Электрофизические и геоинформационные методы картографирования биологических свойств торфоземов

Величина удельного электрического сопротивления почвы как природного тела, имеющего в основном ионную проводимость, зависит от объемной плотности подвижных электрических зарядов, а потому оказывается связана с большим количеством процессов и свойств, определяющих их распределение в почвенном профиле. Из таких свойств, прежде всего, нужно отметить механический и минералогический состав, содержание органического вещества, концентрацию легкорастворимых солей, влажность и температуру. К перераспределяющим подвижные заряды процессам относятся подзолообразование, лессиваж, гумусо- и торфонакопление, засоление и др. (Поздняков и др., 1996) .

Многочисленные попытки выявить доминирующий фактор, который определял бы величину электрического сопротивления отдельных почв и который мог бы напрямую рассчитываться по сопротивлению, привели к созданию множества разнообразных математических моделей, каждая из которых, однако, характерна для крайне специфических почвенных условий и обычно требует дополнительной настройки при использовании на другом объекте. Результатом этого стало понимание, что использовать электрическое сопротивление следует не для опосредованного определения тех или иных параметров почвы, а прежде всего – для выявления внутренне однородных почвенных объектов, которые впоследствии могут быть подробно исследованы традиционными методами почвоведения. В этом случае множественность факторов, определяющих электрическое сопротивление, становится не проблемой для интерпретации результатов, а достоинством, определяющим чувствительность метода: изменение любого из них приведет к изменению сопротивления и обнаружению неоднородности.

Для эффективного применения электрофизическая съемка должна предшествовать другим исследованиям. Поскольку удельное электрическое сопротивление почв относится к числу наиболее быстро измеряемых в полевых условиях показателей, то шаг сетки при этом может быть сокращен вплоть до минимума, определяемого физическими габаритами измерительной установки. Для наглядного представления распределения электрического сопротивления в пространстве полезно использовать программы геоинформационных систем, которые в последнее время широко применяются в почвенных исследованиях (Апарин, 2012; Бышов, 2013; Савин и др., 2019; 2020). С опорой на полученную цифровую карту производится отбор образцов и детальное изучение почв в характерных различающихся точках. Предварительное электрофизическое обследование позволяет, с одной стороны, сократить затраты времени и ресурсов, поскольку исключает отбор и анализ многочисленных образцов из однородных контуров, что неизбежно влечет за собой использование равномерной сетки, а с другой – позволяет улучшить точность картографирования, ука- зывая на участки с высокой неоднородностью, которые требуют более тщательного анализа (Corwin, 2008).

Картографирование распределения электрического сопротивления по площади легко поддается автоматизации. Аппаратура для этих целей получила распространение на западных рынках в 1990-е годы с появлением доступных для гражданского использования систем спутникового позиционирования (Corwin, 2008) . Обычно она выполняется в виде буксируемой тележки с вращающимися электродами дисковидной формы (Panissod, 1997; Lund, 1999; Lueck, 2013) , и ее использование ограничивается пахотными землями. Вместе с этим используется также оборудование для бесконтактного определения электрического сопротивления посредством электромагнитной индукции (Doolittle, 2014) – оно существует как в буксируемом, так и в переносном варианте, однако для применения требует калибровки и характеризуется фиксированной глубиной (набором глубин), на которую может проводиться обследование почвы.

Портативное оборудование, используемое в данной работе, отличается универсальностью (Позднякова, 2018) , благодаря чему лучше подходит для разнообразных исследовательских целей, но также может применяться и для решения производственных задач (Medeiros, 2016) . Хотя в агрономической и почвенной практике электрофизическими методами обследуется обычно только верхний (пахотный, корнеобитаемый) слой, они позволяют получать информацию о целом почвенном профиле и верхних слоях материнских пород, вести послойное обследование, а также проводить детальную 3D визуализацию их структуры (Loke, 2013) .

Картирование удельного электрического сопротивления внедряется в практику точного земледелия многих стран, где для разных почв и сельскохозяйственных культур этот метод используется для выделения территорий с одинаковой продуктивностью, либо требующих схожих способов обработки (Lund, 1999; Anderson-Cook, 2002; Corwin, 2003, 2008; Lueck, 2013; Doolittle, 2014; Stadler, 2015; Medeiros, 2016; Singh, 2016). Те же принципы могут быть применены для уточнения границ почвенных контуров при создании классических почвенных карт (Doolittle, 2014), поскольку направленность и степень развития процессов почвообра- зования могут быть разделены по соответствующим им значениям электрического сопротивления (Поздняков, 1996).

