МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОСУШЕННЫХ ТОРФОЗЕМОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Рабинович Г.Ю.¹, Позднякова А.Д.², Поздняков Л.А.³, Анциферова О.Н.⁴

¹Доктор биологических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт мелиорированных земель» (ФГБНУ ВНИИМЗ), ²кандидат биологических наук, ФГБНУ ВНИИМЗ, ³кандидат биологических наук, ФГБНУ ВНИИМЗ, ⁴кандидат сельскохозяйственных наук, ФГБНУ ВНИИМЗ

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ОСУШЕННЫХ ТОРФОЗЕМОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

Аннотация

В 2012 и 2016 годах дважды проведено электрофизическое картирование двух участков долины реки Яхрома (Дмитровский район Московской области). Были выявлены как территории, на которых почвенное электрическое сопротивление изменилось незначительно, так и территории, на которых этот показатель за 4 года вырос в несколько раз. В основном это залежные земли, зарастающие лесом. Делается вывод о том, что метод удельного электрического сопротивления достаточно чувствителен, чтобы фиксировать изменения почв залежи даже на столь коротких сроках.

Ключевые слова: геофизика, ГИС-технологии, удельное электрическое сопротивление, осушенные торфяные почвы.

Rabinovich G.Yu.¹, Pozdnyakova A.D.², Pozdnyakov L.A.³, Antsiferova O.N.⁴

¹PhD in Biology, Federal State Funded Research Institution “All-Russia Scientific Institute of Agro-forest Reclamation,” ²PhD in Biology, Federal State Funded Research Institution “All-Russia Scientific Institute of Agro-forest Reclamation,” ³PhD in Biology, Federal State Funded Research Institution “All-Russia Scientific Institute of Agro-forest Reclamation,” ⁴PhD in Agriculture, Federal State Funded Research Institution “All-Russia Scientific Institute of Agro-forest Reclamation”

MONITORING THE STATE OF DRIED BLACK EARTH TURF MOOR SOIL WITH THE USE OF ELECTRICAL AND GEOPHYSICAL METHODS

Abstract

In 2012 and 2016, we performed the electrical and geophysical mapping of two sections of the Yakhroma river valley (Dmitrovsky district, Moscow region) twice. The areas where the soil electrical resistance changed insignificantly, as well as areas where this indicator had grown by several times over the past four years were identified. Basically, it is fallow land overgrown with forest. The conclusion is drawn that the method of specific electric resistance is sensitive enough to record the changes in the soils of the deposit even on such short terms. Keywords: geophysics, GIS-technology, specific electrical resistance, drained turf moor soils.

Мониторинг состояния почвенного покрова – сложная и трудоемкая работа. Нами в результате многолетних исследований разработаны методы и подходы использования для этих целей электрогеофизических методов, которые позволяют проводить разноплановые задачи по мониторингу культурных и естественных ландшафтов с использованием унифицированной аппаратуры и, проводя измерения без нарушения целостности почвенного покрова, получать информацию для любой глубины.

Предлагаемые методы основаны на измерении параметров электрических полей. Установлено, что изменение электрических параметров (в первую очередь – сопротивления) в почвах различных генетических типов отражает дифференциацию почвенного профиля в соответствии с основными специфическими  почвообразующими для этого типа процессами [3], [4].

При одном доминирующем процессе как, например, в засоленных почвах, получаются двухслойные кривые, отражающие по величине сопротивления степень развития почвообразующего процесса, а по перегибу кривой – глубину его проявления. При проявлении в почве двух почвообразующих процессов, как, например в дерново-подзолистых почвах, формируются трехслойные кривые с аналогичной информационной нагрузкой и т.д. [2].

В случае ярко выраженной сезонной динамики почвенных свойств, например, иссушения или промерзания, формируются аналогичные кривые.

Предварительно были осуществлены следующие исследования и разработки, которые могут служить основой для целенаправленного использования электрофизических методов в экологическом мониторинге [3], [4]:

- разработано теоретическое обоснование применения методов электрогеофизики в почвоведении, мелиорации и экологии и выявлены закономерности изменения электрических параметров почв основных генетических типов;

- установлены зависимости удельного электрического сопротивления от физических факторов – влажности, плотности и температуры почвы, а также химических свойств почв – емкости поглощения, содержания гумуса, легкорастворимых солей, гранулометрического состава и других;

- разработаны методики измерений электрических параметров и созданы приборы для этих целей.

Это послужило основой для решения задач многоцелевого экологичес­кого мониторинга общих тенденций трансформации торфяников при разных временных уровнях антропогенного воздействия (мелиорация и длительное сельскохозяйственное использование). Оценивалось, прежде всего, состояние окультуренных верхних горизонтов разных сроков освоения древесных, древесно-разнотравных и гипновых торфов.

