Почвоведение, 2023, № 7, стр. 843-852

ВВЕДЕНИЕ

Последние годы в практику почвенных исследований широко внедряются методы дистанционного зондирования, которые потенциально могут упростить региональное картографирование почв. Однако они неэффективны там, где почвы лежат под маскирующим покровом растительности или других объектов. Методы дистанционного зондирования страдают от ошибок, вызванных спектральной неоднозначностью (например, различные материалы, излучающие схожие спектры), а также в связи с атмосферным рассеянием. В начале 1990-х годов развитие получило новое направление – проксимальное почвенное зондирование, в основе которого лежат непрерывные измерения пространственных изменений почвенных показателей в режиме реального времени с использованием приповерхностных геофизических методов (радарные съемки, измерение электрического сопротивления или проводимости, магнитной восприимчивости, рентгеновская флуоресценция, электромагнитная индукция и др.) для анализа закономерностей геопространственного распределения почв, но обычно в небольших масштабах (≤1 га) [24]. Полезность методов проксимального зондирования для сельскохозяйственных, геотехнических, археологических исследований хорошо известна [23, 30, 32, 34]. Несмотря на это, необходима дальнейшая оценка таких методов для регионального картографирования почв, в том числе в урбанизированной местности. Одним из таких методов может быть измерение магнитной восприимчивости, так как известно о ее широком использовании для составления карт загрязнения городских почв [10, 27–29]. Оборудование для магнитных методов измерения относительно дешево по сравнению с другими геофизическими методами, надежно и портативно используется в полевых условиях, с простым сбором данных и небольшой обработкой, необходимой для точного определения аномальных зон, при условии, что были проведены значительные фоновые измерения. Подобное оборудование универсально для успешного обнаружения различных захороненных объектов криминалистической экспертизы, нарушенного грунта и поверхностных выгоревших участков в различных типах почв и отложений [32].

Магнитная восприимчивость является стандартным физическим показателем, применяемым для характеристики почвообразовательных процессов. Он широко используется в генетическом почвоведении [7, 8, 32, 33], экологии [10], палеопочвоведении [2, 11, 19]. Востребованность показателя магнитной восприимчивости обусловлена простотой определения и доказанной связью с физическими, химическими и минералогическими характеристиками почв [21, 36].

При изучении магнитной восприимчивости почв стандартно производятся два типа измерений. Первый тип – это площадные измерения. Выполняются в полевых условиях на поверхности почвы, часто с использованием специальных датчиков типа петли Bartington MS2D [22] или каппаметров KT-5 [14]. Значения площадной магнитной восприимчивости используют для построения карт. С их помощью моделируют эрозионные процессы [25], определяют единицы картографирования [37], составляют картограммы почв [9] и т.д. Преимущество данного типа измерения определяется его не деструктивностью, что позволяет получать картину, соответствующей природной.

Второй тип представляет собой профильное измерение магнитной восприимчивости, включая почвообразующую породу. Выполняется как в полевых, так и в лабораторных условиях. Характеристика профильного распределения магнитной восприимчивости является дополнительным признаком, применяемым для определения типа почв [13, 21], а также для диагностики некоторых элементарных почвенных процессов, таких как оглеение, иллювирование, осолонцевание [7]. Наиболее эффективная интерпретация магнитометрических данных в почвоведении требует интеграции двух рассмотренных типов измерений.

Величина магнитной восприимчивости в степных почвах определяется, в первую очередь содержанием в ней сильно- и слабомагнитных соединений железа. Первые представлены ферромагнитными минералами: магнетитом, маггемитом. Образование магнетита связывают с диссимиляторной жизнедеятельностью бактерий железоредукторов [2]. Новообразованный мелкодисперсный магнетит может самопроизвольно окислиться до маггемита. Вторая группа представлена антиферромагнитными минералами: гематитом, гетитом. Считается, что образование этих минералов происходит в конкурентных условиях. Гетит образуется из любого источника железа через раствор [35]. Гематит формируется путем превращения (включая дегидратацию) ферригидрита, даже в присутствии избытка воды [18]. Количество данных минералов в почве, их размер и дисперсность определяет величину магнитной восприимчивости.

