Статьи

Статья посвящена светлой памяти выдающегося ученого, педагога-наставника, профессора, доктора биологических наук Татьяны Алексеевны Соколовой (1934–2021). Научное сообщество знает и всегда будет помнить Татьяну Алексеевну как авторитетного специалиста в области почвоведения и минералогии. Сфера ее интересов в научно-образовательной системе широка и многообразна. Одно из фундаментальных направлений работ — проблемы почвенной кислотности. Представленный материал содержит некоторые составляющие творческого наследия Т.А. Соколовой в аспекте настоящих исследований и перспектив его развития. В частности, обращено внимание на природу кислотности сильнокислых почв (рН_KCl <3,3, рН_Н2О <4,4). Показана специфика формирования кислотно-основного состояния данных объектов на примере почв разного генезиса. Раскрыты причины низкой точности и воспроизводимости результатов измерения обменной кислотности сильнокислых почв. Даны рекомендации по повышению качества измерений.

В шести производственных опытах ЦФО, проведенных в Воронежской и Липецкой областях с сахарной свеклой на почвах с повышенным и высоким фоном обеспеченности почв калием, прослежено действие и двухлетнее последействие калийных удобрений при однократном внесении под свеклу в дозах 70‒240 кгга-1 К2О. Долевое участие калия в прибавке урожая в среднем за 3 года составляло 14‒15%. Содержание обменного калия за время проведения опытов отвечало бóльшему уровню обеспеченности калием по сравнению с подвижной формой на одну-две градации. Использование показателя баланса калия для расчета доз вносимых удобрений целесообразно в благоприятные для развития культуры годы. Расчет оптимальных доз калийных удобрений, полученных при использовании мультикритериальных оценок, позволяет считать для Воронежской области оптимальной дозой для внесения под сахарную свеклу 140 кгга-1 К2О с возможным ростом до 210 кгга-1 в благоприятные для развития культуры годы, в Липецкой — от 210 до 280 кгга-1 К2О. Перспективным для определения доз калия является совместный учет показателей действия и последействия удобрений в приросте урожая, экономической эффективности и возможности достижения положительного баланса. Использование расчетов, базирующихся только на одном из приведенных выше критериев, а также на градациях или прямых оценках обеспеченности почв калием на основе стандартных методов, приводит к значительному завышению или занижению результатов из-за временнóй нестабильности определяемых показателей. Существующие методы расчета доз калийных удобрений требуют как корректировки существующих градаций обеспеченности подвижным калием, так и учета складывающегося баланса калия.

Проведено детальное изучение минералогии и химического состава валовых образцов и гранулометрических фракций <2, 2–5, 5–10, 10–50, 50–250 мкм чернозема типичного (Ставропольский край) с использованием комплекса методов, включающего рентгеноструктурный анализ (XRD), Мёссбауэровскую, рентген-флуоресцентную (XRF)-спектроскопию, как пример развития инструментальных подходов для изучения преобразования и накопления различных твердофазных продуктов функционирования почв. Минералогический анализ фракций фиксирует распределение минеральных фаз в разных размерностях. Так, во фракциях крупной и средней пыли преобладающими являются кварц и полевые шпаты, во фракции мелкой пыли фиксируется смектит и возрастает содержание гидрослюды. В илистой фракции преобладает смектит, также присутствуют каолинит, иллит, кварц. В отличие от почвообразующей породы, для почвенного горизонта отмечается снижение степени окристаллизованности решетки смектита, формирование смешанослойности не наблюдается, дополнительно в следовых количествах обнаружен гидроксид Fe (лепидокрокит). Проведен детальный анализ состояния соединений железа и распределение оксидов железа по гранулометрическим фракциям, определен вклад χ гранулометрических фракций в общую удельную магнитную восприимчивость. Проанализировано изменение геохимических индексов по гранулометрическим фракциям. Подобный подход направлен на развитие системы минералогических и геохимических показателей биокосных взаимодействий в почвах для достижения максимальной достоверности возможных палеореконструкций, базирующихся на твердофазной памяти почв.

