Электрофизические и геоинформационные методы картографирования биологических свойств торфоземов

Показано, что использование электрофизических методов и ГИС-технологий позволяет выявить структуру почвенного покрова и пространственное распределение отдельных биологических показателей, в частности интенсивности образования парниковых газов, в мелиорированных торфяных почвах (торфоземах), расположенных в сложных ландшафтно-гидрологических условиях долины реки Яхрома в Московской области. Таким образом, получен опыт интеграции на основе ГИС-технологий и геофизики различных аспектов строения и функционирования почвы, что генерирует легко читаемое “изображение” почвы в данном месте и в определенное время. Используемый подход основан на идее, что электрическое сопротивление почв, связанное с плотностью подвижных зарядов (катионов и анионов почвенного поглощающего комплекса и раствора), формируется под влиянием почвообразующих процессов и является интегральным показателем широкого спектра свойств почвы. Принимая во внимание, что эволюция и деградация торфяников после их осушения является в первую очередь микробиологическим процессом, мы уделили особое внимание исследованиям в этой области. В рамках мониторинговых наблюдений на опытных стационарах Яхромской поймы проведено картирование микробного образования CO₂, N₂O и CH₄ в торфяных почвах. С одной стороны, это позволяет оценить текущую интенсивность разложения органического вещества и потери азота и углерода торфяными почвами различного ботанического состава, условий и методов мелиорации, а с другой – определить вклад этих почв в формирование парникового эффекта. Установлено, что электрическое сопротивление почвы, базальное, субстрат-индуцированное дыхание и денитрификационная активность (одна из форм анаэробного дыхания) зависят от одного и того же комплекса свойств торфозема и коррелируют друг с другом на исследуемой территории. Высокая скорость и производительность электрофизических методов позволяют использовать их для первичной диагностики почвы, выбора ключевых точек для дальнейших исследований, детализации картографических контуров и уточнения расчетов потоков парниковых газов с больших площадей.

1. Апарин Б.Ф., Абакумов Е.В., Касаткина Г.А., Матинян Н.Н., Русаков А.В., Рюмин А.Г., Сухачева Е.Ю. Почвенное картирование. СПб: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2012. 128 с.

2. Бышов Н.В., Бышов Д.Н., Бачурин А.Н., Олейник Д.О., Якунин Ю.В. Геоинформационные системы в сельском хозяйстве. Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2013. 169 с.

3. Позднякова А.Д., Поздняков Л.А., Анциферова О.Н. Универсальный прибор для измерений электрических свойств почв // Бюллетень науки и практики. 2018. Т. 4. № 4. С. 232–245. DOI: 10.5281/zenodo.1218483.

4. Поздняков А.И., Позднякова Л.А., Позднякова А.Д. Стационарные электрические поля в почвах. М.: КМК Scientific Press LTD, 1996. 358 с. URL: http://www.rfbr.ru/rffi/ru/books/o_37706.

5. Поздняков А.И., Елисеев П.И., Поздняков Л.А. Электрофизический подход к оценке некоторых элементов окультуренности и плодородия легких почв гумидной зоны // Почвоведение. 2015. № 7. С. 832–842.

6. Поздняков Л.А. Оценка биологической активности торфяных почв по удельному электрическому сопротивлению // Почвоведение. 2008. № 10. С. 1217–1223.

7. Савин И.Ю. Пространственные аспекты прикладного почвоведения // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020. Вып. 101. С. 5–18. DOI: 10.19047/0136-1694-2020-101-5-18.

8. Савин И.Ю., Жоголев А.В., Прудникова Е.Ю. Современные тренды и проблемы почвенной картографии // Почвоведение. 2019. № 5. С. 517–528.

9. Степанов А.Л., Лысак Л.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии. М.: МАКС Пресс, 2002. 88 с.

10. Anderson-Cook C.M., Alley M.M., Roygard J.K.F., Khosla R., Noble R.B., Doolittle J.A. Differentiating Soil Types Using Electromagnetic Conductivity and Crop Yield Maps // Soil Science Society of America Journal. 2002. No. 66 (5). P. 1562−1570. DOI: 10.2136/sssaj2002.1562.