Карты электрического сопротивления в зависимости от целей и методов построения могут быть источником информации как по варьированию конститутивных свойств почв (например, гранулометрического состава), так и по распределению текущих значений вариативных свойств, таких как влажность. В последнем случае целесообразно повторять процедуру картографирования многократно в различные сезоны и при разных погодных условиях. При этом отмечается воспроизведение на картах одних и тех же пространственных структур, различающихся абсолютными значениями сопротивления (Lund, 1999; Lueck, 2013; Doolittle, 2014; Stadler, 2015; Medeiros, 2016) . Поэтому влияние колебаний температуры и влажности на информативность методов электрического сопротивления почв не следует переоценивать.

В конечном счете было показано, что электрическое сопротивление почв связано с урожайностью и другими показателями развития растений в той степени, в которой лимитирующим фактором для них являются свойства почвы (Lund, 1999; Anderson- Cook, 2002; Corwin, 2003, 2008; Stadler, 2015; Singh, 2016) . Можно полагать, что продуктивность почвенных микробных сообществ, также чувствительных к особенностям своей среды обитания, будет проявлять опосредованную связь с электрическим сопротивлением. При изучении структуры почвенного покрова сельскохозяйственных угодий микроорганизмам обычно не уделялось первостепенное внимание, и они рассматривались как один из факторов развития культурных растений. Тем не менее в отдельных работах было показано, что состав микробного сообщества, его биомасса и физиологическая активность коррелирует со структурой почвы, гранулометрическим составом, содержанием азота, органического углерода и т. д. (Gelsomino, 1999; Groffman, 1996) . Электрическое сопротивление почвы также оказывалось среди величин, связанных с отдельными биологическими показателями (Johnson, 2003; Kim et al., 2016) .

Так, электрофизическими методами можно оценить пространственное варьирование скоростей образования парниковых газов в пахотном горизонте антропогенно-преобразованных тор- фяных и дерново-подзолистых почв (Поздняков, 2008; Поздняков, 2015). Учет распределения удельного электрического сопротивления позволит не только выявить полный диапазон варьирования потоков парниковых газов, но также уточнить пространственную структуру их изменений и оценить площади, на которые приходятся те или иные их значения. Поскольку для расчетов эмиссии парниковых газов с обширной территории требуется информация о распределении конкретных свойств почвенного покрова, влияющих на величину потока, то картирование связанного с ними удельного электрического сопротивления позволит решить эту задачу точнее, чем использование традиционных почвенных карт, аналогично тому, как это отмечается для сельскохозяйственной практики (Савин, 2020).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на одном из старейших объектов мелиорации в России – Яхромской долине Московской области. Река Яхрома является притоком реки Сестры и принадлежит бассейну Волги. Ниже Дмитрова она протекает по обширной затор-фованной котловине, которая традиционно называется “Яхромской поймой”, хотя данное название не вполне корректно, и ее происхождение не связано с деятельностью реки.

Освоение Яхромской поймы начиналось с участка “Ближний” в 1906–1914 гг. История этого участка хорошо документирована: в архивах ВНИИМЗ имеются ботанические, агрохимические и гидрологические данные практически с начального этапа освоения долины. На их основе можно проследить ряд общих закономерностей эволюции торфяников при освоении, определить интенсивность деградации и эволюции, прогнозировать дальнейшее развитие схожих низинных торфяников. В 1960-е годы вся территория поймы претерпела кардинальные изменения – было произведено осушение и вовлечение земельных угодий в сельскохозяйственный оборот. Естественная луговая и болотная растительность постепенно сменилась культурной и сорной, произошли глубокие изменения водного режима и различных свойств торфяных и других почв долины. Будучи осушенным на 50 лет раньше остальной территории, участок “Ближний” подвергся более глубо- кой трансформации почвенного покрова, что представляет интерес для прогнозирования состояния торфоземов остальных частей долины.

Антропогенное воздействие различной степени и направленности оказалось наложено на исходную высокую неоднородность почвенного покрова долины. Находясь в сложных ландшафтных, гидрологических и геохимических условиях, почвы здесь сформированы на торфах различного ботанического состава (осокового, гипнового, древесного, тростникового и смешанных вариантов), переслаивающихся озерными, аллювиальными и делювиальными отложениями. Все это требует пристального внимания к неоднородности и структуре почвенного покрова Яхромской поймы и подобных ей объектов.

