Изменение физических характеристик почв под влиянием антропогенного фактора

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в связи с всё большей интенсификацией промышленности и сельского хозяйства становится актуальным установление последствий антропогенного влияния. В данной работе предпринимается попытка ознакомиться с изученными в данный момент последствиями антропогенного влияния на почву, а так же проследить развитие представлений об антропогенном влиянии по материалам двух съездов.

Для составления этого реферата я ознакомился с материалами VIII Всесоюзного съезда почвоведов (Новосибирск 1989) и II съезда общества почвоведов (Санкт-Петербург 1996).

На VIII Всесоюзном съезде почвоведов рассматривались в основном вопросы напрямую или косвенным образом затрагивающие проблемы сельского хозяйства (интенсификация сельского хозяйства, влияние различных почвенных характеристик на плодородие, проблемы рекультивации почв и т.д.), в то время как проблеме изменения физических характеристик почв подвергшихся антропогенному влиянию уделялось достаточно мало внимания. Последствия же антропогенного влияния рассматривались в основном с точки зрения их полезности или вредности для сельского хозяйства. Данный подход с моей точки зрения имеет свои плюсы: при рассмотрении изменений физических характеристик почв подвергшихся антропогенному влиянию, давались также рекомендации по восстановлению этих характеристик до первоначального состояния или по их улучшению. Но у этого подхода есть также и свой минус, который состоит в том, что рассматриваются лишь те физические характеристики почвы, которые, по мнению авторов, влияют непосредственно на плодородие.

Тематика IIго съезда общества почвоведов отличалась от тематики VIII Всесоюзного съезда. При по прежнему большой роли вопросов улучшения сельскохозяйственных характеристик почв, возросло количество докладов, посвященных изучению взаимосвязи между различными почвенными процессами. Возросло также и число работ, характеризующих антропогенное влияние и рассматривающих его последствия для различных видов почв.

Далее приводится сравнение докладов, посвященных изучению изменения физических характеристик почв под воздействием антропогенного фактора, рассмотренных на обоих съездах.

Проблема антропогенной нагрузки на почву, как говорилось ранее, на сегодняшний день является весьма актуальной. Одним из аспектов антропогенной нагрузки на почву является интенсивная сельскохозяйственная деятельность. Рассмотрим примеры влияния сельскохозяйственной деятельности на почву.

Можно выделить несколько аспектов влияния сельскохозяйственной деятельности на почву:

• Влияние вследствие уплотнения сельскохозяйственной техникой
• Разрушение структуры вследствие применения различных способов вспашки и культивации
• Уплотнение почв вследствие выпаса скота
• Влияние поливов на водный режим, соотношение водной и газовой фаз почвы, на уровень грунтовых вод, засоление и т.д.
• Влияние удобрений и д.р. веществ, применяемых в сельском хозяйстве, на химический состав, структуру, состав почвенной биоты

К вопросу о влиянии сельскохозяйственной техники можно привести исследование Д.И. Золотаревской (Новосибирск 1989,ТСХА, Москва)

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния многократных проходов колесных тракторов и других машин на напряженно-деформированное состояние и плотность почвы.

Вязкоупругие (реологические) свойства уплотняющихся почв описаны дифференциальным уравнением первого порядка, связывающим сжимающие напряжения и скорости изменения напряжении и относительной осадки почвы. Экспериментально подтверждены пригодность и достоинства практического применения этого уравнения для моделирования закономерности сжатия исследовавшейся дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы при влажности 18...28%. Разработанными в работе методами определены характеристики вязкоупругих свойств этой почвы при различных значениях ее плотности и скорости деформирования.

Полученные результаты использованы для решения ряда вопросов оптимизации параметров ходовых систем колесных сельскохозяйственных тракторов с учетом агротехнических требований к плотности почвы.

Сельскохозяйственная техника не только непосредственно оказывает влияние на физические свойства почв благодаря их уплотнению, но и опосредованно. Определенную проблему в этом смысле представляет предпосевная обработка. В процессе исследования этого вопроса, была выполенена работа Ж. Икрамовым и Ж. Саидмурадовой, (Институт Почвоведения АН УзССР, Ташкент) в 1989 году. Далее приводится  краткое описание этой работы.