Исследованные слабодифференцированные почвы на плотных карбонатно-силикатных породах формируются в условиях резко континентального климата. Основной задачей исследования в области генезиса почв было выявление автохтонной/аллохтонной природы рыхлого карбонатного субстрата, залегающего на плотной карбонатной породе. Эта задача решалась на основании данных о минералогическом составе илистой фракции почв и пород. В соответствии с профильно-генетической классификацией почв России объекты исследования классифицированы как (1) темногумусовая грубогумусированная, остаточно-карбонатная (дерново-карбонатная почва) и (2) бурозем грубогумусированный, остаточно-карбонатный, красноцветный (дерново-карбонатная выщелоченная почва). В обоих разрезах интенсивное выщелачивание карбонатов сопровождается понижением значений рН и увеличением доли несиликатного железа. В буроземе (дерново-карбонатная выщелоченная почва) единая минеральная ассоциация диагностирована по всему профилю, включая мелкозем из горизонта дезинтеграции плотной карбонатной красноцветной породы. Во всех горизонтах доминируют хлорит и диоктаэдрические слюды, в небольшом количестве присутствуют смешанослойные слюда-смектитовые (вермикулитовые) образования с низким <50% содержанием смектитовых (вермикулитовых) слоев. Доля последних увеличивается в горизонтах, сформированных в рыхлом карбонатном субстрате, по сравнению с таковой в силикатной части плотной породы, но при этом отсутствует горизонт их максимального накопления. Напротив, в темногумусовой почве (дерново-карбонатная почва) минералогический состав илистой фракции в горизонтах, сформированных в рыхлом карбонатном субстрате, отличается от такового в горизонте дезинтеграции плотной карбонатно-силикатной породы. В породе диагностированы тальк, диоктаэдрические слюды, хлорит, неупорядоченные смешанослойные хлорит-смектитовые (вермикулитовые) образования. Смектитовая фаза доминирует и представлена индивидуальным смектитом. В вышележащих горизонтах отмечается уменьшение доли талька, отсутствие смешанослойных хлорит-смектитовых (вермикулитовых) образований. Смектитовая фаза присутствует в небольшом количестве. Кроме того, диагностирован каолинит, которого нет в породе, что указывает на примесь аллохтонного материала. Рассмотренные почвы отражают два варианта почвообразования: (1) на элювии карбонатной красноцветной плотной породы (бурозем) и (2) на рыхлом субстрате с примесью аллохтонного материала, который подстилается плотной карбонатно-силикатной породой (темногумусовая почва).

Детально, с применением комплекса аналитических методов исследованы палеопочвы среднего и позднего девона (Воронежская и Белгородская области) и палеопочвы карбона на территории южного крыла Подмосковного бассейна (Московская, Тульская, Калужская, Рязанская области). Показано, что особенностью минерального состава изученных палеопочв является, за редким исключением, его мономинеральность. Для континентальных отложений девона и развитых на них палеопочв характерен каолинитовый, редко — бертьериновый состав. Палеопочвы раннего карбона сложены низкозарядными смектитами — монтмориллонитом и бейделлитом. В среднем и позднем карбоне возрастает роль Mg-силикатов: палыгорскита и сепиолита. Такой ряд обусловлен изменениями в палеогеографической ситуации и в климатической зональности и глобальной аридизацией климата. Мономинеральность и отсутствие смешанослойных минералов принципиально отличают палеопочвы палеозоя от палеопочв четвертичного периода и современных почв, сформированных на осадочных породах. Полиминеральность последних является продуктом рециклинга материала осадочных пород и почв прошлых эпох.

Изучен минералогический состав илистой фракции маршевых почв на томболо — перемычке между материком и малым островом на Поморском берегу Белого моря. Почвы, находящиеся на разных частях маршей, характеризуются разной последовательностью отложений и вложенных в них почвенных горизонтов. В составе илистой фракции всех почв присутствовали слюдистые минералы (иллиты), каолинит, хлорит и смешанослойные иллит-вермикулит и хлорит-смектит. Отмечено варьирование минералогического состава глин как между почвенными горизонтами, так и между изученными профилями. По нашему мнению, варьирование определяется как составом отложений, так и почвенным выветриванием минералов, что подтверждает идею Т.А. Соколовой о сложном характере формирования минералогического состава глин в почвах на отложениях, переотложенных водой. Основным процессом выветривания в маршевых почвах была деградационная трансформация хлорита и, возможно, слюды с образованием смектитовых слоев. Эти процессы пространственно связаны с зонами аэрации маршевых почв, хотя бы периодически находящихся в окислительном режиме.

