Почвоведение

Представлено описание нового подхода к актуализации бумажных почвенных карт, основанного на имитационном моделировании традиционных экспертных подходов к картографированию почв, и результаты его апробации на примере тестового участка в центре европейской части России. Для обновления создана авторская открытая программа-скрипт IMSOIL на языке программирования R. По сравнению с другими в разработанном подходе могут широко использоваться не только результаты статистического анализа данных, но и экспертные знания о географии почв региона исследований. Обновленная почвенная карта лучше соответствует актуальным данным о факторах почвообразования, чем исходная бумажная почвенная карта. Проанализированные примеры перекодирования пикселей при обновлении показали адекватные изменения в представлении почвенного покрова на обновленной почвенной карте. Предложенный подход имитации почвенного картографирования в геоинформационной системе включает использование качественной информации о географии почв и количественные правила их картографирования. Модель в форме дерева принятия решений может быть проанализирована экспертом, можно вносить изменения в набор используемых при моделировании ковариат и в построенные модели. Представленная форма записи связей почв с выявляемыми факторами почвообразования позволяет сохранить как традиционное качественное описание географии почв в формализованной форме, так и соединить его с однозначными количественными правилами картографирования почв по спутниковым данным и тематическим картам. Вышеуказанный метод позволяет автоматически экстрагировать информацию о связях почв с факторами почвообразования. Обновление почвенной карты сопровождается картой вероятности правильного картографирования почв.

Рассматриваются изменения почв перигляциальной зоны северной части Западной Сибири и Восточно-Европейской равнины (от арктической тундры до подтайги), происходившие в ответ на климатические колебания в позднеледниковье и голоцене (последние 15 тыс. лет). Исследованы изменения почв, вызванные похолоданием и потеплением климата: образование вторых гумусовых горизонтов, развитие посткриогенных структур и др. Особое внимание уделено изменениям, связанным с потеплением климата, так как в ближайшее время ожидаются именно подобные тенденции. На севере Западной Сибири, на островах и побережье Карского моря, термический максимум относится ко времени аллереда – пребореала. Причем здесь, в отличие от Европы и Северной Атлантики, похолодание позднего дриаса не обнаруживается. Южнее, в таежной зоне, термический максимум смещается к раннему и среднему голоцену. В арктической части Западной Сибири с этим связано раннее время этапа формирования торфяников (с 14–11 тыс. л.н.), что обусловлено повышенными температурами при достаточном количестве влаги в позднеледниковье и начале голоцена (время климатического оптимума для данной территории). На юге лесной зоны и в лесостепи (Васюганье) торфяники в первой половине голоцена не развивались в связи с недостатком влаги. Здесь максимум данного процесса относится к периоду увлажнения климата в последние 4000 лет. Существенные изменения педогенеза происходят и в условиях потепления климата последних веков. На юге лесной зоны в Западной Сибири обнаруживаются мощные горизонты hortic, образование которых было вызвано похолоданием Малого ледникового периода и необходимостью обильного внесения навоза с примесью золы и мелкозема. В результате потепления климата необходимость в данных технологиях отпала, формирование горизонта hortic теперь не происходит.

Для оценки скорости изменения свойств почв (содержания органического углерода (С_орг) и общего азота (N_общ), скорости микробного дыхания и активности гидролитических ферментов) в ходе их постагрогенного развития исследовали хроноряд серых почв (Haplic Luvisol) в лесостепной зоне Восточной Сибири, включающий пашню, 7 и 25-летние залежи и естественный суходольный луг. Прекращение распашки (залежный режим использования почв) и восстановление растительности ведут к увеличению поступления органических веществ в почву. Этот процесс обусловливает двукратный прирост запасов углерода (С_stock) и азота (N_stock) в верхних 10 см залежных почв по сравнению с пахотными почвами, несмотря на увеличение микробной и ферментативной активности почв. Соотношение скоростей изменения почвенных свойств, отвечающих за накопление и разложение почвенного органического вещества, определяет статус постагрогенной почвы как стока или источника С. Скорость изменения почвенных свойств в ходе постагрогенного развития оценивали по их чувствительности к изменению землепользования, по относительному росту содержания С_орг в почве. Наименее чувствительными к изменению землепользования являются содержание С_орг и N_общ в составе органо-минеральной фракции органического вещества и величина pH. Содержание водорастворимого азота (N_раств), C_орг и N_общ в составе свободной и окклюдированной фракций органического вещества, активность β-глюкозидазы и хитиназы являются наиболее чувствительными к изменению землепользования. Восстановление почвенных свойств, чувствительных к изменению землепользования, в верхних 10 см почвы завершается в течение первого десятилетия после прекращения распашки земель, тогда как для восстановления менее чувствительных свойств требуется более 20 лет.