Исследования магнетизма почв последних 20 лет [2, 7, 12, 20, 27, 37] показали, что магнитные характеристики закономерно изменяются по профилю почв, но неоднородны в площадном выражении. Варьирование по площади определяется неоднородностью почвенного покрова и различной интенсивностью элементарных почвенных процессов [20]. Данные закономерности вызывают повышенный интерес к использованию методов профильного и площадного исследования магнитной восприимчивости для изучения пространственной неоднородности почв.

Целью настоящего исследования является использование сравнительного анализа площадных и профильных измерений магнитной восприимчивости для изучения варьирования процессов оксидогенеза железа и выявления неоднородностей в поверхностном слое степных почв.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили в Ростовской области (площадка 1), Ставропольском крае (площадка 2) и Республике Калмыкия (площадка 3). Площадку 1 заложили на пашне в окрестностях х. Чумбур-Коса (46°57′49″ N, 38°56′53″ E) на пологом склоне водораздела. Изучали черноземы обыкновенные (Haplic Chernozems по WRB). Площадку 2 заложили в окрестностях с. Отказное (44°17′23″ N, 43°51′22″ E) в верхней части пологой балки на целинном участке. Здесь изучали черноземы южные (Haplic Chernozems по WRB). Площадка 3 расположена в окрестностях п. Зунда-Толга (45°36′39″ N, 44°19′39″ E) на водораздельном пространстве. Здесь изучали светло-каштановые солонцеватые почвы (Haplic Kastanozems (Endosalic, Cambic) по WRB). Почвообразующими породами для всех изученных почв являлись лёссовидные суглинки.

С целью оценки влияния рельефа на показатель магнитной восприимчивости дополнительно на территории Ергенинской возвышенности изучали катену, включающая три площадки на элювиальной, трансэлювиальной и трансэлювиально-аккумулятивной позициях. Площадки заложили вблизи с. Ремонтное Ростовской области (46°32′59″ N, 43°41′33″ E). Здесь исследовали светло-каштановые солонцеватые почвы (Haplic Kastanozems (Endosalic, Cambic) по WRB) на лёссовидных суглинках [14].

Полевые измерения объемной магнитной восприимчивости (${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$) на площадках выполняли с использованием прибора KT-20 с датчиком 3F-32 (Tеrraplus, Канада) на частоте 1 кГц. KT-20 – это портативный полевой измерительный прибор, предназначенный для измерения магнитной восприимчивости и удельной проводимости образца. С появлением датчика большого диаметра 3F-32 стало возможно использовать систему KT-20 для проведения малоглубинных исследований, поскольку появилась возможность измерять параметры почв на глубину примерно до 30 см.

Датчик 3F-32 имеет диаметр 32 см и отличается наличием трех рабочих частот, подобранных таким образом, чтобы обеспечивать определенные преимущества при измерении магнитной восприимчивости и удельной проводимости. Прибор позволяет выполнять единичные измерения в определенном месте или осуществлять непрерывный сбор данных для картографирования целого участка. Встроенный приемник GPS снабжает данные координатами места. Кроме того, в приборе имеется встроенная цифровая камера для визуального документирования представляющих интерес образцов. Данный прибор позволяет получать значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$, которые являются безразмерными и выражаются в единицах 10^–3 ед. СИ. Измерения выполняли с шагом 1 м на заранее размеченной площадке размером 10 × 10 м. После измерений в пределах площадки с помощью почвенного бура отбирали средний образец почвы из трех скважин до почвообразующей породы через 10 см. Также по углам площадок отобрали среднюю пробу почв из слоя 0–30 см. В полученных образцах в лабораторных условиях измеряли удельную магнитную восприимчивость χ (10^–8 м³/кг) с помощью прибора Kappabridge KLY-2 и параллельно прибором KT-20 со стандартным датчиком с двумя рабочими частотами 1 и 10 кГц (аналогично распространенному прибору KT-5). Корреляцию между показателями ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ и χ определяли методом регрессионного анализа с коэффициентом значимости p < 0.05.

Для определения пространственной вариабельности объемной магнитной восприимчивости использовали метод вариографии. Строили вариограммы – экспериментальные графики зависимости полудисперсии ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ от расстояния между точками апробирования. Выбор наиболее подходящей модели осуществляли с использованием показателей качества. Полудисперсию рассчитывали по формуле:

где ${\text{z}}\left( {{{x}_{i}}} \right)$ и ${\text{z}}\left( {{{x}_{i}} + h} \right)$ – результаты измерений ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в точках $~{{x}_{i}}$ и ${{x}_{i}} + h,$ а $2N\left( h \right)$ – количество пар точек, удаленных друг от друга на расстояние $h$ [14, 29].

