Опыт геофизической диагностики пространственно-временной изменчивости свойств городских почв

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Высокая изменчивость свойств почв, слагающих городские газоны, и обилие в них антропогенных включений, создающих помехи распространению геофизических полей, являются причинами того, что газоны крайне редко становятся объектом геофизического исследования. В то же время методы геофизики позволяют оперативно и неинвазивно проводить диагностику строения и динамики почвы, что особенно важно при работе в городе. Для того, чтобы изучать почвы геофизическими методами, необходимо экспериментально выяснить связь физических (в первую очередь электромагнитных) свойств с гранулометрическим составом, влажностью, содержанием органического вещества, объемной плотностью твердого минерального вещества и некоторыми другими характеристиками почв. Цель исследования – геофизическая диагностика пространственного варьирования свойств городских почв на примере участка газона в г. Москве. Для этого использованы методы георадиолокации, электротомографии, индукционного электропрофилирования в разные сезоны, с верифицированием их результатов классическими методами описания почв в опорных разрезах и скважинах. Для повышения точности интерпретации геофизических данных на исследуемом участке проанализированы физические свойства почвенных горизонтов: гранулометрический состав и влажность, а также измерены электромагнитные параметры: комплексную диэлектрическую проницаемость и удельное электрическое сопротивление. Комплексный подход позволяет выявить контрастные отражающие границы в почве с коэффициентом детерминации R2 = 0.54–0.88 и погрешностью 10 см, дать их интерпретацию и проследить сезонную динамику электромагнитных свойств, косвенно связанных с влажностью почвы.

Об авторах

С. С. Бричева

МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт географии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: bricheva@igras.ru
ORCID iD: 0000-0003-1897-3719
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; Старомонетный пер., 29, Москва, 119017

П. М. Шилов

Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Email: bricheva@igras.ru
Россия, Пыжевский пер., 7, стр. 2, Москва, 119017

А. П. Юрченко

Институт географии РАН

Email: bricheva@igras.ru
Россия, Старомонетный пер., 29, Москва, 119017

М. А. Тарасова

МГУ им. М.В. Ломоносова; Институт географии РАН

Email: bricheva@igras.ru
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; Старомонетный пер., 29, Москва, 119017

В. М. Матасов

Высшая школа экономики; Российский университет дружбы народов

Email: bricheva@igras.ru
Россия, Покровский бульвар, 11, Москва, 109028; ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, 117198