На полях абсолютного большинства хлопкосеющих хозяйств Узбекистана ежегодно применяется интенсивная предпосевная обработка почвы с многократным проходом по полю тяжелых тракторов и других почвообрабатывающих орудий. Это приводит к высокому уплотнению пахотного слоя, особенно орошаемых почв пустынной зоны с тяжелым гранулометрическим составом которое оказывает отрицательное влияние на многие их физические свойства, рост и развитие хлопчатника.

В целях разработки мер борьбы с этим нежелательным явлением авторами в 1985-1989 гг. был проведен полевой опыт на орошаемых тяжелосуглинистых такырных почвах Каршинской степи.

Предпосевная обработка почвы осуществлялась с различной интенсивностью и технологией, т.е. с нарастающим числом прохода почвообрабатывающих машин перед посевом хлопчатника по обычному способу и гребням, где в 3-4 раза сокращается число прохода агрегатов по полю по сравнению с последним.

По результатам исследований выявлено, что более высокое уплотнение и ухудшение ряда агрофизических свойств (водопроницаемость, твердость, качество крошения, структура и др.) почвы наблюдается именно на вариантах опыта с большей кратностью прохода агрегатов по полю. Например, если на варианте опыта: однократным проходом тракторов в двух направлениях, величина плотности сложения пахотного слоя (0-30/35см) почвы за вегетационный период растений находилась в пределах 1,43-1,52 г/см3, то на варианте с трехкратным проходом агрегатов её величина увеличилась до 1,56-1,64 г/см3.

На варианте опыта с посевом хлопчатника по гребням, значения объемной массы почвы за его вегетацию были на уровне её оптимальных параметров (1,23-1,40г/см3). Благодаря чему, наилучшие почвенные условия для роста, развития и получения высокого урожая хлопчатника создаются при возделывании его на гребнях, чем на других вариантах опыта.

На II съезде общества почвоведов (Санкт-Петербург 1996) проблема влияния интенсивного сельскохозяйственного использования на почву рассматривалась в общем виде. Примером тому может служить представленная далее работа Волокитина М.П., Хана К.Ю., Сона Б.К.( Институт почвоведения и фотосинтеза РАН Пущино)

Для исследований были выбраны варианты опыта, отличающиеся по сельскохозяйственному использованию почв: бессменный чистый пар (5 лет), не косимый луг (7 лет), косимый луг (12 лет), а также озимая пшеница с подсевом трав и травы второго года пользования, находящиеся в пятипольном севообороте. Несмотря на то, что минимальной нагрузке подвергался пар, именно в этом варианте опыта отмечены наиболее существенные изменения в агрофизических свойствах почвы. Содержание водопрочных агрегатов в залуженной серой лесной почве в слое 0-12 см было в 8,9-9,4 раза выше по сравнению с пахотным горизонтом почвы, находящейся под паром, и в 1,5-2,4 раза по сравнению с почвой, занятой травами второго года пользования.

Низкая водопрочность почвенной структуры в почве под паром отмечалась и в подпахотном горизонте. Это отразилось на водопроницаемости серой лесной почвы. Коэффициент фильтрации на пару был равен 0,11 мм/мин, тогда как в вариантах опыта с травами первого и второго года пользования 0,30-0,43 мм/мин. Водопроницаемость почвы под пропашными и зерновыми культурами также была неудовлетворительной. Отмечено переуплотнение серой лесной почвы, используемой в севообороте. К концу вегетационного сезона плотность сложения пахотного горизонта возрастала до 1,42-1,52 г/см3 в междурядьях сельскохозяйственных культур и до 1,52-1,57 г/см3 - по колеям. К весне следующего сезона полного разуплотнения почвы не происходило. При увеличении плотности сложения серой лесной почвы с 1,14 до 1,51 г/см3 ее наименьшая влагоемкость (г воды /г почвы) снижалась с 0,42 единицы до 0,24. Доступность воды растениям уменьшалась. С увеличением плотности сложения возрастала механическая прочность почвы. Межагрегатное сцепление заметно повышалось при плотности сложения почвы свыше 1,3 г/см3

Для улучшения неблагоприятных агрофизических свойств пахотной серой лесной почвы необходимо проведение соответствующих мелиоративных мероприятий.

Другой аспект сельскохозяйственного влияния на состояние почв, и , в частности их физические характеристики, - рассмотренная на втором съезде почвоведов проблема влияния пастбищной нагрузки на гидрофизические свойства почвы. Гаруновым А.А. (Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) данный вопрос был изучен для Терско-Кумской низменности.

