Статьи

Методология биодиагностики экологического состояния почв и других объектов окружающей среды пред- полагает использование двух подходов: биоиндикационные наблюдения in situ и биотестирование образцов, реализуемое по стандартным методикам в контролируемых лабораторных условиях ex situ. Интегральная оценка почв на междисциплинарной основе согласно международному стандарту ISO19204-2017 позволяет поставить диагноз «здоровью» почв на основе биотических параметров в ходе натурных экологических наблюдений, показателей экотоксичности, которые дополняются результатами количественного хими- ческого анализа (методология ТРИАД). Для почв первостепенное значение особенно в агроэкосистемах имеют показатели состояния высших растений и микробных сообществ. В статье анализируются досто- инства и ограничения известных приемов фитоиндикации, лабораторного фитотестирования, индикации состояния почв по дыханию, структурным и функциональным показателям разнообразия микробиоты и бактериальным биосенсорам. Реакции живых систем на одинаковое содержание поллютанта в большой степени зависят от содержания углерода органического вещества. Существующая нормативная база для экологической оценки биологического состояния почвенных экосистем практически это не учитывает, как и уровень минерализации и рН анализируемых объектов. Для адекватной оценки экологического качества почв предлагается совершенствовать методики измерений токсичности путем более адресных рекомендаций применения (например, для определенных градаций гумусированности, минерализации, рН).

Проведен подробный обзор существующих методов экономической оценки почв в России. Показано, что основы подобной оценки были заложены и озвучены В.В. Докучаевым — в публичных лекциях на собраниях Императорского вольного экономического общества. Из отечественных систем оценки почв
наиболее совершенной и целостной является созданная группой сотрудников Почвенного института имени В.В. Докучаева под руководством И.И. Карманова. Основными элементами этой системы являются почвенно-экологический индекс (балл бонитета, отражающий уровень плодородия почв с учетом
конкретных климатических условий и рельефа) и тарифная категория типа почвы оцениваемого участка. Проанализированы современные методы оценки, включая монетизацию экосистемных сервисов почв при определении величины ущерба от деградации земель и оценке стоимости почв на основе представлений о «нулевой почве». Показано, что наиболее перспективными подходами к экономической оценке почв являются оценка стоимости отдельных почвенных свойств, стоимости почвомодификаторов, используемых
для улучшения качества почв, стоимости грунтов, почвогрунтов и почвосмесей, используемых для целей рекультивации, благоустройства и озеленения территорий, оценка стоимости экосистемных сервисов
почв для земель различного хозяйственного использования. Рассмотрены примеры апробации некоторых методов экономической оценки почв для территории УО ПЭЦ МГУ имени М.В. Ломоносова «Чашниково».

Рассмотрена возможность использования микробиологических показателей почвенного «здоровья» для оценки почв. Показана принципиальная возможность количественной характеристики функционального потенциала микробной системы с оценкой «экологических услуг». Термодинамические критерии природной микробной системы (эксергия и удельная эксергия) позволяют проводить диагностику состояния почв с
прямой оценкой деградации и ущерба. Системные характеристики почвенной микробиоты необходимы для решения злободневных задач функционального почвоведения.

В работе рассмотрены упомянутые в законе «Об охране окружающей среды» особенности функционирования почв и земель как самостоятельных компонентов окружающей среды с точки зрения оценки и регулирования их качества. Отмечена определенная научная и нормативно-методическая необеспеченность в отношении разработанных показателей суммарной оценки компонентов окружающей среды, входящих в природный комплекс земель, особенно земель промышленности и поселений. Обобщены представления о допустимых показателях качества почв и уровней антропогенного воздействия на них. Особое внимание уделено вопросам эталонирования земель с выработкой представлений по установлению природного и природно-антропогенного фона почв, а также связанным с ними особенностям оценки качества почв и земель различного хозяйственного назначения. Рассматриваются зафиксированные в земельном законодательстве вопросы специфического триединства функционирования земель, основанного на развитии экологической, ресурсной и социально-экономической составляющих. Анализ социально-экономического регулирования качества земель способствует выбору оптимального направления в области организации устойчивого развития территории и функционирования всего природно-ресурсного комплекса земель.

Дан сравнительный анализ методов исследования форм нахождения радионуклидов в почве, основанных на фракционировании их соединений, связанных с различными почвенными компонентами. Приводятся данные о физико-химической природе форм основных экологически значимых техногенных и естественных радионуклидов в почвах, загрязненных при испытании ядерного оружия, в результате аварий и инцидентов на радиационно-опасных объектах, добычи и переработки полезных ископаемых. Рассмотрено влияние на формы нахождения радионуклидов экологических факторов, таких как свойства радионуклида и почвы, тип радиоактивных выпадений и время с момента их поступления в почву. Показано, что экспериментальные данные о формах соединений радионуклидов служат теоретической основой для оценки и прогноза их подвижности в почве, доступности для растений и обоснования мер по реабилитации загрязненных почв.