Проведен детальный разбор метода определения фракции перманганат-окисляемого углерода (С_ПОК) почв – показателя, рекомендуемого для оценки качества почв. Цель работы состояла в описании диапазона величин показателя С_ПОК в гумусовых горизонтах почв разных типов угодий зонального ряда Европейской территории России (ЕТР) и оценке возможности применения его как индикатора состояния почвенного органического вещества. Задачи работы: а) подбор соответствующей массы навески для анализа; а также б) определение диапазона величин рассматриваемого показателя в дерново-подзолистых (Retisols), серых почвах (Greyzemic Phaeozems) и черноземах (Haplic Chernozems) разных угодий ЕТР. Для почв с содержанием углерода от 1.6 до 4.7% установлена отрицательная нелинейная связь значений С_ПОК и массы навески для анализа – с увеличением навески в пределах 0.5–7.0 г средний С_ПОК уменьшается в 1.5–3.0 раза как для естественных, так и для пахотных почв. Наиболее подходящей массой для определения С_ПОК является навеска весом в 2.5 г, так как позволяет определить С_ПОК для почв в наиболее широком диапазоне содержания общего углерода. Абсолютные значения С_ПОК для трех типов почв ЕТР составляют от 358 до 1040 мг/кг, относительное содержание варьирует в пределах 1.2–4.4%. Рассмотренный метод определения фракции перманганат-окисляемого углерода дает возможность оценить пул ПОВ, вероятно, наиболее легко метаболизируемого микробиотой почв. Низкая аналитическая вариабельность, чувствительность наблюдаемых значений перманганат-окисляемого углерода (С_ПОК) к типу почв и виду землепользования позволяют расценивать данный параметр в качестве перспективного показателя оценки состояния органического вещества почв.

Проведена оценка ферментативной активности чернозема и дерново-подзолистой почвы при загрязнении нефтью по широкому спектру активности 20 ферментов. Объекты исследования – пахотный горизонт чернозема обыкновенного и гумусовый горизонт дерново-подзолистой почвы под лесом. Для моделирования углеводородного загрязнения в почву вносили нефть (1, 5 и 10%). Для оценки ферментативной активности почв определяли активность 20 ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз, участвующих в биогеохимических циклах С, N, O, P и S. Наиболее чувствительными при загрязнении нефтью чернозема обыкновенного были целлюлаза и цистеинредуктаза, при загрязнении дерново-подзолистой почвы – аденозинтрифосфатаза и нитратредуктаза. Все исследованные ферменты (кроме протеазы и β-глюкозидазы в черноземе обыкновенном) проявили высокую информативность – тесную корреляцию с содержанием в почве нефти (r > 0.65). Рассчитаны интегральный показатель ферментативной активности (ИПФА), среднее геометрическое (GME_EА) и интегральный индекс АР. Высокую информативность проявили ИПФА (r = –0.97…–0.98) и GM_EА (r = –0.98…–0.99), а показатель АР – невысокую информативность в дерново-подзолистой почве (r = –0.46). Рекомендуется применение ИПФА и GM_EА для ферментативной диагностики экологического состояния почвы после загрязнения нефтью. При загрязнении почв нефтью в большей степени нарушаются циклы N, P и C и в меньшей – S и O. При загрязнении нефтью наибольшим средним баллом применимости фермента для диагностики состояния почвы обладают ферменты цикла С (инвертаза, полифенолоксидаза, дегидрогеназы), цикла N (уреаза), цикла Р (кислая и щелочная фосфатазы) и цикла О (каталаза и пероксидаза). Применение ферментативной диагностики весьма эффективно и целесообразно для оценки экологического состояния почв, загрязненных нефтяными углеводородами.