Список литературы

  1. Владов М.Л., Судакова М.С. Георадиолокация. От физических основ до перспективных направлений. М.: ГЕОС, 2017. 240 с.
  2. Еремеев А.И., Шипилов С.Э., Балзовский Е.В., Васильева М.А. Измерение электрофизических характеристик жидких и сыпучих материалов с использованием коаксиальной ячейки // Сб. тез. IX Междунар. научно-практ. конф. “Информационно-измерительная техника и технологии”. Томск, 2018. С. 31–32.
  3. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
  4. Мамонтов В.Г. Общее почвоведение. М.: КНОРУС, 2023. 554 с.
  5. Поздняков А.И., Елисеев П.И. Зависимости удельного электрического сопротивления от некоторых свойств антропогенно-преобразованных легких почв агроландшафтов гумидной зоны // Вестник ОГУ. 2012. № 10. С. 98–104.
  6. Поздняков А.И., Позднякова Л.А., Позднякова А.Д. Стационарные электрические поля в почвах. М.: КМК Scientific Press LTD, 1996. 358 с.
  7. Рязанцев П.А., Бахмет О.Н. Использование электроразведочных методов для картирования почвенных неоднородностей // Почвоведение. 2020. № 5. С. 535–546. https://doi.org/10.31857/S0032180X20050123
  8. Рязанцев П.А., Кабонен А.В., Родионов А.И. Определение архитектоники корневой системы деревьев методом георадиолокации // Вестник ТГУ. Биол. 2020. № 51. С. 179–204. https://doi.org/10.17223/19988591/51/10
  9. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. М.: КДУ; Добросвет, 2023. 258 с.
  10. Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка. М.: Недра, 1991. 357 с.
  11. Bobrov P.P., Kroshka E.S., Rodionova O.V. The effect of shape and sizes of particles of wet quartz powders on complex dielectric permittivity in the frequency range of 10 kHz–10 GHz // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2140. P. 012004. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2140/1/012004
  12. Boudreault J.-P., Dubé J.-S., Chouteau M., Winiarski T., Hardy É. Geophysical characterization of contaminated urban fills // Eng. Geol. 2010. V. 116. P. 196–206. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2010.09.002
  13. Friedman S.P. Soil properties influencing apparent electrical conductivity: A review // Comput. Electron. Agric. 2005. V. 46. P. 45–70. https://doi.org/10.1016/j.compag.2004.11.001
  14. Garré S., Hyndman D., Mary B., Werban U. Geophysics conquering new territories: The rise of “agrogeophysics” // VZJ. 2021. V. 20. P. e20115. https://doi.org/10.1002/vzj2.20115
  15. Howard J.L., Orlicki K.M. Effects of anthropogenic particles on the chemical and geophysical properties of urban soils, Detroit, Michigan // Soil Sci. 2015. V. 180. P. 154–166. https://doi.org/10.1097/SS. 0000000000000122
  16. Huang J., Ramamoorthy P., McBratney A.B., Bramley H. Soil water extraction monitored per plot across a field experiment using repeated electromagnetic induction surveys // Soil Syst. 2018. V. 2. P. 11. https://doi.org/10.3390/soilsystems2010011
  17. IUSS Working Group WRB. 2014. World Reference Base for Soil Resources 2014. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. World Soil Resources Reports V. 106. FAO, Rome. 216 p.
  18. Lehmann A., Stahr K. Nature and significance of anthropogenic urban soils // J. Soils Sedim. 2007. V. 7. P. 247–260. https://doi.org/10.1065/jss2007.06.235
  19. Martini E., Werban U., Zacharias S., Pohle M., Dietrich P., Wollschläger U. Repeated electromagnetic induction measurements for mapping soil moisture at the field scale: validation with data from a wireless soil moisture monitoring network // Hydrol. Earth Syst. Sci. 2017. V. 21. P. 495–513. https://doi.org/10.5194/hess-21-495-2017
  20. Moghadas D., Jadoon K.Z., McCabe M.F. Spatiotemporal monitoring of soil moisture from EMI data using DCT-based Bayesian inference and neural network // J. Appl. Geophys. 2019. V. 169. P. 226–238. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2019.07.004
  21. Owenier F., Hornung J., Hinderer M. Substrate-sensitive relationships of dielectric permittivity and water content: implications for moisture sounding // Near Surf. Geophys. 2018. V. 16. P. 128–152. https://doi.org/10.3997/1873-0604.2017050
  22. Pathirana S., Lambot S., Krishnapillai M., Cheema M., Smeaton C., Galagedara L. Ground-Penetrating Radar and Electromagnetic Induction: Challenges and Opportunities in Agriculture // Rem. Sens. 2023. V. 15. P. 2932. https://doi.org/10.3390/rs15112932
  23. Pawlik L., Kasprzak M. Regolith properties under trees and the biomechanical effects caused by tree root systems as recognized by electrical resistivity tomography (ERT) // Geomorph. 2017. V. 300. P. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2017.10.002
  24. Pozdnyakova L., Pozdnyakov A., Zhang R. Application of geophysical methods to evaluate hydrology and soil properties in urban areas // Urban Water. 2001. V. 3. P. 205–216.
  25. Pozdnyakova L.A., Trubin A.Yu., Orunbaev S., Manstein Yu.A., Umarova A.B. In-Field Assessment of Soil Salinity and Water Content with Electrical Geophysics // Moscow Univ. Soil Sci. Bull. 2023. V. 78. P. 451–60. https://doi.org/10.3103/S0147687423050034
  26. Ruan W., Liu B., Liu H., Dong H., Sui Y. Ground Penetrating Radar (GPR) Identification Method for Agricultural Soil Stratification in a Typical Mollisols Area of Northeast China // Chinese Geograph. Sci. 2023. V. 33. P. 664–678. https://doi.org/10.1007/s11769-023-1358-9
  27. Ryazantsev P.A., Hartemink A.E., Bakhmet O.N. Delineation and description of soil horizons using ground-penetrating radar for soils under boreal forest in Central Karelia (Russia) // Catena. 2022. V. 214. P. 106285. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106285
  28. Saneiyan S., Ntarlagiannis D., Werkema D. D., Ustra A. Geophysical methods for monitoring soil stabilization processes // J. Appl. Geophys. 2018. V. 148. P. 234–244.
  29. Satriani A., Loperte A., Proto M., Bavusi M. Building damage caused by tree roots: laboratory experiments of GPR and ERT surveys // Adv. Geosci. 2010. V. 24. P. 133–137. https://doi.org/10.5194/adgeo-24-133-2010
  30. Stroganova M., Myagkova A., Prokof’ieva T., Skvortsova I. Soils of Moscow and Urban Environment. M.: PAIMS, 1998. 178 p. https://istina.msu.ru/publications/book/1400986/
  31. Zeyliger A., Chinilin A., Ermolaeva O. Spatial interpolation of gravimetric soil moisture using EM38-mk induction and ensemble machine learning (case study from dry steppe zone in Volgograd region) // Sens. 2022. V. 22. P. 6153. https://doi.org/10.3390/s22166153
  32. Zhang M., Feng X., Bano M., Xing H., Wang T., Liang W., Zhou H., Dong Z., An Y., Zhang Y. Review of Ground Penetrating Radar Applications for Water Dynamics Studies in Unsaturated Zone // Rem. Sens. 2022. V. 14. P. 5993. https://doi.org/10.3390/rs14235993

