Ученые из Института биологических проблем криолитозоны ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН» (Якутск), Института общей и экспериментальной биологии СО РАН (Улан-Удэ) и Иркутского государственного университета исследовали магнитную восприимчивость почв Сибири. Этот показатель позволит получить информацию о составе почвы, уровнях загрязнений и процессах, происходящих под землей. Статья о работе опубликована в международном журнале Eurasian Soil Science.
Почвенные профили черноземов Сибири: а — чернозем обыкновенный, разрез Унга-1; б — чернозем обыкновенный, разрез 14У; в — чернозем обыкновенный, разрез 2ЧТ-03; г — чернозем выщелоченный, разрез 7БС-20. Изображение предоставлено Александром Чевычеловым
Каждая почва обладает своей способностью реагировать на магнитное поле Земли. Эту реакцию называют магнитной восприимчивостью. Такая особенность в разных почвах варьируется от того, какие магнитные минералы содержатся в грунте, особенно железосодержащие, например гематит и магнетит. Чем больше таких минералов, тем сильнее почва реагирует на магнитное поле.
Магнитная восприимчивость может служить надежным показателем изменений в грунте, вызванных как природой, так и деятельностью человека. Хотя для мерзлых областей такие выводы пока сделаны осторожно, в регионах с обычной температурой это давно подтверждено наукой. Дело в том, что такой показатель отражает возраст и развитие почвы. Например, молодые почвы обладают одним уровнем магнитной восприимчивости, а зрелые, сформировавшиеся — другим. Так, в гумусовом горизонте чернозема, богатом перегноем, наблюдается самая высокая магнитная восприимчивость, характерная для обычных почв. Считается, что причина этого — образование биогенного магнетита. Его появление вызвано особыми условиями и работой микроорганизмов, обитающих в почве.
Различные типы структуры магнитных профилей и конкретные значения магнитной восприимчивости рассказывают ученым о текущих процессах, происходящих в почве. Если в грунте разрушаются магнитные частицы, как бывает в заболоченных или подзолистых почвах, показатели магнитной восприимчивости снижаются. Максимальная же восприимчивость встречается в тех почвах, где активно накапливается железо: например, в уже названных черноземах. Впрочем, самые высокие показатели характерны для южных почв: желтоземов и особенно для красноземов, которые формируются преимущественно в субтропической зоне. Здесь объемная магнитная восприимчивость может доходить до 500-600 единиц Си.
«До недавнего времени никто серьезно не изучал магнитные свойства мерзлотных почв Сибири. Лишь иногда проводили отдельные измерения, но целостных исследований не было. Важно не просто замерять магнитную восприимчивость, а увязывать ее с особенностями самих почв, искать закономерности. Мы занимаемся этим вопросом, потому что в Якутии, где распространены мерзлотные почвы, действуют особые процессы: накопление солей, карбонатных соединений и специфического железистого вещества. Именно магнитная восприимчивость позволяет увидеть структуру и оценить происхождение этих почв. Мы создали такую картину на основе анализа отдельных регионов Якутии и выделили характерные черты каждого типа почв», — рассказывает главный научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН доктор биологических наук Александр Павлович Чевычелов.
Исследователи сравнили магнитные профили для разных типов почв: обычных европейских черноземов, промерзающих почв Западной Сибири и мерзлотных почв Якутии. Оказалось, что европейские черноземы имеют ярко выраженный гумусо-аккумулятивный тип магнитного профиля. Это значит, что в них преобладает накопление магнитных минералов благодаря активному формированию гумуса. Мерзлотные черноземы Якутии проявляют смешанный характер: одновременно признаки накопления и потери магнитных свойств, что называется регрессивно-аккумулятивным магнитным профилем. Причем значения магнитной восприимчивости в них оказались значительно выше. Предположительно, это связано с особым процессом мерзлотного обогащения железистыми соединениями (криогенное ожелезнение). Однако это лишь предварительная гипотеза, которую предстоит подтвердить дополнительными масштабными исследованиями.
В качестве инструментов ученые использовали каппаметры КМ-7 — специальные приборы для измерения магнитной восприимчивости почв. Эти устройства удобны тем, что прямо в поле, непосредственно в почвенном разрезе, позволяют быстро определить объемную магнитную восприимчивость почвы. Она показывает, насколько почва может намагничиваться.
Удельная магнитная восприимчивость учитывает не только объем, но и массу почвы. Этот показатель точнее отражает магнитные свойства конкретного типа почв. Удельную магнитную восприимчивость с помощью такого устройства удалось вычислить впервые. Для этого пробы помещались в контейнер из немагнитного материала. Ученые изготовили их на 3D-принтере. В каждый из контейнеров помещается ровно 100 кубических сантиметров почвы. Такие данные позволяют не только оценить качество грунта, но и диагностировать уровни загрязнения. Новый метод был официально запатентован, а его проверка показала высокую точность: отклонения составили всего 5-15%.
«Важно помнить, что сама по себе магнитная восприимчивость не даст полной картины. Нужен целый комплекс наблюдений и анализов. В Сибири, особенно в Якутии, почва содержит немало интересного, однако техническая оснащенность оставляет желать лучшего. Наша задача — наладить сотрудничество с теми регионами, где лаборатории мощнее, и совместными усилиями добиться новых результатов», — отметил Александр Чевычелов.
Ученые уже проанализировали магнитную восприимчивость почв крупных городов Якутии: Нерюнгри, Алдана, Якутска и Мирного. Составили детальные карты городских территорий, которые показывают зоны повышенной техногенной загрязненности. Каждый город показал себя по-разному: в Алдане проблемы связаны с автомобильными выбросами, а в Нерюнгри ситуация осложняется пылью от угольных разработок. Теперь можно увидеть, где сосредоточены участки с повышенным уровнем магнитной восприимчивости, обусловленные загрязнением тяжелыми металлами.
«Сейчас нам предстоит изучить магнитную восприимчивость основных типов мерзлотных почв Центральной, Южной и Северной Якутии и сравнить полученные данные. Речь идет не об одном участке, а о статистически значимых выборках (минимум 5-10 разрезов с каждой местности). Нужно посчитать среднее значение по основным генетическим горизонтам почвы (ее слоям, которые различаются составом и свойствами. — Прим. ред.) и учесть возможные погрешности. Кроме того, хочется сравнить эти характеристики с аналогичными параметрами немерзлотных почв, например с обычными черноземами Восточно-Европейской равнины. Наша цель — понять, какое влияние оказывает фактор многолетней мерзлоты на формирование почвенных процессов», — поделился планами ученый.
Автор: Ирина Баранова
Информация предоставлена Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