Исследования проводили в долине р.Яхромы Московской области на двух агрополигонах: стационаре «Ближнем», осушенном с 1914г. (100 лет использования в интенсивном сельскохозяйственном производстве), и стационаре «Дальнем», мелиорация которого ведется с 1961-1965гг. (т.е. около 50 лет сельскохозяйственного использования) (рис. 1) [5], [6], [7].

Рис. 1 – Карта-схема стационаров с указанием расположения точек опробования. Почвенные контуры: I, ICa, IFe – торфоземы на разнотравно гипновом и гипновом торфе, в некоторых случаях с обогащением карбонатами и карбонатно-железистыми отложениями; II – торфоземы, развитые на древесном торфе, подстилаемые залежью травяного, осокового торфа; III – торфоземы, развитые на мощной древесной торфяной залежи; IVA, IVAT – торфоземы агроминеральные

 

На территории участка «Ближний» в 30-е годы 20-го века был  заложен закрытый битумный, фашинный и гончарный дренаж с глубиной закладки дрен от 80 до 120 см. К настоящему времени дренаж во многих местах вышел из строя и работает плохо, а в некоторых местах вообще не работает. До 1930-х годов эти территории использовались в экстенсивной системе земледелия, в основном под многолетние травы.

На участке «Дальний» 8-й квартал осушен экспериментальным дренажем с глубиной закладки дрен от 80 до 150 см и расстоянием между дренами от 15 м в притеррасье и до 40 м в центральной части поймы. Остальная часть участка «Дальний» была осушена довольно частыми открытыми каналами с расстоянием в 30 м.

Оба стационара в последние 30-40 лет использовались в интенсивной системе земледелия с большой насыщенностью севооборотов (до 70%) пропашными культурами, с достаточно высокими дозами удобрений, оптимальными для каждой культуры [1], [8], [9].

Стационар «Ближний» (100 лет использования) находится под влиянием двух мощнейших природных факторов, определяющих формирование почвенного покрова этой территории. Во-первых, это влияние реки Яхромы, которая в силу своей близости к участку сформировала еще в период разливов (до постройки в 30-е годы канала им. Москвы) органо-минеральные переслоенные почвы, в настоящее время преобразованные под антропогенным воздействием в торфоземы агроминеральные (контур IV, рис. 1).

Другой фактор – это мощные напорные железисто-карбонатные воды, выклинивающиеся в притеррасной части поймы и формирующие почвенные контуры: I, ICa, IFe - торфоземы на разнотравно-гипновом и гипновом торфе, сильно обогащенные карбонатными и карбонатно-железистыми отложениями, зона распространения которых захватывает практически всю центральную часть стационара «Ближний» на 3-м и, особенно, на 4 кварталах (рис. 1).

Стационар «Дальний» (50 лет сельскохозяйственного использования) несколько отличается от 100-летнего по воздействию природных факторов, определяющих стратиграфию исходных торфяных отложений. Река Яхрома, в силу удаленности этого стационара, практически не влияет на структуру почвенного покрова. Грунтовые воды притеррасья здесь также слабо влияли на формирование торфяной залежи и, следовательно, современных почв. Однако на территории 7-го квартала имеется участок, сформировавший под действием пирогенеза около 15 лет назад, площадью примерно 20 га и примыкающий к притеррасью.

Для мониторинга состояния почвенного покрова нами широко применялись ГИС-технологии с сопровождением электрофизическими измерениями на специально разработанном портативном приборе «LandMapper» [10], а та­к­же GPS – приемник фирмы «Gаrmin». Для обработки данных использовались программы ГИС-технологий: MapInfo, Surfer и редакторы рисунков в электронной форме Photoshop, PaintShopPro [1].

Большая часть работ выполнена на основе отбора и последующего анализа образцов почвы по площади обоих стационаров из пахотных горизонтов. Такой отбор проводился несколько раз за время исследования: в 2010-2016 гг. При этом каждый раз было отобрано по 41-49 образцов: 22-27 образцов на участке 100-летней эксплуатации («Ближний») и 19-22 образца с участка 50-летней («Дальний»). Точки опробования совпадали с точками предыдущих исследований, обозначенными на картах. Положение точек на местности определяли в поле по их координатам, полученным при оцифровке карт местности,  с помощью прибора GPS-72 фирмы Garmin.

В точках отбора образцов измерялось электрическое сопротивление. Измерения проводились прибором LandMapper и установкой для профилирования с коэффициентом К = 2,13 (рисунок 2) [6].

Рис. 2 – Прибор LandMapper и установка для профилирования (а), работа в поле (б) [6]

 

На участке «Ближний» электрическое сопротивление в 2012 году было очень низкое от 5 до 20 Ом.м (рис. 3а) по всему участку.

