ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВ ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОГОФАКТОРА
По материалам VIII Всесоюзного съезда почвоведов(Новосибирск 1989)
и II съездаобщества почвоведов (Санкт-Петербург 1996)
Составилстудент 3 курса кафедры почвоведения и экологии почв Курилов П.И.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящеевремя в связи с всё большей интенсификацией промышленности и сельскогохозяйства становится актуальным установление последствий антропогенноговлияния. В данной работе предпринимается попытка ознакомиться с изученными вданный момент последствиями антропогенного влияния на почву, а так жепроследить развитие представлений об антропогенном влиянии по материалам двухсъездов.
Длясоставления этого реферата я ознакомился с материалами VIII Всесоюзного съездапочвоведов (Новосибирск 1989) и II съезда общества почвоведов (Санкт-Петербург1996).
На VIIIВсесоюзном съезде почвоведов рассматривались в основном вопросы напрямую иликосвенным образом затрагивающие проблемы сельского хозяйства (интенсификациясельского хозяйства, влияние различных почвенных характеристик на плодородие,проблемы рекультивации почв и т.д.), в то время как проблеме измененияфизических характеристик почв подвергшихся антропогенному влиянию уделялосьдостаточно мало внимания. Последствия же антропогенного влияния рассматривалисьв основном с точки зрения их полезности или вредности для сельского хозяйства.Данный подход с моей точки зрения имеет свои плюсы: при рассмотрении измененийфизических характеристик почв подвергшихся антропогенному влиянию, давалисьтакже рекомендации по восстановлению этих характеристик до первоначальногосостояния или по их улучшению. Но у этого подхода есть также и свой минус,который состоит в том, что рассматриваются лишь те физические характеристикипочвы, которые, по мнению авторов, влияют непосредственно на плодородие.
Тематика IIгосъезда общества почвоведов отличалась от тематики VIII Всесоюзного съезда. Припо прежнему большой роли вопросов улучшения сельскохозяйственных характеристикпочв, возросло количество докладов, посвященных изучению взаимосвязи междуразличными почвенными процессами. Возросло также и число работ, характеризующихантропогенное влияние и рассматривающих его последствия для различных видовпочв.
Далее приводится сравнение докладов, посвященныхизучению изменения физических характеристик почв под воздействиемантропогенного фактора, рассмотренных на обоих съездах.
Проблемаантропогенной нагрузки на почву, как говорилось ранее, на сегодняшний деньявляется весьма актуальной. Одним из аспектов антропогенной нагрузки на почвуявляется интенсивная сельскохозяйственная деятельность. Рассмотрим примерывлияния сельскохозяйственной деятельности на почву.
Можновыделить несколько аспектов влияния сельскохозяйственной деятельности на почву:
[
[
[
[
[
К вопросу о влияниисельскохозяйственной техники можно привести исследование Д.И. Золотаревской(Новосибирск 1989, ТСХА, Москва)
Проведено теоретическое иэкспериментальное исследование влияния многократных проходов колесных тракторови других машин на напряженно-деформированное состояние и плотность почвы.
Вязкоупругие (реологические)свойства уплотняющихся почв описаны дифференциальным уравнением первогопорядка, связывающим сжимающие напряжения и скорости изменения напряжении иотносительной осадки почвы. Экспериментально подтверждены пригодность идостоинства практического применения этого уравнения для моделированиязакономерности сжатия исследовавшейся дерново-подзолистой легкосуглинистойпочвы при влажности 18...28%. Разработанными в работе методами определеныхарактеристики вязкоупругих свойств этой почвы при различных значениях ееплотности и скорости деформирования.
Получены приближенныерешения краевых задач о распространении затухающих вязкоупругих волн деформацийсжатия и сдвига, возникающих в почве от воздействия катящихся колес.Распространение волн описано дифференциальными уравнениями с частнымипроизводными четвертого порядка с двумя независимыми переменными с переменнымикоэффициентами. На основе найденных решений предложен метод расчетногоопределения плотности почвы на различной глубине и глубины распространениядеформации в почве после одного прохода и ряда проходов колес по одному следу.Расчеты выполняются с учетом параметров ходовой системы и скорости движениямашины, вязкоупругих свойств эластичных колес, изменения с глубиной начальнойплотности почвы и характеристик ее вязкоупругих свойств по линейной или поквадратичной зависимостям.
Полученные результатыиспользованы для решения ряда вопросов оптимизации параметров ходовых систем колесныхсельскохозяйственных тракторов с учетом агротехнических требований к плотностипочвы.