Изучали закономерности сорбции водорастворимого органического вещества (ВОВ) в составе водных вытяжек, полученных из образцов горизонта H торфянисто-подзолисто-глееватой почвы, на каолините и мусковите. Вытяжки содержали разное количество водорастворимого Сорг, в основном с молекулярными массами около 20 кДа, представленного преимущественно гидрофильными соединениями, но с разным соотношением гидрофобных и гидрофильных компонентов. Установлено, что сорбция компонентов ВОВ в условиях проведения экспериментов зависит от концентрации Сорг в вытяжках, от соотношения гидрофильных и гидрофобных компонентов, от соотношения минерал (г) : водная вытяжка (ВВ) (мл) и практически не зависит от рН. Гидрофобные компоненты ВОВ и ароматические соединения в большей степени сорбируются на поверхности каолинита по сравнению с мусковитом. Наблюдаемое уменьшение сорбции Сорг на обоих минералах при пересчете сорбции на единицу площади внешней поверхности в экспериментах с соотношением минерал (г) : ВВ (мл) 1:50 по сравнению с соотношением 1:10 может свидетельствовать как о разнородности сорбционных центров на поверхности минералов, так и о конкуренции за эти центры между компонентами ВОВ изученных водных вытяжек. Существенных изменений на кривых молекулярно-массового распределения компонентов ВОВ после взаимодействия с каолинитом и с мусковитом не выявлено.

Проведено фракционирование илистой фракции и изучен минеральный состав ила и его подфракций в ризосфере клена остролистного (Acer platanoides L.) и в почве внеризосферного пространства, отобранной из горизонта AELoa подзолистой почвы. Установлено, что в илистой фракции преобладает подфракция 1–0,2 мкм (56% в ризосфере клена и 60% во вмещающей почве), содержание подфракции 0,2–0,06 мкм составило 20% в ризосфере клена и 27% во вмещающей почве. Содержание остальных подфракций (0,06–0,02 мкм и <0,02 мкм) не превышает 10%. Выявлено значимое увеличение доли подфракции 0,06–0,02 мкм и уменьшение доли подфракции <0,02 мкм в ризосфере по сравнению с вмещающей почвой.
Размерные фракции ила как в ризосфере, так и во вмещающей почве дифференцированы по минеральному составу. В составе фракции 1–0,2 мкм преобладает каолинит; в составе фракций 0,2–0,02 мкм увеличивается доля слюд и уменьшается доля каолинита, а в составе фракции <0,02 мкм значительно увеличивается доля лабильных минералов. Значимого отличия минерального состава ила в целом и подфракции 1–0,2 мкм не выявлено ни в ризосфере, ни во вмещающей почве. Установлено, что в подфракциях 0,2–0,02 мкм ризосферы содержится значимо больше минералов с лабильной кристаллической решеткой по сравнению с вмещающей почвой, которые образуются в ризосфере в результате интенсивно протекающих процессов трансформации слюд в лабильные структуры.

В статье анализируется радиоэкологическая обстановка в зоне возможного влияния Государственного научного центра ≪Научно-исследовательский институт атомных ректоров≫ (ГНЦ НИИАР, г. Димитровград, Ульяновская обл.). Полевые исследования проводили согласно методикам, рекомендуемым при проведении радиоэкологического мониторинга. Измерения удельной активности природных и техногенных радионуклидов осуществляли на сцинтилляционном гамма-спектрометре ≪Мультирад≫ (Россия) со сцинтилляционным детектором NaI(Tl) 63×63 мм в 3-кратной повторности. Показано, что в настоящее время в лесных экосистемах на рассматриваемой территории: мощность эквивалентной поглощенной дозы гамма-излучения, плотность загрязнения почвы и уровни удельной активности 137Cs в биоте не превышают нормативных показателей, за исключением грибов, удельная активность которых близка к предельно нормативной — 2500 Бк∙кг-1. В Черемшанском заливе р. Волги объемная активность 137Cs в поверхностных и придонных водах не превышает нормативной (11 Бк∙л-1), однако в донных отложениях обнаружены значимые количества техногенных радионуклидов, таких как 137Cs, 134Cs, 60Co. В лесных и водных экосистемах можно выделить ≪критические компоненты≫, которые характеризуются повышенной накопительной способностью по отношению к техногенным радионуклидам. В лесных экосистемах это подстилка серой лесной типичной почвы и темно-гумусовый горизонт урбик квазизема, а из компонентов биоты — высшие грибы. В водных экосистемах — донные отложения.