Проведено исследование пространственной изменчивости содержания фракции d>0,25 мм гранулометрического состава в пахотном горизонте дерново-подзолистой окультуренной почвы на площади 18 га. Почвы сформированы на покровных суглинках, подстилаемых моренными отложениями. Пробы отобраны из верхней (0–10 см) и нижней частей пахотного горизонта (10–20 см) по случайно-стратифицированной схеме. Суммарное количество проб равно 350 шт. Среднее содержание фракции составляет около 22%, коэффициент вариации 39–41%, распределения аппроксимируются логарифмически нормальным распределением. Коэффициент корреляции Спирмена между значениями на разных глубинах равен 0,87. Картограммы пространственного распределения строились методом ординарного кригинга с использованием сферической модели вариограммы. Показано, что предварительное цензурирование высоких значений выборки (квантиль 0,95) дает лучшие результаты при построении картограммы, нежели удаление линейного пространственного тренда и логарифмирование исходных данных. На угодье обнаруживаются пространственные структуры с пониженными и повышенными значениями, средние линейные размера которых равны около 100 м. Предположительно, они связаны с неоднородностью почвообразующих пород.

Развивающаяся в последние годы практика применения изотопного анализа в археологических исследованиях, требует познания особенностей фракционирования изотопов в культурных слоях и погребенных почвах. Конструктивные свойства геоархеологических памятников обусловлены местным рельефом, климатом, растительностью, гидрологией ландшафтов, физическими и химическими свойствами почвообразующих и подстилающих пород, бытованием культур, и поэтому их изотопная подпись имеет сложный кумулятивный характер. Целью исследования стало изучение вариабельности изотопного состава углерода почв, пород и культурных слоев различных ландшафтных частей геоархеологических насыпей в разных природных зонах Русской равнины с позиций выявления общеклиматических трендов и вклада антропогенного фактора во фракционирования изотопов углерода. В качестве объектов исследования выбраны оборонительные валы Дмитровского Кремля (Московская область), Давыдовского городища (Тамбовская область), Водянского городища (Волгоградская область), некрополи археологических комплексов Жерено и Кветунь (Брянская область). Показано, что значительная вариабельность изотопного состава углерода характерна для почв и культурных слоев геоархеологических памятников разных природных зон и позволяет выявить этапы стабильного почвообразования на поверхности насыпей и этапы подсыпки сооружений. Изотопные отношения уменьшаются в гумусовых горизонтах дневных и погребенных почв. Увеличение изотопных отношений характерно для культурных слоев геоархеологических памятников во всех природных зонах и маркирует эпохи бытования культур, однако, механизмы этого процесса требуют дальнейших исследований. Несмотря на преимущественное распространение травяной растительности на дневной поверхности памятников, изотопная подпись погребенных почв отражает тип господствующей зональной растительности и через особенности типа фотосинтеза позволяет реконструировать особенности климата региона различных хроноэтапов существования объектов.

В целях экологического мониторинга изучены особенности живого напочвенного покрова и лесных подстилок еловых насаждений в пределах г. Москвы. Использование экологических шкал Ниценко, Раменского, Элленберга и Ландольта позволили установить, что рудерализация напочвенного покрова является результатом последствий рекреации. Независимо от типа ельника отсутствие подлеска обусловливает увеличение освещённости и приводит к увеличению численности видов. Разнообразие экологических ниш является следствием умеренного вытаптывания, которое в большей степени характерно для межкроновых пространств. Повышенный балл трофности по Л.Г. Раменскому обусловлен повышенной засоренностью напочвенного покрова. Показано, что живой напочвенный покров характеризует разнообразие экосистем и уровень антропогенного воздействия на фитоценоз.

Подстилки городских еловых насаждений чувствительны к изменению условий функционирования и могут быть использованы в качестве объектов экологического мониторинга. Доступность изучения подстилок и простота оценки параметров позволяет в экспресс- режиме получать информацию о депонировании органического вещества в условиях антропогенного воздействия разной степени на урбоэкосистемы.

В еловых насаждениях, как условно эталонных, так и нарушенных, в системе тессер ствол-крона-окно закономерно происходит упрощение строения подстилок и снижение общих запасов органического вещества, что можно считать инвариантным процессом. Рекреационная нагрузка приводит к снижению запасов подстилок в 1,5 раза, а также к их перераспределению в пределах тессер в сторону увеличения в подкроновом пространстве до 85% от общего запаса в биогеоценозе и снижении в других зонах.