Сельскохозяйственная техникане только непосредственно оказывает влияние на физические свойства почв благодаряих уплотнению, но и опосредованно. Определенную проблему в этом смыслепредставляет предпосевная обработка. В процессе исследования этого вопроса,была выполенена работа Ж. Икрамовым и Ж. Саидмурадовой, (Институт ПочвоведенияАН УзССР, Ташкент) в 1989 году. Далее приводится краткое описание этой работы.
На полях абсолютногобольшинства хлопкосеющих хозяйств Узбекистана ежегодно применяется интенсивнаяпредпосевная обработка почвы с многократным проходом по полю тяжелых тракторови других почвообрабатывающих орудий. Это приводит к высокому уплотнению пахотногослоя, особенно орошаемых почв пустынной зоны с тяжелым гранулометрическимсоставом которое оказывает отрицательное влияние на многие их физическиесвойства, рост и развитие хлопчатника.
В целях разработки мерборьбы с этим нежелательным явлением авторами в 1985-1989 гг. был проведенполевой опыт на орошаемых тяжелосуглинистых такырных почвах Каршинской степи.
Предпосевная обработка почвыосуществлялась с различной интенсивностью и технологией, т.е. с нарастающимчислом прохода почвообрабатывающих машин перед посевом хлопчатника по обычномуспособу и гребням, где в 3-4 раза сокращается число прохода агрегатов по полюпо сравнению с последним.
По результатам исследованийвыявлено, что более высокое уплотнение и ухудшение ряда агрофизических свойств(водопроницаемость, твердость, качество крошения, структура и др.) почвынаблюдается именно на вариантах опыта с большей кратностью прохода агрегатов пополю. Например, если на варианте опыта: однократным проходом тракторов в двухнаправлениях, величина плотности сложения пахотного слоя (0-30/35см) почвы завегетационный период растений находилась в пределах 1,43-1,52 г/см3,то на варианте с трехкратным проходом агрегатов её величина увеличилась до1,56-1,64 г/см3.
На варианте опыта с посевом хлопчатника по гребням,значения объемной массы почвы за его вегетацию были на уровне её оптимальныхпараметров (1,23-1,40г/см3). Благодаря чему, наилучшие почвенныеусловия для роста, развития и получения высокого урожая хлопчатника создаютсяпри возделывании его на гребнях, чем на других вариантах опыта.
На II съездеобщества почвоведов (Санкт-Петербург 1996) проблема влияния интенсивного сельскохозяйственногоиспользования на почву рассматривалась в общем виде. Примером тому можетслужить представленная далее работа Волокитина М.П., Хана К.Ю., Сона Б.К.( Институтпочвоведения и фотосинтеза РАН Пущино)
Для исследований быливыбраны варианты опыта, отличающиеся по сельскохозяйственному использованиюпочв: 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 нагрузкеподвергался пар, именно в этом варианте опыта отмечены наиболее существенныеизменения в агрофизических свойствах почвы. Содержание водопрочных агрегатов взалуженной серой лесной почве в слое 0-12 см было в 8,9-9,4 раза выше посравнению с пахотным горизонтом почвы, находящейся под паром, и в 1,5-2,4 разапо сравнению с почвой, занятой травами второго года пользования.
Низкая водопрочностьпочвенной структуры в почве под паром отмечалась и в подпахотном горизонте. Этоотразилось на водопроницаемости серой лесной почвы. Коэффициент фильтрации напару был равен 0,11 мм/мин, тогда как в вариантах опыта с травами первого ивторого года пользования 0,30-0,43 мм/мин. Водопроницаемость почвы подпропашными и зерновыми культурами также была неудовлетворительной. Отмеченопереуплотнение серой лесной почвы, используемой в севообороте. К концувегетационного сезона плотность сложения пахотного горизонта возрастала до1,42-1,52 г/см3 в междурядьях сельскохозяйственных культур и до1,52-1,57 г/см3 — по колеям. К весне следующего сезона полногоразуплотнения почвы не происходило. При увеличении плотности сложения серойлесной 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 растениямуменьшалась. С увеличением плотности сложения возрастала механическая прочностьпочвы. Межагрегатное сцепление заметно повышалось при плотности сложения почвысвыше 1,3 г/см3
Для улучшениянеблагоприятных агрофизических свойств пахотной серой лесной почвы необходимопроведение соответствующих мелиоративных мероприятий.
Другой аспектсельскохозяйственного влияния на состояние почв, и, в частности их физическиехарактеристики, — рассмотренная на втором съезде почвоведов проблема влияния пастбищнойнагрузки на гидрофизические свойства почвы. Гаруновым А.А. (Прикаспийскийинститут биологических ресурсов ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) данный вопрос былизучен для Терско-Кумской низменности.