Полученные модели использовали для построения картограмм, которое выполняли с помощью метода кригинга. Его принцип основан на определении веса значений переменной в окрестных точках для оценки значения переменной в искомой точке или области. Вариографию и построение картограмм магнитной восприимчивости почв выполняли в программе ArcMap 10.8.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты площадных измерений магнитной восприимчивости ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ прибором КТ-20 c датчиком 3F-32 и профильных измерений χ до глубины 30 см на приборе Kappabridge KLY-2 показали корреляцию. Она показывает, что площадной тип съемки прибором КТ-20 может корректно фиксировать магнитную восприимчивость до глубины 30 см (рис. 1). Значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ или χ магнитной восприимчивости равны 0 при измерениях воздуха, без контакта с образцом.

Статистический анализ данных показал, что средние и медианные значения площадной магнитной восприимчивости (${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$) почв на исследуемых площадках значимо не различаются (табл. 1). По показателям варьирования (вариация, коэффициент вариации, стандартное отклонение) наибольшей вариабельностью значений ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ характеризуется чернозем южный, наименьшей – светло-каштановая почва.

Для изучения распределения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в пространстве использовали геостатистический метод. Данный метод ранее применяли для исследования пространственной вариабельности отдельных почвенных свойств сухостепной и степной зон [16]. Для площадной магнитной восприимчивости, измеренной на заложенных площадках, были построены вариограммы (рис. 2). Полученные вариограммы были аппроксимированы гауссовой, экспоненциальной и сферической моделью. Далее выбирали модель с наименьшим значением средней стандартной ошибки [31].

Во всех почвах на исследуемых площадках имеется пространственная вариация, но проявляется она на различном расстоянии. Для чернозема обыкновенного это расстояние составляет 1–2.5 м. Из всех исследованных почв, только для чернозема обыкновенного вариограмма площадной магнитной восприимчивости имела квазипериодическую форму. Такая форма и небольшое расстояние вариации ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$, по-видимому, может характеризовать сельскохозяйственную обработку и изменения микрорельефа. При этом на поверхность может выноситься слабомагнитный материал, который будет снижать значения магнитной восприимчивости. Эта вариация носит цикличный характер и проявляется на небольшом расстоянии, в результате значения восприимчивости пахотного горизонта последовательно растут и снижаются [9].

Вариограммы, построенные для объемной магнитной восприимчивости, измеренной на площадках с черноземом южным и светло-каштановой почвой, имеют схожую форму. Для чернозема южного варьирование значений ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ происходит на расстояниях 1–4 м, что близко к чернозему обыкновенному. Форма вариограммы имеет некоторую периодичность. Для светло-каштановой почвы варьирование ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ происходит на расстояниях 1–6 м. По форме вариограмма имеет слабовыраженную периодичность.

Поскольку измерения проводили в сходных по размеру площадках и в одинаковом направлении, обнаруженные с использованием вариографии в пространственно-распределенных данных скрытые закономерности могут быть связаны с наличием неоднородных структур, проявляющихся в верхнем 0–30 см слое почвы. Для более детального изучения пространственного распределения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ аппроксимированные моделями вариограммы использовали для построения картограмм методом кригинга. На построенных картограммах хорошо видны особенности пространственной изменчивости ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в слое 0–30 см исследуемых почв (рис. 3).

Для характеристики процессов пространственного изменения магнитной восприимчивости площадные измерения проводили в комплексе с профильными. Профильные распределения удельной магнитной восприимчивости (χ) степных почв представляют собой кривые аккумулятивного характера, с закономерным уменьшением χ вниз по профилю, где наибольшие значения приурочены к верхним горизонтам чернозема южного (85 × 10^–8 м³/кг), а наименьшие – к материнской породе (18 × 10^–8 м³/кг). Такое распределение χ является типичным для степных почв Русской равнины [2].

Во всех исследованных почвах магнитная восприимчивость в верхних горизонтах почв была больше, чем в почвообразующих породах. Как показано ранее [3], в верхних горизонтах в ходе почвообразования происходит образование сильномагнитных минералов преимущественно в илистой фракции.