При выборе точек обследования в пределах насаждений следует признать   приоритетность приствольных и межкроновых пространств как объектов, наиболее чувствительных к изменению внешних условий. Зоны приствольных повышений в силу своего расположения испытывают минимальное влияние рекреации, отражая в большей мере изменения экологических условий функционирования, а для оценки влияния рекреации наиболее показательны зоны межкроновых пространств.

Для экологического мониторинга с точки зрения методических подходов предложены две группы показателей, характеризующих структурно-функциональную организацию подстилок. В параметры, характеризующие структурную организацию подстилок, включены общие запасы подстилок и запасы в подгоризонте L. Параметры, характеризующие особенности функционирования, включают в себя запасы и долю детрита и легкоразрушаемых компонентов, соотношение мощности и запасов подгоризонта L по отношению к подгоризонту F. Особенности долговременного пространственного функционирования характеризуются типологией подстилок в системе тессер: ствол-крона-окно.

Проанализированы закономерности пространственной и временной изменчивости нормализированного относительного вегетационного индекса в окрестностях источника поступления в окружающую среду тяжелых металлов в зависимости от их концентрации в почвах. Анализом особых точек теоретического уравнения зависимости концентрации фотосинтетически активной биомассы от результирующей концентрации поллютантов в почве выявлена предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почве. Результаты ее определения в условиях, характерных для северной лесостепи при текущем уровне антропогенной нагрузки, по материалам MODIS составили 12,3, по Sentinel-2–12,5 мг/кг соответственно. Предложен способ обобщения макрокинетических закономерностей отклика живого на антропогенное воздействие. Результаты оценки экологических рисков показали, что вероятность превышения пороговой концентрации, установленной при обобщении макрокинетических закономерностей отклика на воздействие, составляет 74%.

На основе принятой в природоохранной практике пятиуровневой шкалы качества почвы и показателя ее состояния провели ранжирование качества почв и растительного покрова в окрестностях горно-обогатительного комбината (ГОКа). Ареалы одинаковой устойчивости почв и растительного покрова к действию загрязняющих веществ в зоне воздействия ГОКа нанесены на топографическую основу. В окрестностях ГОКа преобладают территории, относящиеся к I и II категориям качества почв, то есть характеризующиеся фоновым и переходным состоянием. Выделена природно-защитная зона предприятия и определены фоновые территории.

С ростом числа пожаров доля пирогенных почв России постоянно увеличивается. Задача исследования выявить насколько контрастные условия среды способны создавать лесные пожары и показать сценарии постпирогенного восстановления. В данном исследовании, проведенном в таежных территориях России: в Пинежском и Печоро-Илычском заповедниках на Европейской территории России (ЕТР) и в 200 км на юго-запад от г. Надым, в бассейне р. Сухой Полуй на севере Западной Сибири, рассмотрены измененные пожаром подзолы и подзолистые почвы. Использованы методы морфологического описания почв, анализ концентрации антракомассы (в данном исследовании концентрация антракомассы рассчитывалась как сумма углистых частиц более 0,5 мм) и комплекс химических методов. Показано, что некоторые пожары могут кардинально менять направленность процессов почвообразования, формируя особые почвы, характеризующиеся одним из следующих свойств: 1) потерей органического горизонта(ов); 2) потерей части минерального(ых) горизонтов; 3) началом первичного почвообразования в случае полной деградации почвенной толщи в результате пожара. Такие почвы нами предложено выделить в класс пирогенно-экстремальных почв зарождающегося направления «Географии и генезиса почв экстремальных условий». Показано, что на гарях могут соседствовать как слабо трансформированные полнопрофильные (параэкстремальные), так и сильно деградированные, фрагментарно стертые до породы почвы (ортоэкстремальные). Пирогенно-уязвимыми, в отношении почвообразования на гарях, предложено называть экосистемы, в которых сложились условия – обусловленные климатом, рельефом и неполным восстановлением подстилки после предыдущего пожара – предопределяющие значительное повреждение растительности в ходе горения и последующую эрозию почвенного покрова. Среди рассмотренных факторов выявлена преобладающая роль послепожарной эрозии на долговременное изменение направления почвообразования после пожара. Предложено понятие «очаговости» пожара и способ диагностирования его очага(ов) по концентрации антракомассы. Показана динамичность разных классов экстремальности на одной территории.

Изучены почвы и растительный покров томболо — перемычек между материком и малыми островами на
побережьях Белого и Балтийского морей. Томболо характеризуются сложной динамикой осадконакопления,
в связи с чем почвы и связанный с ними растительный покров отличаются высоким уровнем неоднород-
ности. На объекте «Колежма» на побережье Белого моря формируются грунтово- и поверхностно-глеевые
маршевые почвы. Растительность соответствует маршевым лугам нижнего и среднего уровня, варьирует
в зависимости от засоления, уровня кислотности и гранулометрического состава почв. На объекте «Гакко-
во» на побережье Балтийского моря почвы характеризуются большей однородностью; в целом они имеют
песчаный гранулометрический состав. Влияние Балтийского моря на почвенный и растительный покров
существенно ниже, чем у Белого, в силу слабо выраженной приливно-отливной динамики Балтийского моря.