Почвы пастбищ Терско-Кумскойнизменности, расположенные на засоленных морских отложениях, в настоящее времяподвергаются вторичному засолению, вызванному отрицательными последствиямиантропогенных и техногенных воздействий на них. Основной причиной являетсяненормированная пастьба скота и техногенное нарушение пастбища (много автодорогна пастбищах). При нерегламентированной пастьбе скота сильно уплотняетсяверхний слой почвы (1,3-1,4 г/см3), тогда как его значение взаповедном режиме составляет 1,0-1,1 г/см3. Это сопровождаетсяувеличением физического испарения под воздействием сильных ветров (15-30 м/с. иболее).
Коэффициент увлажнения вэтих почвах составляет 0,25-0,30, что остро диктует необходимость обводнениятерритории. В опытах Гарунова и д.р. (ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) максимальноеколичество продуктивной влаги (67,1 т/га) отмечается в слое 20-25 см принагрузке 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 слое0-5 см уменьшается, тогда как с глубиной этот показатель увеличивается. Этообъясняется превышением запасов влаги, приходящихся на единицу объема приотносительно высоких значениях объемной массы.
Важным показателем,характеризующим экологическое состояние почв пастбищ, является изменениесодержания глинистых частиц в слое 0-5 см. Количество частиц размером более0,01 мм при увеличении нагрузки несколько уменьшается, что свидетельствует оразрушении верхних слоев светло-каштановых почв в условиях увеличенияпастбищных 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.
Вэкологическом плане показатели водопроницаемости, полученные для 0-5 см, приувеличении объемной массы по абсолютной величине, приводят к уменьшениюколичества воды, просачивающейся по вертикали за единицу времени.
Как уже указывалось ранеедля второго съезда (1996 г ) характерен более интегральный подход к проблемамантропогенного воздействия на почвы. Примером может послужить рассмотрениеМанучаровым А.С. и Харитоновым Г.В. (Московскийгосударственный университет им. М.В.Ломоносова Институт водных и экологическихпроблем ДВО РАН, Хабаровск) влияния мелиорации на реологические свойствалуговых текстурно–дифференцированных почв Среднеамурской низменности и способовоценки этого влияния.
Трудностисельскохозяйственного использования и оценки влияния осушительной мелиорации напродуктивность луговых текстурно-дифференцированных почв Среднеамурскойнизменности заключаются в том, что своеобразие климатических условий в СреднемПриамурье способствует быстрой минерализации органического вещества, деградациии распылению пахотного слоя.
Исследования Манучарова ид.р.(Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова Институт водныхи экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск) показали применимость реологическихметодов для оценки структурного состояния почв и его изменения в результатемелиорации и освоения. Реологические характеристики исследуемых почвдифференцированы по профилю в соответствии с профильной дифференциациейгранулометрического и микроагрегатного составов и физико-химических свойств привлажности верхней границы пластичности. При влажности максимального набуханиягоризонты различаются по реологическому поведению (цикл нагрузка — разгрузка):гумусово-аккумулятивный горизонт характеризуется тиксотропией, дляэлювиально-глеевого и иллювиального отмечается реопексия, петли которой большев гор. Big, обладающем повышенным содержанием водопрочных агрегатов.
Осушительная мелиорация иосвоение неоднозначно влияют на структурное состояние поверхностных горизонтов:на макро уровне (почвенные макроагрегаты) преобладают процессы дезагрегации, науровне микроагрегатов — процессы агрегации почвенной массы. В пахотномгоризонте резко падает число водопрочных агрегатов, снижаются пределыпрочности, но при этом снижаются тиксотропные свойства горизонта. Вэлювиально-глеевом горизонте также падает число водопрочных макроагрегатов,однако, на микро уровне происходит некоторое улучшение структуры: увеличиваетсякак удельная мощность разрушения структуры, так и пределы прочности структуры.
Внесение лигнинно-пометногокомпоста приводит к улучшению структурно-механических свойств пахотногогоризонта исследуемых почв: по сравнению с контролем повышается уровеньмикроагрегации вещества, реологические кривые характеризуются дилатансией, чтосвязано с увеличением водопрочности структуры горизонта.
В подтверждениевышесказанного об изменении подхода к рассмотрению видов антропогенноговоздействия можно привести также доклад Тихонравовой П.И.(Почвенный институтим, В.В.Докучаева, Москва, 1996) о антропогенном влиянии на процессы теплообменав дерново-подзолистых суглинистых почвах.