Почвы пастбищ Терско-Кумской низменности, расположенные на засоленных морских отложениях, в настоящее время подвергаются вторичному засолению, вызванному отрицательными последствиями антропогенных и техногенных воздействий на них. Основной причиной является ненормированная пастьба скота и техногенное нарушение пастбища (много автодорог на пастбищах). При нерегламентированной пастьбе скота сильно уплотняется верхний слой почвы (1,3-1,4 г/см3), тогда как его значение в заповедном режиме составляет 1,0-1,1 г/см3. Это сопровождается увеличением физического испарения под воздействием сильных ветров (15-30 м/с. и более).

Коэффициент увлажнения в этих почвах составляет 0,25-0,30, что остро диктует необходимость обводнения территории. В опытах Гарунова и д.р. (ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) максимальное количество продуктивной влаги (67,1 т/га) отмечается в слое 20-25 см при нагрузке 3-4 овцы на 1 га, минимальное количество (24,0 т/га) в слое 0-5 см. Следует отметить, что с увеличением нагрузок запас продуктивной влаги в слое 0-5 см уменьшается, тогда как с глубиной этот показатель увеличивается. Это объясняется превышением запасов влаги, приходящихся на единицу объема при относительно высоких значениях объемной массы.

Важным показателем, характеризующим экологическое состояние почв пастбищ, является изменение содержания глинистых частиц в слое 0-5 см. Количество частиц размером более 0,01 мм при увеличении нагрузки несколько уменьшается, что свидетельствует о разрушении верхних слоев светло-каштановых почв в условиях увеличения пастбищных нагрузок: при плотности 1 овца на 1 га количество их составляет 29,5 %, при уменьшении отводимой на одну овцу площади 0,25 га оно составляет 25,4 "/о.

В экологическом плане показатели водопроницаемости, полученные для 0-5 см, при увеличении объемной массы по абсолютной величине, приводят к уменьшению количества воды, просачивающейся по вертикали за единицу времени.

Как уже указывалось ранее для второго съезда (1996 г ) характерен более интегральный подход к проблемам антропогенного воздействия на почвы. Примером может послужить рассмотрение Манучаровым А.С. и Харитоновым  Г.В. (Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск) влияния мелиорации на реологические свойства луговых текстурно–дифференцированных почв Среднеамурской низменности и способов оценки этого влияния.

Трудности сельскохозяйственного использования и оценки влияния осушительной мелиорации на продуктивность луговых текстурно-дифференцированных почв Среднеамурской низменности заключаются в том, что своеобразие климатических условий в Среднем Приамурье способствует быстрой минерализации органического вещества, деградации и распылению пахотного слоя.

Исследования Манучарова и д.р.(Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск) показали применимость реологических методов для оценки структурного состояния почв и его изменения в результате мелиорации и освоения. Реологические характеристики исследуемых почв дифференцированы по профилю в соответствии с профильной дифференциацией гранулометрического и микроагрегатного составов и физико-химических свойств при влажности верхней границы пластичности. При влажности максимального набухания горизонты различаются по реологическому поведению (цикл нагрузка - разгрузка): гумусово-аккумулятивный горизонт характеризуется тиксотропией, для элювиально-глеевого и иллювиального отмечается реопексия, петли которой больше в гор. Big, обладающем повышенным содержанием водопрочных агрегатов.

Осушительная мелиорация и освоение неоднозначно влияют на структурное состояние поверхностных горизонтов: на макро уровне (почвенные макроагрегаты) преобладают процессы дезагрегации, на уровне микроагрегатов - процессы агрегации почвенной массы. В пахотном горизонте резко падает число водопрочных агрегатов, снижаются пределы прочности, но при этом снижаются тиксотропные свойства горизонта. В элювиально-глеевом горизонте также падает число водопрочных макроагрегатов, однако, на микро уровне происходит некоторое улучшение структуры: увеличивается как удельная мощность разрушения структуры, так и пределы прочности структуры.

В подтверждение вышесказанного об изменении подхода к рассмотрению видов антропогенного воздействия можно привести также доклад Тихонравовой П.И.(Почвенный институт им,В.В.Докучаева, Москва, 1996) о антропогенном влиянии на процессы теплообмена в дерново-подзолистых суглинистых почвах.

Процесс теплообмена в почве определяется в первую очередь ее теплофизическими свойствами: теплоемкостью, тепло - и температуропроводностью.

Освоение и интенсивное сельскохозяйственное использование дерново-подзолистых почв, проведение агротехнических мероприятий приводит к изменению всего комплекса теплофизических показателей.