Рис. 3 – Изоомы распределения значений электрического сопротивления по площади участка «Ближний» в 2012 году (а) и в 2016 году (б)

 

В 2016 году электрическое сопротивление более дифференцировано. Значения менялись от 5 до 120 Ом.м. В прирусловой и притеррасной части по сравнению с 2012 г. показатель остался неизменным – в пределах от 5 до 25 Ом.м. Сопротивление повысилось в центральной части участка, где несколько лет поля не обрабатывались и заросли кустарниками и даже деревьями.

Таким образом, полученные карты позволяют выявить участки, на которых произошло изменение электрического сопротивления и целенаправленно отобрать почвенные образцы на участках измененных значений для последующего анализа.

На участке «Дальний» электрическое сопротивление в 2012 году так же было очень низкое от 6,5 до 15 Ом.м (рисунок 4а) по всему участку. В 2016 году электрическое сопротивление менялось от 15 до 110 Ом.м, причем наибольшее сопротивление наблюдалось в лесной заросли на 7-м квартале (рисунок 4б).

Рис. 4 – Изоомы распределения значений электрического сопротивления по площади участка «Дальний» в 2012 году (а) и в 2016 году (б)

 

Электрическое сопротивление  зависит от многих факторов, таких как  влажность, плотность и температура  почвы, а также химических свойств почв – емкости поглощения, содержания гумуса, солесодержания и других. Поэтому, последовательно исключая одинаковые факторы в разные годы, находим конкретную причину изменения свойства в проблемных участках.

В нашем примере исследования проводились в летний период при высокой влажности как в 2012, так и в 2016 году. Следовательно, температуру и влажность можно исключить из факторов, влияющих на электрическое сопротивление. Примечательна связь изменения сопротивления с развитием лесной растительности. Электрофизическое картирование, таким образом, демонстрирует, что изменение в составе растительности сопровождается также трансформацией свойств почвенного покрова. Для того, чтобы ответить на вопрос, какие же физические или химические свойства почвы, оказывающие непосредственное влияние на сопротивление, изменились в результате зарастания участков лесом, можно отобрать образцы в интересующих местах.

Заключение

На основе карт изоомов и изопотенциалов можно обоснованно и объективно наметить места закладки основных разрезов или траншей, точки отбора образцов.

После определения в лабораторных условиях интересующих свойств, связанных с электрическими параметрами и вычисления соответствующих показателей, характеризующих тесноту связей, а также расчета эмпирических уравнений можно провести расшифровку карт электросъемки.

На основе этих сведений можно получать подробные карты распределения различных агрохимических свойств, характеризующих плодородие и окультуренность почв, изучить их изменение при внесении удобрений или смене типа землепользования, проводить различные виды специальных картирований, например, почвенно-мелиоративное или эрозионное картирование.

