Почвоведение

На участок площадью 8.6 км² в центральной части национального парка “Смоленское Поозерье” составлены почвенные карты масштаба 1 : 25000 в методах традиционной и цифровой почвенной картографии (ЦПК) с учетом показателей, характеризующих рельеф, растительность, время и антропогенный фактор почвообразования, и проведено сравнение полученных результатов. На обеих картах рассматриваемой территории преобладают серогумусовые постагрогенные (Umbric Cambisols (Arenic, Aric)) почвы, что связано с сельскохозяйственным использованием в прошлом и реградацией старопахотных почв. Меньшие территории занимают аллювиальные торфяные (Histic Fluvisols) и дерново-подзолистые постагрогенные (Albic Glossic Retisols (Aric, Loamic)) почвы. Общая точность карты, составленной методом ЦПК, составила 57%. Ведущими факторами дифференциации, используемыми при экспертном и цифровом картографировании, оказались топографический индекс влажности и лесотаксационная карта. Методами ЦПК лучше всего, с точностью 100 и 86%, предсказано распространение аллювиальных торфяных почв (Histic Fluvisols) и агроземов (Arenosols (Aric)), приуроченных к торфяной залежи и пашням. Расположение торфяных (Fibric Histosols) почв и торфяно-подзолов (Histic Albic Podzols (Arenic)) предсказано наименее точно (0%). Точность предсказания расположения альфегумусовых (Podzols), текстурно-дифференцированных (Retisols), органо-аккумулятивных (Umbric Cambisols), перегнойно-глеевых (Histic Gleysols), аллювиальных гумусовых глеевых (Gleyic Fluvisols) почв варьировала в пределах 50–63%. Цифровой метод на 63% воспроизвел результат традиционного картографирования.

Изложены результаты цифрового картографирования структуры почвенного покрова г. Волгограда. Создана почвенная карта-схема масштаба 1 : 50 000, отражающая особенности пространственного распределения отдельных типов/подтипов почв и техногенных поверхностных образований (ТПО). В основе картографирования лежат результаты дешифрирования космоснимков с последующим уточнением в рамках полевых исследований (155 разрезов). Геоинформационную обработку осуществляли в программе QGIS с использованием данных дистанционного зондирования Земли космических снимков естественных цветов со спутника QuickBird. На основании содержания ареалов почв и ТПО и характера их распределения выделено 6 типов организации почвенного урбанизированного пространства. Установлено, что почвенный покров города отражает структуру и характер землепользования. Так, антропогенные почвы преимущественно расположены в восточной части города, что объясняется приуроченностью основных объектов промышленной, жилой и транспортной инфраструктуры к берегу Волги и соответствует историческому направлению развития. Естественные и агрогенные почвы отмечены на западных окраинах и о. Сарпинском, присоединенных в 2014 г.

Изучен состав соединений железа почв тундровых и таежных ландшафтов криолитозоны России. Валовое содержание железа измерено методом рентгеновской флуоресценции. Стандартными методами исследованы химические, физико-химические и физические свойства почв и концентрации силикатных, несиликатных, окристаллизованных и связанных с органическим веществом соединений железа. Изученные почвы относятся к криометаморфическим (Haplic Cryosols), криоземам (Turbic Cryosols) и торфяно-криоземам (Histic Turbic Cryosols), глееземам (Reductic Gleysols) и торфяно-глееземам (Histic Reductaquic Cryosols), подзолистым (Albic Retisols), а также дерново-подбурам и подзолам (Entic Podzols and Albic Podzols). Глубина залегания многолетнемерзлых пород в почвах варьирует от 0.3 до 1.7 м и глубже. Валовое содержание железа варьирует в среднем от 1.2 до 4.5%, максимально достигая 10.2%. До 85% от валового железа представлено силикатными соединениями из-за слабого педогенного преобразования почв. Содержание несиликатного железа не превышает 1.2%. Его повышенные содержания проявляются морфологически в верхних горизонтах минеральной части почв, а также в почвах склонов в виде красновато-рыжих пятен и прослоев. Это коррелирует с повышенными значениями коэффициента латеральной дифференциации от 1.1 до 2.3. Надмерзлотные горизонты на глубинах до 1 м демонстрируют аккумуляцию несиликатного железа, концентрации окристаллизованных и связанных с органическим веществом соединений составляют 0.6–0.8 и 0.2–0.4% соответственно. Предположительно, это связано с накоплением органического вещества, сорбцией на глинистых частицах почвы и восстановительной средой над горизонтом многолетней мерзлоты.

Проведен модельный эксперимент по биодеградации полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в верхних горизонтах городских почв с различным содержанием органического вещества. В образцы почвы вносили содержащие ПАУ аэральные пылевые выпадения, почву инкубировали при постоянной влажности и температуре. На 1, 51, 102, 190 и 365 сут в почве определяли общее содержание и содержание потенциально биодоступной фракции фенантрена, пирена и бенз(a)пирена. Суммарное содержание ПАУ, определенное исчерпывающей экстракцией, и количество их потенциально биодоступной фракции, экстрагируемой н-бутанолом, экспоненциально снижалось в течение 365 дней эксперимента как в контрольных образцах, так и в смесях с атмосферной пылью. Скорость биодеградации ПАУ была пропорциональна абсолютному содержанию их биодоступной фракции в почвах и для почвы с высоким содержанием органического вещества обратно коррелировала с гидрофобностью исследованных ПАУ. Относительное содержание биодоступной фракции для фенантрена и пирена уменьшалось в ходе эксперимента, но оставалось практически постоянным для бенз(a)пирена. На основании полученных результатов предложена концептуальная схема трансформации ПАУ аэральных пылевых выпадений в почвах, в которой при оценке биодоступности ПАУ учитываются не только молекулярные параметры полиаренов, но и фазовый состав содержащей ПАУ загрязняющей формы. Показано, что процедура определения потенциально биодоступной доли полиаренов в почве путем непосредственного измерения их концентрации в н-бутаноле параллельно с измерением общего содержания ПАУ может применяться как метод экологической оценки состояния ПАУ в городских почвах при прогнозировании скорости накопления и трансформации в них гидрофобных поллютантов.