При распашке целинных (под лесом) и освоении дерново-подзолистых почв в пахотном горизонте наблюдается рост теплофизических показателей, что определяется уменьшением содержания гумуса в результате вовлечения в этот слой rop.A1, А1А2, А2, уплотнением и снижением общей пористости. Меняется характер изменения теплофизических показателей верхнего слоя 0-30 см в процессе увлажнения. Температуропроводность пахотного слоя освоенной почвы в процессе увлажнения возрастает более интенсивно, чем целинной, интенсивность роста величины теплопроводности имеет иной характер - в целинной почве она выражена более четко, чем в освоенной. Характер изменения объемной теплоемкости в процессе увлажнения этих почв практически не меняется. Так, при влажности 23% от объема температуропроводность слоя почвы 0-30 см под лесом составляет 129% от значения этого показателя для абсолютно сухой почвы и 138% соответственно для освоенной.

При окультуривании освоенных почв, по мере увеличения в пахотном горизонте содержания гумуса, общей пористости, уменьшения плотности сложения происходит изменение теплофизических показателей в сторону их снижения. Тепло - и температуропроводность пахотного горизонта высоко окультуренной (гумуса около 4,5 %, плотность 1,07-1,10 г/см3) почвы при оптимальном увлажнении в 1,8 раза ниже освоенной (по сравнению с гор. А1 целинной только в 1,3 раза).

Глубокое (на 50-60 см) рыхление подпахотных горизонтов дерново-подзолистых почв способствует снижению теплопроводности в зоне рыхления в среднем в 1,5 раз, температуропроводности - в 1,3 раза, объемной теплоемкости - в 1,1 раз по сравнению с контролем.

Почвоведение (равно как и биология) является наукой имеющей дело со множеством частных случаев в каждом из которых необходим свой индивидуальный подход. Но, разумеется, почвоведение, как и другие науки, не может существовать без своих парадигм и моделей, которые вносят упорядоченность и возможность систематизации в различные частные, порой непонятные случаи. На VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск 1989) большое внимание уделялось и моделированию антропогенных нагрузок. Рассмотрим модель уплотнения почвы под действием внешних нагрузок, предложенную С.В.Нерпиным, Б.С.Нерпиным, О.В.Романовым (Агрофизический институт, г. Ленинград, 1989).

Рассматривая деформационные свойства почвы целесообразно выделить иерархические уровни, различающиеся по характеру внутренних и внешних связей: макроуровень, к которому относится вся область распространения напряжений, возникающих при действии внешних нагрузок; уровень почвенных агрегатов; уровень коллоидных и других почвенных частиц. Дискретность и иерархичность почвенной структуры определяют трансформацию напряженного состояния при переходе от верхних к нижним уровням структуры. Например, при нулевом значении девиатора напряжений на макроуровне он не равен нулю на следующих уровнях, что и определяет возможность пластического изменения формы почвенных агрегатов. Закономерности, определяющие кинетику деформаций на каждом уровне, выступают затем в обобщенном виде в качестве закономерностей, определяющих равновесие и кинетику на следующем, более высоком уровне. Так закономерности относительного смещения отдельных коллоидных частиц под действием совокупности внешних сил и внутренних поверхностных сил трансформируются в закономерности деформации почвенных агрегатов; затем последние - в закономерности деформации почвы как "сплошной" среды на макроскопическом уровне. Деформационные свойства почвы существенно зависят от содержания в ней влаги; усадка и набухание почвы меняет прочностные и деформационные её характеристики на всех иерархических уровнях; содержание влаги определяет и фильтрационное сопротивление уплотнению особенно при заполнении макропор, когда возможность "внутреннего" стока жидкости отсутствует. Развитие к настоящему времени теории поверхностных сил в коллоидных системах, почвенная гидромеханика и макроскопическая теория деформаций вязко-упругопластических тел позволяют перейти от измененных общих концепций к построению фундаментальных и прикладных математических моделей уплотнения почв под действием движителей сельскохозяйственной техники.

В заключение данного рассмотрения, хотелось бы привести одну из работ 1996 года, носящую обзорно-методологический характер. Автор предлагает основные способы мониторинга за изменением физических и технологических свойств почв под действием антропогенной нагрузки. Данная работа была проведена Сапожниковым П.М. (РосНИИземпроект, Москва, 1996)

В условиях интенсивной антропогенной нагрузки все почвы в той или иной степени подвержены физической и технологической деградации, которая проявляется на различных уровнях структурной организации. Своевременная диагностика деградационных изменений физических и технологических свойств - основное назначение мониторинга.