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Карта фактического материала: 1 – границы участка; 2 – георадарные профили (август 2023), линии съемки методом индукционного электропрофилирования; 3 – георадарные профили, апрель 2024; 4 – профили электротомографии: шаг электродов 1 м; 5 – шаг электродов 0.5 м; 6 – инженерные коммуникации; 7 – скважины; 8 – опорные разрезы.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты лабораторных измерений содержания физической глины (частиц <0.01 мм), диэлектрической проницаемости в образцах из скважин 1 и 2 и удельного электрического сопротивления по методу ВЭЗ (a); георадарный профиль pr05 с обозначением положения скважин, выделенных георадарных комплексов (римские цифры) и границ между ними (b).

Скачать (836KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Рельеф поверхности по данным лазерного сканирования (a); морфология границы между георадарными комплексами I и II. Штриховой линией обозначено положение кабеля электроснабжения с учетом ширины траншеи и засыпки (b).

Скачать (686KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Сезонная динамика удельного электрического сопротивления (УЭС) по данным электротомографии; 1 – граница георадарных комплексов I и II (рис. 2b); 2 – граница, ниже которой практически не наблюдается сезонных изменений УЭС.

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рис. 5. Сезонная изменчивость электропроводности по данным индукционного электропрофилирования (a) и удельного электрического сопротивления по данным электротомографии (b).

Скачать (1MB)
Метаданные
7. Дополнительные материалы
Скачать (587KB)
Метаданные
8. Рис. S1. Морфологическое строение почв согласно полевому описанию.
Скачать (485KB)
Метаданные
9. Рис. S2. Сравнение радарограмм, полученных вдоль профиля pr13 в разные сезоны. Значения времени прихода отражённого сигнала t, скорости V и диэлектрической проницаемости (ε) обозначены на рисунке.
Скачать (6MB)
Метаданные
10. Рис. S3. Сезонная динамика по данным георадиолокации: сравнение радарограмм, полученных вдоль профилей pr09 (а) и pr13 (b) в разные сезоны. Римскими цифрами обозначены георадарные комплексы и границы между ними.
Скачать (3MB)
Метаданные
11. Рис.S4
Скачать (1MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025