Предварительно оценены возможности пилотной модели – классификатора, обученного распознаванию следов микробной деятельности на твердых поверхностях, свидетельствующих о развитии почвоподобных тел. Для машинного обучения собрана база данных объемом 500 образцов, описанных самостоятельно и в открытых источниках в период с 1988 г. по настоящее время; среди них 59 образцов представляли почвенные горизонты, 146 материнские породы и почвоподобные образования, а также породообразующие минералы, сопутствующие компоненты почвообразования, ксенобиотики, распространенные в техногенно преобразованных ландшафтах мира. Образцы вошли в базу данных в вариациях дисперсности, покрытия биопленками и пленками иной природы, химической и физической обработки. Массив значимых для машинного обучения признаков образцов включал квантили распределения контактного угла смачивания и обобщающие категориальные показатели геометрии поверхности, минерального состава, состояния органического вещества. Целевой функцией классификации служило наличие устойчивых следов микробной деятельности на твердой поверхности. Недостающие данные реконструировали с помощью процедур Монте-Карло и случайной перевыборки. В результате численных экспериментов по оптимизации качества обучения получен сбалансированный обучающий набор данных, содержащий 1233 элемента псевдовыборок. Обучено и оценено 6 моделей классификаторов с вариацией параметров. Наиболее производительный классификатор – пятислойная нейронная сеть со случайно отключаемыми нейронами – продемонстрировал на тестовой выборке правильность предсказаний 0.74 и ROC AUC 0.80, что выше, чем у более простых и быстродействующих (правильность и ROC AUC 0.70). На основании несогласия классификаций между экспертом-человеком и обученным алгоритмом установлены общие черты сложных для машинной классификации образцов: со следами жизнедеятельности, карбонатные, дисперсные – что позволяет определить направление сбора информации для повышения производительности классификатора. Разработка алгоритма распознавания следов микробной деятельности полезна для уточнения механизмов почвообразования, биогеохимических и биогеотехнологических процессов в грунтах различного происхождения, в том числе терраформирования.

Проведена количественная оценка факторов эрозии почв и интенсивности эрозии от ливневого и талого стока на большей части Европейской территории России за 2014–2019 гг. на основе универсального уравнения потери почв USLE/RUSLE с пространственным разрешением 250 м. Результаты обобщены и картографически представлены в геосистемах бассейнов малых рек. Разработан новый подход моделирования эрозионного потенциала осадков (R-фактора) с использованием внутрисуточных данных об осадках. С использованием метода GAM разработана модель эрозионной активности дождя, объясняющая 87% изменчивости данных. Разработана новая методика детектирования почвозащитного фактора растительности (С-фактора) по данным дистанционного зондирования Земли. Новые результаты по С-фактору получены на основе многовременных спутниковых данных о плотности растительности, о спектральных вегетационных индексах и фенологических метриках. В качестве актуальных данных о запасах воды в снеге для определения интенсивности эрозии почв от талого стока использованы данные Snow Water Equivalent программы Copernicus. Годовая интенсивность эрозии почв (от ливневого и талого стока) в целом по всей территории незначительная: в среднем 0.6 т/га в год, медиана 0.02 т/га в год. На распаханных землях бассейнов эти величины выше: 2.4 и 1.6 т/га в год соответственно.

Разработка месторождения редкометалльных руд в Мурманской области в течение последних 70 лет сопровождалась складированием мелкозернистых отходов обогащения, что привело к образованию двух полей хвостохранилищ. На поле, выведенном из эксплуатации 35 лет назад, происходят процессы естественного зарастания. Проведены исследования минерального и химического состава, количественных и качественных характеристик микробиоты техногенных поверхностных образований (ТПО) и почв, сформировавшихся на отходах обогащения лопаритовых руд. С увеличением возраста ТПО наблюдалось разрушение слабоустойчивых щелочных минералов одновременно с увеличением содержания углерода от 0 до 4.5% в верхнем горизонте почвы. Дифференциальным термическим анализом установлено, что органическое вещество грубогумусового горизонта условно-фоновой почвы имело более сложный состав по сравнению с органическим веществом, образовавшимся на материале хвостохранилища редкометалльных руд. Отмечен рост численности и биомассы бактерий и микроскопических грибов, видового разнообразия микромицетов и выравнивание функционального профиля микроорганизмов при переходе от исходного материала хвостохранилища к участкам с растительностью. Полученные результаты могут лечь в основу природно-ориентированной технологии инициализации почвообразовательного процесса с применением аборигенных штаммов микроорганизмов, устойчивых к условиям редкометалльных хвостохранилищ.