Основные задачи мониторинга физического состояния почв заключаются в:

• контроле за физическим и технологическим состоянием для своевременных рекомендаций по предотвращению неблагоприятных воздействий;
• расчете экологически безопасного уровня агротехнического воздействия на почву.

Методологической основой комплекса показателей физического и технологического состояния почвы, который может быть использован в целях мониторинга, служит концепция базовых показателей. В систему базовых показателей включены удельная поверхность твердой фазы, плотность сложения и плотность твердой фазы, влажность.

На основе единой информационной базы разработаны принципы мониторинга физического и технологического состояния почв посредством системы моделей (программный комплекс):

модель уплотнения почв сельскохозяйственной техникой с оценкой возможных потерь урожая; определение технологических и физико-механических свойств;

определение основной гидрофизической характеристики почв» рассчитанных по ней значений почвенно-гидрологических констант, коэффициентов фильтрации и влагопроводности.

Программный комплекс реализован на ПЭВМ как самостоятельная программная система, функционирующая в диалоговом режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассматривая материалы обоих съездов можно прийти к  следующим выводам:

• Все же следует отметить, что вышеуказанной проблеме было уделено больше внимания на II съезде общества почвоведов 1996 года по сравнению с VIII Всесоюзным  съездом почвоведов 1989, что позволяет надеяться, что в дальнейшем проблема будет освещаться шире, и будут найдены оптимальные пути ее решения.
• На рассмотренных примерах видно также,  что изменился и подход к данному вопросу. Если на VIII Всесоюзном  съезде почвоведов он рассматривался в основном в приложении к проблемам сельского хозяйства, то на II съезде общества почвоведов интересы сельского хозяйства учитывались в меньшей степени, работы носили более фундаментальный характер и содержали меньше практических способов решения.

По моему мнению, наиболее приемлемое решение проблемы изменения физических характеристик почв под действием антропогенного фактора может быть достигнуто только при гармоничном сочетании двух вышеуказанных подходов. Необходимо как глубоко исследовать проблему в целом, так и построить четкий метод ее решения (что возможно только при постепенном переходе от частностей к общей, интегральной системе).

Так или иначе, человеческая мысль непрерывно эволюционирует. Мы проследили изменение подхода к рассмотрению определенной проблемы в рамках двух определенных съездов и убедились в этом. Разумеется, поскольку проблема изменения физических свойств почв, является вопросом, можно сказать, общечеловеческой важности, внимание к ней, несомненно, возрастет в будущем, и постепенно мы выйдем к ее решению. Или потеряем огромный почвенный фонд …

Список литературы:

1)   Волокитин М.П., Хан К.Ю., Сон Б.К. Влияние различного сельскохозяйственного использования серой лесной почвы на ее агрофизические свойства. // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С. 68-69.

2)   Гарунов А.А. О влиянии пастбищной нагрузки на гидрофизические свойства почв и процессы опустынивания Терско-Кумской низменности. // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С. 69-70.

3)   Золотаревская Д.И. Изменение вязкоупругих свойств и плотности почвы при движении колесных машин// Тезисы докладов VIII Всесоюзного съезда почвоведов. 1989 г. Новосибирск. с. 130.

4)   Икрамов Ж., Саидмурадова Ж. Влияние различной предпосевной обработки почвы на ее физические свойства и развитие растений.// Тезисы докладов VIII Всесоюзного съезда почвоведов. 1989 г. Новосибирск. с. 131.

5)   Манучаров А.С., Харитонов Г.В. Реологические свойства луговых текстурно-дифференцированных почв Среднеамурской низменности и их изменения под воздействием антропогенного фактора. // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С.96-97.

6)   Нерпин С.В., Нерпин Б.С., Романов О.В. Концептуальная модель уплотнения почвы под действием внешних нагрузок. // Тезисы докладов VIII Всесоюзного съезда почвоведов. 1989 г. Новосибирск. с.137.

7)   Сапожников П.М. Мониторинг физических и технологических свойств почв при антропогенном воздействии. // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. с. 136.

8)   Тихонравова П.И. Изменение процесса теплообмена в дерново-подзолистых суглинистых почвах при антропогенном воздействии// Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С. 118-119.