В статье рассматриваются процессы перехода в водную фазу и поглощения из нее растениями стабильных (Cd) и радиоактивного (¹⁰⁹Cd) изотопов. С помощью последовательного фракционирования по методу Тесье-Форстнера выявлены закономерности распределения Cd/¹⁰⁹Cd между различными формами их химических соединений в почве. Показано, что содержание подвижных и условно подвижных форм соединений стабильного Cd (фракции F1-F3) было в 1,2–1,8 раза меньше, чем радиоактивного ¹⁰⁹Cd. Однако для неподвижных консервативных форм соединений металла (фракции F4-F6) это соотношение было, наоборот, в 2,4–5,3 раза больше. Оценены концентрация Cd, удельная активность ¹⁰⁹Cd, коэффициенты распределения и концентрирования природного Cd и радионуклида ¹⁰⁹Cd, накопление и вынос металла растениями. Определены величины коэффициентов обогащения природного (стабильного) Cd, содержащегося в последовательно извлекаемых химических фракциях, радиоизотопом ¹⁰⁹Cd, рассчитана величина запаса подвижных соединений Cd (¹⁰⁹Cd) в исследуемой почве. По результатам спектроскопии ЯМР твердого тела на ядрах ¹³C установлен качественный состав высокомолекулярных органических соединений почвенного раствора и оценена их способность к специфической сорбции катионов тяжелых металлов, включая Cd.

Высокая чувствительность растений, а следовательно, и изотопного отношения 13С/12С в их тканях к колебаниям влажности и температуры воздуха, а также к концентрации углекислого газа в атмосфере позволяет использовать данный параметр в качестве точного палеоклиматического индикатора и биомаркера генезиса почв. Ортштейны из серой лесной почвы Московской области изучены методами компьютерной микротомографии, биохимического анализа, метагеномного секвенирования. В железисто-марганцевых конкрециях выполнено определение состава стабильных и радиоактивных изотопов углерода. Впервые показано, что возраст ортштейнов светло-серых лесных почв, сформированных на покровных бескарбонатных лессовидных тяжелосуглинистых почвообразующих породах, превышает 1600 тыс. лет. В то же время изотопный состав углерода (δ13C) разных фракций конкреций обнаруживает в них остатки современных видов растений (от –26,3 до –27,4‰) и подтверждает ведущую роль лигнина древесных пород в формировании новообразований. Видовой состав микроорганизмов различается в разных фракциях орштейнов, утяжеляет изотопный состав мелких фракций и изменяется по мере усиления гидроморфизма почв. Осушение вызывает необратимую деградацию ортштейнов и, в первую очередь, их крупных фракций.

Изучены пространственные и внутрипрофильные вариации состава стабильных изотопов углерода органического вещества почв центральной части западного побережья озера Байкал. Территория характеризуется контрастной ландшафтной структурой и вариативностью климатических условий, отражающихся на составе стабильных изотопов углерода почв. Значения δ13С органического вещества и опада находятся в диапазоне от –27,93 до –18,19‰ и свидетельствуют о преобладании растительности с С3-типом фотосинтеза. Тем не менее в степных ландшафтах отмечены единичные представители растений с С4- и CAM-фотосинтезом. Значения δ13С возрастают в направлении от лесных почв предгорий Приморского хребта к степным почвам Приольхонского плато. Такая тенденция отражает снижение влагообеспеченности, являющейся основным лимитирующим фактором развития почв Приольхонья и определяющей через дискриминацию 13С в растительных тканях состав стабильных изотопов углерода органического вещества почв. Вне зависимости от условий педогенеза для почв исследуемой территории характерно снижение значений δ13С с глубиной. Однако выраженность такого градиента определяется локальными сочетаниями факторов почвообразования. Исходя из различий исследуемых почв по коэффициентам наклона линейных регрессий (β), предполагается более интенсивный оборот углерода в почвах склонов северо-западных экспозиций, а также прибрежных ландшафтов и отрицательных форм рельефа, где влияние воздушных масс с озера Байкал обусловливает меньшее иссушение профиля в летний период и обеспечивает более благоприятный гидротермический режим почв для микробиологической активности. При этом вариации β не сопровождаются существенными колебаниями в значениях C:N и pH, что может свидетельствовать о несущественной роли внутрипочвенных факторов и перекрытии их влияния эффектом влагодефицита на интенсивность оборота углерода в почвах Приольхонья.