61-2010 и ГОСТ 34100.3-2017.

Основные результаты. Рассчитаны следующие внутрилабораторные показатели качества методики определения гранулометрического (зернового) состава грунтов пипеточным методом:

1. Значение внутрилабораторного показателя повторяемости результатов анализа (σr) находится в интервале значений от 0,4 до 1,8%.
2. Относительный показатель внутрилабораторной прецизионности (σR) принимает значения в интервале от 0,7 до 2,9%.
3. Расширенная неопределенность (U) для разных исследуемых фракций грунта составляет от 0,9 до 3,9%.

Заключение. Рассчитанные метрологические характеристики определения гранулометрического (зернового) состава грунтов пипеточным методом позволят проводить внутренний контроль качества измерений и повысить качество результатов и доверие к лаборатории.