Процесс теплообмена в почвеопределяется в первую очередь ее теплофизическими свойствами: теплоемкостью,тепло — и температуропроводностью.
Освоение и интенсивноесельскохозяйственное использование дерново-подзолистых почв, проведениеагротехнических мероприятий приводит к изменению всего комплексатеплофизических показателей.
При распашке целинных (под лесом) и освоениидерново-подзолистых почв в пахотном горизонте наблюдается рост теплофизическихпоказателей, что определяется уменьшением содержания гумуса в результатевовлечения в этот слой rop.A1, А1А2, А2, уплотнением и снижением общейпористости. Меняется характер изменения теплофизических показателей верхнегослоя 0-30 см в процессе увлажнения. Температуропроводность пахотного слояосвоенной почвы в процессе увлажнения возрастает более интенсивно, чемцелинной, интенсивность роста величины теплопроводности имеет иной характер — вцелинной почве она выражена более четко, чем в освоенной. Характер измененияобъемной теплоемкости в процессе увлажнения этих почв практически не меняется.Так, при влажности 23% от объема температуропроводность слоя почвы 0-30 см подлесом составляет 129% от значения этого показателя для абсолютно сухой почвы и138% соответственно для освоенной.
При окультуривании освоенныхпочв, по мере увеличения в пахотном горизонте содержания гумуса, общейпористости, уменьшения плотности сложения происходит изменение теплофизическихпоказателей в сторону их снижения. Тепло — и температуропроводность пахотногогоризонта 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 снижениютеплопроводности 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 ибиология) является наукой имеющей дело со множеством частных случаев в каждомиз которых необходим свой индивидуальный подход. Но, разумеется, почвоведение,как и другие науки, не может существовать без своих парадигм и моделей, которыевносят упорядоченность и возможность систематизации в различные частные, поройнепонятные случаи. На VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск 1989)большое внимание уделялось и моделированию антропогенных нагрузок. Рассмотриммодель уплотнения почвы под действием внешних нагрузок, предложенную С.В.Нерпиным,Б.С.Нерпиным, О.В.Романовым (Агрофизический институт, г. Ленинград, 1989).
Рассматривая деформационныесвойства почвы целесообразно выделить иерархические уровни, различающиеся похарактеру внутренних и внешних связей: макроуровень, к которому относится всяобласть распространения напряжений, возникающих при действии внешних нагрузок;уровень почвенных агрегатов; уровень коллоидных и других почвенных частиц.Дискретность и иерархичность почвенной структуры определяют трансформациюнапряженного состояния при переходе от верхних к нижним уровням структуры.Например, при нулевом значении девиатора напряжений на макроуровне он не равеннулю на следующих уровнях, что и определяет возможность пластического измененияформы почвенных агрегатов. Закономерности, определяющие кинетику деформаций накаждом уровне, выступают затем в обобщенном виде в качестве закономерностей,определяющих равновесие и кинетику на следующем, более высоком уровне. Такзакономерности относительного смещения отдельных коллоидных частиц под действиемсовокупности внешних сил и внутренних поверхностных сил трансформируются взакономерности деформации почвенных агрегатов; затем последние — взакономерности деформации почвы как «сплошной» среды намакроскопическом уровне. Деформационные свойства почвы существенно зависят отсодержания в ней влаги; усадка и набухание почвы меняет прочностные идеформационные её характеристики на всех иерархических уровнях; содержаниевлаги определяет и фильтрационное сопротивление уплотнению особенно призаполнении макропор, когда возможность «внутреннего» стока жидкостиотсутствует. Развитие к настоящему времени теории поверхностных сил вколлоидных системах, почвенная гидромеханика и макроскопическая теориядеформаций вязко-упругопластических тел позволяют перейти от измененных общихконцепций к построению фундаментальных и прикладных математических моделейуплотнения почв под действием движителей сельскохозяйственной техники.
В заключение данногорассмотрения, хотелось бы привести одну из работ 1996 года, носящую обзорно-методологическийхарактер. Автор предлагает основные способы мониторинга за изменениемфизических и технологических свойств почв под действием антропогенной нагрузки.Данная работа была проведена Сапожниковым П.М. (РосНИИземпроект, Москва, 1996)
В условиях интенсивнойантропогенной нагрузки все почвы в той или иной степени подвержены физической итехнологической деградации, которая проявляется на различных уровняхструктурной организации. Своевременная диагностика деградационных измененийфизических и технологических свойств — основное назначение мониторинга.