Для изучения этой структуры были использованы программы геоинформационных систем (ГИС). На предварительном этапе исследований методы ГИС позволили перевести старые карты в цифровой формат, обобщить и наглядно визуализировать архивный табличный материал, а также найти географические координаты точек обследования в предыдущие годы. В дальнейшем для мониторинга изменения почвенных свойств отбирались и исследовались образцы именно в этих точках (рис. 1). Для анализа отбирались смешанные образцы из пахотного горизонта, время отбора – конец июня.

Величины продукции парниковых газов определялись газохроматографическими методами в микрокосмах (Степанов, Лы- сак, 2002) . Для этого из свежих образцов почвы отбирали навески по 2 г в пенициллиновые флаконы объемом 15 мл.

Во флаконах измерялись величины базального (БД), а также субстрат-индуцированного дыхания (СИД), в ходе чего количество вносимой глюкозы составляло 2.5 мг/г почв. Потенциальная способность к образованию метана оценивалась после внесения таких же количеств глюкозы и вытеснения воздуха во флаконах аргоном для создания анаэробных условий. Для определения активности образования N2O денитрифицирующими микроорганизмами в почву добавляли раствор KNO3 (0.3 мг/г) и глюкозы (2.5 мг/г), воздух во флаконах также замещался аргоном, и в него шприцом вносили 1 мл ацетилена. Ацетилен блокирует действие фермента редуктазы закиси азота и останавливает поглощение этого газа. Инкубация образцов производилась в термостате при 28 °C в течение суток, за исключением СИД, интенсивность которого оценивалась в течение 2 часов.

Рис. 1. Расположение на участке “Ближний” точек отбора образцов и измерения удельного электрического сопротивления.

Fig. 1. Location of points for sampling and measuring of specific electric resistance at the “Blizhniy” experimental site.

Измерение электрического сопротивления проводилось прибором LandMapper ERM-02 с измерительной четырехэлек- тродной установкой для профилирования (рис. 2), где электроды AB являются питающими, а MN приемными (Поздняков и др., 1996). Прибор автоматически проводит серию измерений, выдавая усредненные значения удельного электрического сопротивления почвы, рассчитанные через геометрический коэффициент K, зависящий от расстояния между электродами, которое определяет конфигурацию формирующегося электрического поля.

Рис. 2. Прибор LandMapper и установка AMNB для измерений удельного электрического сопротивления почв в полевых условиях.

Fig. 2. LandMapper device and AMNB installation for measuring of specific electric resistance of soils in the field.

Координаты точек обследования на местности определяли навигационным прибором GPS-72 фирмы Garmin, для последующей обработки в программах ГИС. В данной работе применялось программное обеспечение Surfer и MapInfo.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно архивным данным обследований участка “Ближний”, распределение содержания Сорг, ЕКО, зольности, гидролити- ческой кислотности и ряда других параметров соответствует делению поймы на прирусловый, притеррасный и центральный участки. В целом оно связано со всем комплексом условий торфо- и почвообразования в долине, обусловленным воздействием реки, выклинивающихся у склонов долины грунтовых вод, растительностью и ботаническим составом торфа. Так, вдоль русла Яхромы в пределах долины протянулась собственно пойма, причем аллювиальные отложения здесь залегают поверх торфа и чередуются с торфяными прослойками. В настоящее время слоистость данных почв разрушена вспашкой, и здесь сформированы торфоземы аг-роминеральные, имеющие в пахотном горизонте относительно низкое содержание Сорг, низкую ЕКО, но наивысшую кислотность.

Обширные пространства центральной части долины не были подвержены воздействию аллювиальных процессов. Здесь сформированы мощные залежи торфа древесного ботанического состава, содержащие максимальные запасы органического вещества, чем также обусловлена высокая ЕКО. Глубже иногда залегают торфа иного ботанического состава, что сказывается на гидрологии залежи. Сформировавшиеся здесь торфоземы являются наиболее плодородными почвами всей Яхромской поймы. Вдоль края долины на поверхность выходят жесткие минерализованные грунтовые воды, являвшиеся основной причиной ее заболачивания в прошлом. Торф здесь имеет осоково-гипновый состав, переслаивается делювием, но в целом имеет существенно более низкую зольность, чем в прирусловых частях. За счет грунтовых вод в почвенном профиле в обилии встречаются новообразования железа и карбонатов, а pH возрастает до нейтральных значений.