Варьирование объемной магнитной восприимчивости на изученных площадках с исследуемыми почвами существенно различается. Пространственные карты распределения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ для чернозема обыкновенного хорошо демонстрируют варьирование в результате распашки. Величина ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в пределах изученного участка изменяется от 0.3 до 0.8 × 10^–3 ед. СИ. Имеются области размером 1–2 м со значениями ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ 0.4–0.5 × 10^–3 ед. СИ. Значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в диапазоне 0.6–0.7 × 10^–3 ед. СИ занимают 32% от общей площади, а в 0.5–0.6 и 0.7–0.8 × 10^–3 ед. СИ по 20% соответственно. Удельная магнитная восприимчивость снижается в слое 0–30 см от 66 до 60 × 10^–8 м³/кг. Полученные данные говорят, что, помимо перемешивания материала, в ходе распашки происходит изменение гидрологических, окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных и биохимических условий среды. В результате меняется направленность процесса образования, накопления и превращения в почве оксидов железа [2, 35]. На исследуемой площадке с черноземом обыкновенным вариации ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ определяются агрогенным воздействием, которое изменяет направленность и скорость оксидогененза железа.

Профильное распределение магнитной восприимчивости показало, что для верхних слоев чернозема южного характерны наибольшие значения χ (с 85 до 76 × 10^–8 м³/кг), которые снижаются к почвообразующей породе. На исследуемой площадке значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ имеют наибольшую вариацию и находятся в диапазонах 0.3–0.4, 0.6–0.7, 0.7–0.8, 0.8–0.9 × 10^–3 ед. СИ. Эти диапазоны составляют по 14% от всей площади. Значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в диапазонах 0.4–0.5 и 0.5–0.6 составляют 18 и 23% соответственно. Исследуемая площадка располагалась на целинном участке с проективным покрытием около 90% с преобладанием лугово-злаковых ассоциаций. Подобное пространственное распределение магнитной восприимчивости на данной площадке, скорее всего, зависит от микрорельефа, который определяет биогеохимические особенности и видовую структуру растительности, что может приводить к различному содержанию железа в верхних горизонтах почв [26].

При анализе площадки со светло-каштановой почвой обнаружено, что ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ в основном представлена диапазонами 0.5–0.6, 0.6–0.7, 0.7–0.8 × 10^–3 ед. СИ, которые составляют соответственно 39, 29, 20% от всей площади распределения. Профиль удельной магнитной восприимчивости светло-каштановой почвы носит аккумулятивный характер и имеет область увеличения χ в слое 10–20 см до 54 × 10^–8 м³/кг, что может быть обусловлено эллювиально-иллювиальным распределения илистой фракции в связи с солонцовым процессом [5]. Слабое варьирование ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ на площадке со светло-каштановой почвой, может свидетельствовать о зависимости между минералогией оксидов железа с условиями почвообразования, в первую очередь с климатическими условиями, определяющими интенсивность процесса оксидогенеза железа, а также со степенью выраженности солонцового процесса.

Таким образом, изменения объемной магнитной восприимчивости по площади, в первую очередь связаны с условиями распределения, накопления, количеством и формами минералов железа, характерными для исследуемых типов почвы. Площадная магнитная восприимчивость может выявить пространственную почвенную неоднородность, которая на исследованных площадках вызвана биогеохимическими, геоморфологическими и антропогенными факторами.

В ряде работ магнитная восприимчивость использовалась как показатель, отражающий особенности оксидогенеза железа, латеральной миграции вещества и геохимических процессов в пределах ландшафтной катены [2, 14, 22]. С целью дополнения полученных результатов провели исследование по изучению распределения объемной магнитной восприимчивости на трех площадках, расположенных на элювиальной, трансэлювиальной и трансэлювиально-аккумулятивной позициях склона.

Изменения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ на площадках и χ в профиле почвы на различных типах ландшафта представлены на рис. 4. По полученным данным можно сказать, что значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ и χ верхнего слоя светло-каштановых почв снижаются от элювиальной к трансэлювиально-аккумулятивной позиции склона. Максимальные значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ характерны для площадки А7-1, расположенной в верхней части склона, для нее характерен максимальный коэффициент вариации и преобладание значений в диапазоне 0.7–0.8 × 10^–3 ед. СИ в размере 43% от общей площади. В этом же диапазоне значения на площадках А7-2 и А7-3 составляют 17 и 2% соответственно. Показатель χ в слое 0–30 уменьшается от 39 до 31 × 10^–8 м³/кг^–1 от элювиальной к трансэлювиально-аккумулятивной позиции склона.

