Ученые выяснили, что изменение режима увлажнения почв Тамбовской области за последние 50 лет существенно повлияло на их строение и химические свойства. За это время из-за изменения структуры осадков и снижения уровня грунтовых вод активно вымывались карбонаты, почвы подкислились, и их окислительно-восстановительный режим изменился, причем выраженность этих изменений зависела от положения почвы в рельефе. Полученные данные помогут точнее прогнозировать, как изменения климата повлияют на плодородие российских почв в будущем, а также разработать стратегии по улучшению качества обработки земель.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Eurasian Soil Science.
Водный режим — один из важнейших факторов, определяющих свойства почв. Движение воды по почвенному профилю (из верхних горизонтов к нижним) влияет на перераспределение минеральных соединений, кислотность и формирование внешних признаков, по которым можно судить об условиях переувлажнения. Поэтому, наблюдая, как менялись почвы на протяжении последних десятилетий или даже столетий, ученые могут спрогнозировать будущие изменения, а также найти оптимальные подходы к сохранению сельскохозяйственных и природных земель. Однако проследить такие процессы удается редко, поскольку для этого необходимы повторные исследования участков, подробно изученных несколько десятилетий назад.
Исследователи из Почвенного института имени В.В. Докучаева (Москва) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) сравнили свойства современных почв на территории Тамбовской области с данными 1970-х годов.
Авторы выбрали четыре типа почв, сменяющих друг друга в пределах одной западины (местности, похожей на котловину), но занимающих разные элементы рельефа — от ее днища до водораздельной поверхности, то есть возвышенности. Это позволило проследить, как положение в ландшафте влияет на реакцию почв в условиях изменения климата.
В ходе экспедиции 2022 года ученые описали строение почвенных профилей, определили глубину горизонтов, измерили содержание карбонатов и кислотность почв. Кроме того, авторы сравнили современное положение железо-марганцевых конкреций с архивными описаниями. Эти природные образования формируются при периодическом переувлажнении почвы и служат чувствительным индикатором изменений водного режима. Кроме того, исследователи проанализировали метеорологические наблюдения за период с 1936 по 2022 год и с помощью численного моделирования оценили изменение вертикальных потоков влаги в почве.
Рисунок 1. Схема участка исследования: (a) положение участка на снимке спектральной характеристики открытой поверхности почвы; (б) космический снимок высокого разрешения с указанием положения точек мониторинга; (в) рельеф участка с указанием точек мониторинга, (г) рельеф местности на плане и высотные отметки точек расположения разрезов. Источник: Мария Смирнова / из личного архива.
Рисунок 2. Почвенные разрезы: (а) солодь в днище западины, (б) чернозем с признаками переувлажнения на залежи, (в) пахотный солонец с признаками переувлажнения на пашне, (г) пахотный чернозем в самой удаленной точке в пределах профиля. Источник: Анастасия Корнилова / из личного архива.
Анализ показал, что за последние 50 лет режим увлажнения изменился. Доля жидких осадков, в особенности летних дождей, увеличилась, тогда как объем воды, поступающий в почву при весеннем снеготаянии, сократился. Моделирование выявило два периода, когда влага активнее всего поступала в почвенный профиль: 1980–2000-е и 2010–2020-е годы. Это усилило перераспределение веществ в почвах и привело к изменению ряда их свойств.
В большинстве исследованных почв содержание карбонатов за последние 50 лет уменьшилось на 10–71% в зависимости от типа почвы, а глубина их залегания увеличилась.
Отмечается, что произошло подкисление почвенной среды: значения кислотности (pH) в них снизились на 0,1–1,4 единицы. Кроме того, ученые обнаружили смещение глубины залегания железо-марганцевых конкреций, что свидетельствует о перестройке условий сезонного переувлажнения.
При этом разные типы почв дали неодинаковый отклик на климатические изменения. Наиболее стабильными оказались пахотные черноземы, расположенные на возвышенных участках рельефа, где строение профиля сохранилось практически без изменений. Наиболее выраженные изменения произошли в солоди, занимающей самое низкое положение в рельефе: мощность верхнего плодородного горизонта — гумусового — увеличилась почти втрое, с 9,5 до 28 сантиметров. При этом в таких почвах карбонаты исчезли из верхних 150 сантиметров профиля, а зона максимального распространения железо-марганцевых конкреций сместилась глубже. В черноземе и пахотном солонце, расположенных выше по склону, также изменились распределение карбонатов, кислотность и положение конкреций, однако мощность гумусового горизонта осталась практически такой же, как 50 лет назад.
«Полученные нами результаты помогут специалистам прогнозировать, как в дальнейшем поменяются плодородие и физико-химические свойства российских почв в условиях изменения климата. Кроме того, опираясь на полученные данные, станет возможно сформулировать рекомендации о корректировке систем земледелия, в частности подходов к удобрению и поливу, а также минимизации экологических рисков. В будущем мы планируем на основе полученных данных количественно охарактеризовать скорости процессов образования почв во временном масштабе», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Мария Смирнова, кандидат географических наук, доцент кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и старший научный сотрудник Почвенного института имени В.В. Докучаева.
Источник: пресс-служба Российского научного фонда.
На заглавном фото авторы исследования. Источник: Мария Смирнова / из личного архива.