Полученные нами данные показывают, что распределение величин БД и СИД также соответствуют вышеуказанному делению. В целом БД в пахотном горизонте торфяных почв участка “Ближний” Яхромской поймы менялось довольно значительно: от 0.6 до 3.4 мкмоль CO2·г-1·сут-1. Наибольшие значения достигались в центральной части поймы, где почва все еще богата слаборазло-женной органикой, а при приближении к руслу реки и притеррасной части поймы, где торф переслаивается минеральными наносами, рассматриваемый показатель снижался в 5 и более раз. Статистический анализ показал, что именно содержание минеральных веществ (зольность), является тем фактором, который оказывает наибольшее влияние на величины образования CO2.

СИД, то есть образование CO 2 при устранении ограничений по имеющимся в почве элементам питания и зависящее только от накопленной биомассы аэробных гетеротрофных микроорганизмов, проявляет те же закономерности, хотя изменяется еще более резко: от 2.4 до 19.5 мкмольCO 2 ·г^-1·сут^-1.

Аналогичным закономерностям подчинялась и активность денитрификации, которая достигала максимальных значений в центральной части поймы и снижалась при движении к террасе и руслу почти в 3 раза. Иным оказалось распределение метаногенеза, приуроченного в основном к переувлажненным притеррасным участкам.

Измеренное нами удельное электрическое сопротивление пахотного горизонта изменялось в полном соответствии с делением торфоземов по положению в прирусловой, центральной и притеррасной частях поймы. Наибольшие величины достигались в центральной пойме, где зольность минимальна, а почвенный раствор не так минерализован, то есть несет в себе мало подвижных ионогенных соединений (электрических зарядов) (рис. 3А).

Распределения величин дыхания и электрического сопротивления проявляют в почвенном покрове исследованного участка сходные паттерны, поскольку зависят от одного набора физикохимических свойств почвы, главным образом от содержания органического вещества и зольности. Прежде всего, это касается базального дыхания. Коэффициент детерминации R2 для зависимости БД от удельного электрического сопротивления составляет 0.63, тогда как для СИД – 0.31. Важно, что сопротивление теснее связано со значениями БД, отражающего реальную активность микроорганизмов, чем с измеряемым в идеальных условиях СИД.

Рис. 3. Пространственное распределение электрических и микробиологических параметров пахотного горизонта участка “Ближний” (сверху – прирусловая часть участка, снизу – притеррасная). А – электрическое сопротивление (Ом·м); Б – базальное дыхание, В – денитрификация; Г – субстрат-индуцированное дыхание (мкмоль газа/(г почвы*сут)).

Fig. 3. Spatial distribution of electrical and microbiological parameters in the upper horizon at the “Blizhniy” experimental site (top of the map is located near the river, bottom – near the terrace). A – specific electric resistance; B – basal respiration; C – denitrification; D – substrate-induced respiration (μmol of corresponding gas/(g soil*day)).

Корреляция с денитрификацией слабее, что особенно заметно в прирусловой части, где ведется сельскохозяйственное производство, за счет чего R2 опускается до 0.07. Здесь в 1-ом – 3-ем кварталах мы видим приуроченность локальных минимумов де- нитрификации к максимальному уровню дыхательной активности (и наоборот), что может быть вызвано особенностями условий увлажнения, аэрации и азотного питания при проведении агротех-нологических мероприятий. На всей остальной территории связь уровня денитрификации и электрического сопротивления прослеживается визуально (рис. 3).

Хуже всего (R2 = 0.02) проявляется связь для активности метаногенов – узкоспециализированной группы строго анаэробных микроорганизмов. Ее максимумы приходятся на области с низким электрическим сопротивлением почвы, однако, в случае, если низкое сопротивление вызвано не переувлажнением, а, например, увеличением зольности, как в прирусловой части поймы, то фиксируется минимальный уровень образования метана. Важно отметить, что поскольку области с низким электрическим сопротивлением отделены друг от друга в пространстве, они были бы обнаружены и выделены при предварительной электроразведке, а последующее измерение активности метаногенеза в каждой из них все равно показало бы существование между ними отличий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Удельное электрическое сопротивление, таким образом, может быстро и эффективно использоваться для характеристики структуры почвенного покрова, позволяя объективно подойти к выбору точек для дальнейших точных измерений и впоследствии корректно производить расчеты потоков парниковых газов с обширных территорий. Прежде всего это касается процессов микробного образования CO 2 и N 2 O, а в определенной степени – и CH 4 .