Высокие значения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ и χ в почвах на элювиальной части склона могут свидетельствовать, что на данном типе ландшафта нет латерального сноса, соответственно в верхней части профиля накапливаются сильномагнитные минералы железа. Для данной площадки характерна сильная вариация ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$, что может быть связано с пестротой и неоднородностью почвенного покрова, определяемого микрорельефом [17]. В пределах 100 м² наблюдался комплекс из светло-каштановых, солонцов и лугово-каштановых почв. На трансэлювиальный и трансэлювиально-аккумулятивной позициях становится значимым влияние плоскостного смыва, который определяет латеральную миграцию вещества. В трансэлювиальной позиции начинается вынос пылеватой и илистой фракций из верхних слоев почв, что приводит к уменьшению восприимчивости. При этом в трансэлювиально-аккумулятивной зоне происходит накопление крупнопылеватых частиц, что определяет слабую вариацию и низкие значения магнитной восприимчивости. Таким образом, показатель магнитной восприимчивости отчетливо фиксирует неоднородность гранулометрического состава степных почв. Немаловажным фактором, влияющим на снижение магнитной восприимчивости от элювиальной к трансэлювиально-аккумулятивной позиции склона, является возрастание pH в сторону щелочных условий, увеличение количества карбонатов, снижение величины окислительно-восстановительного потенциала и изменение содержания органического вещества, что приводит к ослаблению процессов оксидогенеза железа в зависимости от положения почвенного профиля в рельефе. Ранее показано [1, 4, 5], что в зависимости от положения почвы в сопряженном геохимическом ландшафте складываются различные условия преобразования минерального вещества при почвообразовании, детально рассмотрены закономерности формирования состояния соединений железа в почвах, обусловленные этими факторами. Так, почвы элювиальных ландшафтов характеризуются повышенной степенью окисленности по сравнению с почвами подчиненных ландшафтов даже при большей степени увлажненности и биогенности. Это обусловлено значительным поступлением кислорода с атмосферными осадками и большей степенью дренированности элювиального ландшафта. Пойменные почвы занимают особую область в координатах Eh–pH. По сравнению с почвами автоморфного ряда для них характерно большее разнообразие окислительно-восстановительной обстановки, но значительно более узкий интервал рН [1, 4, 6, 14, 15].

Полученные данные показывают, что применение комплекса профильных и площадных измерений магнитной восприимчивости является чувствительным инструментом, который позволяет определить неоднородность почвенного покрова, вызванную естественными и антропогенными факторами.

Широкое использование магнитной восприимчивости в изучении загрязненных почв тяжелыми металлам, при исследовании памятников археологии, мониторинговой оценке влияния климатических изменений на почвы [2, 10, 11, 27, 28] и полученные результаты показали, что площадные исследования позволяют существенно расширить информативность исследований магнитных свойств почв. Учитывая одновременно измеряемые параметры почв прибором КТ-20, возможно проведение комплексных исследований по изучению почвенного покрова, позволяющих получать дополнительно информацию о водном и солевом режиме по данным удельной электропроводимости почв. Эти измерения были получены на всех исследованных площадках, но в настоящей статье не обсуждались.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построение карт пространственного распределения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ дает визуальное представление о неоднородности почвенных свойств степей в слое 0–30 см. В связи с этим рекомендуем опираться на карты площадного распределения магнитной восприимчивости при планировании точек для отбора проб при профильных магнитометрических исследованиях почв.

Площадная магнитная восприимчивость может выявить пространственную почвенную неоднородность, которая на исследованных площадках вызвана геоморфологическими, биогеохимическими и антропогенными факторами. Вариация ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ на площадках с различными типами почв (чернозем обыкновенный, чернозем южный, светло-каштановая) в основном связана с неоднородностью распределения, накопления, количеством и формами минералов железа. Изменения ${{\varkappa }_{{\text{s}}}}$ на площадках в различных позициях склона происходят под влиянием плоскостного смыва и ослабления процессов оксидогенеза железа в зависимости от положения почвенного профиля в рельефе.

Комплекс измерений площадной и профильной магнитной восприимчивости может быть использован для исследования почвенных неоднородностей, вызванных антропогенными и естественными факторами.