Изучены почвы двух пар катен в условиях нефтезагрязнения и отсутствия воздействия в пределах средне-таежной подзоны (Тюменская область). Первая пара катен: глееватый подзол, аллювиальная торфяно-глеевая и аллювиальная серогумусовая глеевая почвы; вторая пара катен: подзолисто-глеевая, торфяно-подзолисто-глеевая и торфяно-глеевая почвы. Оценивали влияние нефтяного загрязнения на биологические характеристики почв (активность дыхания и каталазы) и возможность их использования для нормирования содержания нефтепродуктов (НП) в почвах. Латеральная миграция НП в почвах преобладала над радиальной. Наибольшие концентрации НП адсорбировались в верхнем торфяном слое (от 83 до 399 г∙кг-1). Для почв супераквальной позиции выявлено радиальное монотонно убывающее распределение НП по профилю от 40–50 до 3–4 г∙кг-1. Нефтезагрязнение почв приводило к нарушению барьерной и трансформационной гидросферных функций почв. Реакция среды достоверно изменялась в сторону подщелачивания от 0,5 до 2,0 единицы рН. Фиксировалось накопление хлоридов до 0,7 г∙кг-1 с максимумом в почвах супераквальной позиции; установлена достоверная корреляция между парами: содержание НП — pH, НП — Cl‒ и Cl‒ — pH, что указывало на поступление сырой нефти в почвы в результате аварийных порывов трубопровода. НП с течением времени претерпевали изменения: в почвах после трех лет загрязнения присутствовали тяжелые высококипящие углеводороды (99,9%). Выявлена достоверная корреляция между НП и базальным дыханием (БД): прямая для гумусовых и обратная — для органогенных горизонтов почв. Установлено, что микробный метаболический коэффициент qCO2 в органогенных почвах Западной Сибири в условиях нефтезагрязнения снижается с увеличением концентрации НП. Обнаружена отрицательная корреляция между концентрациями НП и активностью каталазы в почвах (R = ‒0,80–(‒0,90), p <0,05). Обоснованы уровни содержания НП, при которых происходит устойчивое функционирование почв: не более 6,8 г∙кг-1 для почв с загрязнением первого года и 2,3 г∙кг-1 для почв с трехлетним загрязнением и высокими концентрациями солей.

На городских особо охраняемых природных территориях (ООПТ) в малонарушенных экосистемах выявлено преобладание неморальных видов (лиственничник, ельники, липняк), луговых видов (березняк) и сорно-рудеральных видов (сосняк) в живом напочвенном покрове. Такой видовой состав не характерен для естественных зональных фитоценозов. Бореальные виды во всех насаждениях встречаются в малом числе, только в лиственничнике их доля достигает 35%. В то же время по типологической принадлежности, запасам и пространственному распределению подстилки лиственных и хвойных насаждений ООПТ соответствуют аналогичным характеристикам природных насаждений, за исключением насаждений сосны. Среди изученных древесных пород наиболее стабильное влияние на условия формирования наземного детрита как эдификатор проявляет ель. Интенсивность биологического круговорота в лиственных насаждениях выше, чем в хвойных, о чем свидетельствуют данные по типологии и запасам подстилок. Подстилки как компонент экосистемы и как важнейшее звено биологического круговорота весьма устойчивы в городских условиях и могут сохранять свойства природных аналогов при отсутствии существенного антропогенного воздействия в отличие от живого напочвенного покрова. Для экспресс-индикации воздействия мегаполиса на лесные экосистемы предлагается использовать комплексный подход, основанный на анализе ряда информативных и наиболее доступных для определения показателей травяного покрова и подстилок. Установлено, что подстилки сосновых насаждений в большей степени чувствительны к влиянию мегаполиса.

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.