11. Corwin D., Lesch S., Shouse P.J., Soppe R., Ayars J.E. Identifying Soil Properties that Influence Cotton Yield Using Soil Sampling Directed by Apparent Soil Electrical Conductivity // Agron. J. 2003. Vol. 95. DOI: 10.2134/agronj2003.03520.

12. Corwin D.L. Past, present, and future trends of soil electrical conductivity measurement using geophysical methods / Allred B., Daniels J., Ehsani M. (Eds.). Handbook of Agricultural Geophysics. 2008. Boca Raton: CRC Press. DOI: 10.1201/9781420019353.

13. Doolittle J.A., Brevik E.C. The use of electromagnetic induction techniques in soils studies // Geoderma. 2014. Vol. 223−225. P. 33–45. DOI: 10.1016/j.geoderma.2014.01.027.

14. Gelsomino A., Keijzer-Wolters A.C., Cacco G., van Elsas J.D. Assessment of bacterial community structure in soil by polymerase chain reaction and denaturing gradient gel electrophoresis // Journal of microbiological methods. 1999. No. 38 (1−2). P. 1−15.

15. Groffman P.M., Eagan P., Sullivan W.M., Lemunyon J.L. Grass species and soil type effects on microbial biomass and activity // Plant Soil. 1996. No. 183. P. 61−67.

16. Johnson M.J., Lee K.Y., Scow K.M. DNA fingerprinting reveals links among agricultural crops, soil properties, and the composition of soil microbial communities // Geoderma. 2003. Vol. 114. P. 279−303.

17. Kim J., Roh A.-S., Choi S.-Ch., Kim E.-J., Choi M.-T., Ahn B.-K., Kim S.-K., Lee Y.-H., Joa J.-H., Kang S.-S., Lee S., Ahn J.-H., Song J., Weon H.-Y. Soil pH and electrical conductivity are key edaphic factors shaping bacterial communities of greenhouse soils in Korea // Journal of Microbiology. 2016. Vol. 54. P. 838−845. DOI: 10.1007/s12275-016-6526-5.

18. Loke M.H., Chambers J.E., Rucker D.F., Kuras O., Wilkinson P.B. Recent developments in the direct-current geoelectrical imaging method // Journal of Applied Geophysics. 2013. Vol. 95. P. 135–156. DOI: 10.1016/j.jappgeo.2013.02.017.

19. Lueck E., Ruehlmann J. Resistivity mapping with GEOPHILUS ELECTRICUS − Information about lateral and vertical soil heterogeneity // Geoderma. 2013. Vol. 199. P. 2–11. DOI: 10.1016/j.geoderma.2012.11.009.

20. Lund E.D., Christy C.D., Drummond P.E. Practical applications of soil electrical conductivity mapping. In: Stafford J.V. (Ed.) Precision Agriculture. Proceedings of the Second European Conference on Precision Agriculture. Sheffield: Academic Press Ltd, 1999. P. 771–779.

21. Medeiros W., Queiroz D., Valente D., Pinto F., Melo C. The temporal stability of the variability in apparent soil electrical conductivity // Bioscience Journal. 2016. Vol. 32. P. 150–159. DOI: 10.14393/BJ-v32n1a2016-26287.

22. Panissod C., Dabas M., Jolivet A., Tabbagh A. A novel mobile multipole system (MUCEP) for shallow (0–3 m) geoelectrical investigation: the “Vol-de-canards” array // Geophysical Prospecting. 1997. Vol. 45 (6). P. 983–1002. DOI: 10.1046/j.1365-2478.1997.650303.x.

23. Singh G., Williard K.W.J., Schoonover J.E. Spatial Relation of Apparent Soil Electrical Conductivity with Crop Yields and Soil Properties at Different Topographic Positions in a Small Agricultural Watershed // Agronomy. 2016. Vol. 6 (4). P. 57. DOI: 10.3390/agronomy6040057.

24. Stadler A., Rudolph S., Kupisch M., Langensiepen M., van der Kruk J., Ewert F. Quantifying the effects of soil variability on crop growth using apparent soil electrical conductivity measurements // European Journal of Agronomy. 2015. Vol. 64. P. 8–20. DOI: 10.1016/j.eja.2014.12.004.