Список литературы / References

1. Ковалев Н.Г. АгроГИС-технологии обследования почв с использованием методов электрофизики. Методические рекомендации /Н.Г. Ковалев, А.И. Поздняков, А.Д. Позднякова и др. -Тверь: Тверской печатник. -2014. - 44 с.
2. Поздняков А.И. Количественная интерпретация данных вертикального электрического зондирования почв с применением R-функции /А.И. Поздняков, А.Д. Позднякова //Почвоведение, 1983. №10. -С. 120-125.
3. Поздняков А.И.Стационарные электрические поля в почвах. /А.И. Поздняков, Л.А. Позднякова, А.Д. Позднякова. -М.: KMK ScientificPress. -1996. – 358 c.
4. Поздняков А.И. Полевая электрофизика почв./А.И. Поздняков -М.: МАИК «Наука/Интер­периодика». -2001. -188 с.
5. Поздняков А.И. Торф и эутрофные торфоземы при длительном сельскохозяйственном использовании /А.И. Поздняков, Н.Г. Ковалев, Л.А. Поздняков и др. -Тверь: ТвГУ, 2014. -356 с.
6. Позднякова А.Д. Современные полевые методы обследования почв. / А.Д. Позднякова, Л.А. Поздняков, О.Н. Анциферова //Инновационная наука. -2016, №9 (21). –С.102-106.
7. Рабинович Г.Ю. Новые электрофизические и микробиологические методы для изучения почвенных процессов в антропогенно преобразованных торфяных почвах при их сельскохозяйственном использовании. Методическое пособие. /Г.Ю. Рабинович, Л.А. Поздняков, А.Д. Позднякова, Е.В. Широкова, О.Н. Анциферова, М.С. Дуброва - Тверь: Из-во ТвГУ, 2016. -38с.
8. Позднякова А.Д. Содержание тяжелых металлов в водных растениях мелиоративной сети Яхромской поймы. / А.Д. Позднякова, Р.А. Бородкина //Бюллетень науки и практики. 2016, №5. –С. 20-26.
9. Добровольская Т.Г. Функционирование микробных комплексов верховых торфяников - анализ причин медленной деструкции торфа. / Т.Г. Добб­ровольская, Д.Г. Звягинцев, Л.И. Инишева, Г.М. Зенова, А.Л. Степанов, Л.А.  Поздняков и др. -М.: Товарищество научных изданий КМК. -2013. -128 с.
10. Golovko L. LandMapper ERM-02: Handheld Meter for Near-Surface Electrical Geophysical Surveys/ L. Golovko, A. Pozdnyakov, A. Pozdnyakova //FastTIMES (EEGS) Agriculture: A Budding Field in Geophysics. - 2010. - Vol.15 (4) - P. 85-93.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kovalev N.G. AgroGIS-tehnologii obsledovanija pochv s ispol'zovaniem metodov jelektrofiziki. Metodicheskie rekomendacii [Agro-GIS-technology of soil survey using methods of electrophysics] /N.G. Kovalev, A.I. Pozdnjakov, A.D. Pozdnjakova i dr. -Tver': Tverskoj pechatnik. - 2014. - 44 p. [in Russian]
2. Pozdnjakov A.I. Kolichestvennaja interpretacija dannyh vertikal'nogo jelektricheskogo zondirovanija pochv s primeneniem R-funkcii [Quantitative interpretation of the data of vertical electric probing of soils using the R-function] /A.I. Pozdnjakov, A.D. Pozdnjakova //Pochvovedenie [Soil Science]. - 1983. - №10. - P. 120-125. [in Russian]
3. Pozdnjakov A.I. Stacionarnye jelektricheskie polja v pochvah. [Stationary electric fields in soils] /A.I. Pozdnjakov, L.A. Pozdnjakova, A.D. Pozdnjakova. -M.: KMK ScientificPress. -1996. – 358 p. [in Russian]
4. Pozdnjakov A.I. Polevaja jelektrofizika pochv [Field electrophysics of soils] /A.I. Pozdnjakov - M.: MAIK «Nauka/Interperiodika». -2001. -188 p. [in Russian]
5. Pozdnjakov A.I. Torf i jeutrofnye torfozemy pri dlitel'nom sel'skohozjajstvennom ispol'zovanii [Peat and eutrophic peat-lands with prolonged agricultural use] /A.I. Pozdnjakov, N.G. Kovalev, L.A. Pozdnjakov i dr. -Tver': TvGU. - 2014. - 356 p. [in Russian]
6. Pozdnjakova A.D. Sovremennye polevye metody obsledovanija pochv [Modern field methods of soil investigation] / A.D. Pozdnjakova, L.A. Pozdnjakov, O.N. Anciferova //Innovacionnaja nauka [Innovative science]. - 2016. - №9 (21). – P.102-106. [in Russian]
7. Rabinovich G.Ju. Novye jelektrofizicheskie i mikrobiologicheskie metody dlja izuchenija pochvennyh processov v antropogenno preobrazovannyh torfjanyh pochvah pri ih sel'skohozjajstvennom ispol'zovanii [New electrophysical and microbiological methods for studying soil processes in anthropogenically transformed peat soils under their agricultural use] / G.Ju. Rabinovich, L.A. Pozdnjakov, A.D. Pozdnjakova and others - Tver': Iz-vo TvGU, 2016. - 38 p. [in Russian]
8. Pozdnjakova A.D. Soderzhanie tjazhelyh metallov v vodnyh rastenijah meliorativnoj seti Jahromskoj pojmy [The content of heavy metals in aquatic plants of the meliorative network of the Yakhroma floodplain] /A.D. Pozdnjakova, R.A. Borodkina //Bjulleten' nauki i praktiki Bulletin of Science and Practice [Bulletin of Science and Practice]. – 2016. - №5. – P. 20-26. [in Russian]
9. Dobrovol'skaja T.G. Funkcionirovanie mikrobnyh kompleksov verhovyh torfjanikov - analiz prichin medlennoj destrukcii torfa [Functioning of microbial complexes of upland peat bogs - analysis of the causes of slow degradation of peat] / T.G. Dobrovol'skaja, L.I. Zenova, L.A. Pozdnjakov and others - M.: Tovarishhestvo nauchnyh izdanij KMK. - 2013. -128 p. [in Russian]
10. Golovko L. LandMapper ERM-02: Handheld Meter for Near-Surface Electrical Geophysical Surveys/ L. Golovko, A. Pozdnyakov, A. Pozdnyakova //FastTIMES (EEGS) Agriculture: A Budding Field in Geophysics. - 2010. - Vol.15 (4) - P. 85-93.