Основные задачи мониторингафизического состояния почв заключаются в:
¨ контроле за физическим и технологическим состоянием для своевременныхрекомендаций по предотвращению неблагоприятных воздействий;
¨ расчете экологически безопасного уровня агротехнического воздействия напочву.
Методологической основойкомплекса показателей физического и технологического состояния почвы, которыйможет быть использован в целях мониторинга, служит концепция базовыхпоказателей. В систему базовых показателей включены удельная поверхностьтвердой фазы, плотность сложения и плотность твердой фазы, влажность.
На основе единойинформационной базы разработаны принципы мониторинга физического итехнологического состояния почв посредством системы моделей (программныйкомплекс):
модель уплотнения почвсельскохозяйственной техникой с оценкой возможных потерь урожая; определениетехнологических и физико-механических свойств;
определение основной гидрофизической характеристикипочв» рассчитанных по ней значений почвенно-гидрологических констант,коэффициентов фильтрации и влагопроводности.
Программный комплексреализован на ПЭВМ как самостоятельная программная система, функционирующая вдиалоговом режиме.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассматривая материалы обоихсъездов можно прийти к следующим выводам:
Ø По сравнению с общим объемом рассмотренной на съездах информации,количество работ, посвященных вопросу антропогенного влияния на физическиехарактеристики почвы, достаточно не много. Видимо важность данной проблемы небыла достаточно высоко оценена.
Ø Все же следует отметить, что вышеуказанной проблеме было уделено большевнимания на IIсъезде общества почвоведов 1996 года по сравнению сVIII Всесоюзным съездом почвоведов 1989,что позволяет надеяться, что в дальнейшем проблема будет освещаться шире, ибудут найдены оптимальные пути ее решения.
Ø На рассмотренных примерах видно также, что изменился и подход к данному вопросу. Еслина VIII Всесоюзном съезде почвоведов онрассматривался в основном в приложении к проблемам сельского хозяйства, то на IIсъезде общества почвоведов интересы сельского хозяйства учитывались в меньшейстепени, работы носили более фундаментальный характер и содержали меньшепрактических способов решения.
По моему мнению, наиболее приемлемое решениепроблемы изменения физических характеристик почв под действием антропогенногофактора может быть достигнуто только при гармоничном сочетании двухвышеуказанных подходов. Необходимо как глубоко исследовать проблему в целом,так и построить четкий метод ее решения (что возможно только при постепенномпереходе от частностей к общей, интегральной системе).
Так или иначе,человеческая мысль непрерывно эволюционирует. Мы проследили изменение подхода крассмотрению определенной проблемы в рамках двух определенных съездов иубедились в этом. Разумеется, поскольку проблема изменения физических свойствпочв, является вопросом, можно сказать, общечеловеческой важности, внимание кней, несомненно, возрастет в будущем, и постепенно мы выйдем к ее решению. Илипотеряем огромный почвенный фонд …
Список литературы:
1) Волокитин М.П., Хан К.Ю., СонБ.К. Влияние различного сельскохозяйственного использования серой лесной почвына ее агрофизические свойства. //Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С. 68-69.
2) Гарунов А.А. О влиянии пастбищнойнагрузки на гидрофизические свойства почв и процессы опустыниванияТерско-Кумской низменности. //Тезисы докладов II съезда общества почвоведов. 1996 г. Санкт-Петербург. С. 69-70.
3) Золотаревская Д.И. Изменениевязкоупругих свойств и плотности почвы при движении колесных машин//Тезисы докладовVIIIВсесоюзного съездапочвоведов. 1989 г. Новосибирск. с. 130.
4) Икрамов Ж., Саидмурадова Ж.Влияние различной предпосевной обработки почвы на ее физические свойства иразвитие растений.//Тезисы докладовVIIIВсесоюзного съездапочвоведов. 1989 г. Новосибирск. с. 131.
5) Манучаров А.С., ХаритоновГ.В. Реологические свойства луговых текстурно-дифференцированных почвСреднеамурской низменности и их изменения под воздействием антропогенногофактора. //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 внешнихнагрузок. //Тезисы докладовVIIIВсесоюзного съездапочвоведов. 1989 г. Новосибирск. с.137.
7) Сапожников П.М. Мониторингфизических и технологических свойств почв при антропогенном воздействии.//Тезисы докладов II съезда общества почвоведов.1996 г. Санкт-Петербург. с. 136.
8) Тихонравова П.И. Изменениепроцесса теплообмена в дерново-подзолистых суглинистых почвах при антропогенномвоздействии//Тезисы докладов II съезда общества почвоведов.1996 г. Санкт-Петербург. С. 118-119.