Изменение физических характеристик почв под влиянием антропогенного фактора

ВВЕДЕНИЕ В настоящее время в связи с всё большей интенсификацией промышленности и сельс кого хозяйства ст ановится актуальным уста новление последствий антропогенного влияния . В данной работе предпринимается попытка ознакоми ться с изученными в данный момент последс твиями антропогенного влияния на почву , а так же проследить развитие представлений об антропогенн о м влиянии по материа лам двух съездов . Для составления этого реферата я озна комился с материалами VIII Всесоюзного съезда по чвоведов (Новосибирск 1989) и II съезда общества поч воведов (Санкт-Петербург 1996). На VIII Всесоюзном съезде почвоведов рассмат рив ались в основном вопросы напрямую или косвенным образом затрагивающие проблемы сельского хозяйства (интенсификация сельского хоз яйства , влияние различных почвенных характеристик на плодородие , проблемы рекультивации почв и т.д .), в то время как проблеме и з менения физических характеристик поч в подвергшихся антропогенному влиянию уделялось достаточно мало внимания . Последствия же антропогенного влияния рассматривались в основно м с точки зрения их полезности или вр едности для сельского хозяйства . Данный подхо д с моей точки зрения имеет свои плюсы : при рассмотрении изменений физиче ских характеристик почв подвергшихся антропогенн ому влиянию , давались также рекомендации по восстановлению этих характеристик до первонача льного состояния или по их улучшению . Но у эт о го подхода есть также и свой минус , который состоит в том , что рассматриваются лишь те физические харак теристики почвы , которые , по мнению авторов , влияют непосредственно на плодородие. Тематика II го съезда общества почвоведов отличалась от т ематики VIII В сесоюзного съезда . При по п режнему большой роли вопросов улучшения сельс кохозяйственных характеристик почв , возросло коли чество докладов , посвященных изучению взаимосвязи между различными почвенными процессами . Возр осло также и число работ , характеризующи х антропогенное влияние и рассматри вающих его последствия для различных видов почв . Далее приводится сравнение доклад ов , посвященных изучению изменения физических характеристик почв под воздействием антропогенно го фактора , рассмотренных на обоих съездах . Проблема антропогенной нагрузки н а почву , как говорилось ранее , на сегодняш ний день является весьма актуальной . Одним из аспектов антропогенной нагрузки на почв у является интенсивная сельскохозяйственная деят ельность . Рассмотрим примеры влияния сельскохо зяйственной деятельности на почву. Можно выделить несколько аспектов влияния сельскохозяйственной деятельности на почву : [ Влияние всле дствие уплотнения сельскохозяйственной техникой [ Разрушение с труктуры вследствие применения различных способо в вспашк и и культивации [ Уплотнение п очв вследствие выпаса скота [ Влияние поли вов на водный режим , соотношение водной и газовой фаз почвы , на уровень грунтовых вод , засоление и т.д. [ Влияние удоб рений и д.р . веществ , применяемых в сельско м хозяйстве , на хими ческий состав , стр уктуру , состав почвенной биоты К вопросу о влиянии сельск охозяйственной техники можно привести исследован ие Д.И . Золотаревской (Новосибирск 1989,ТСХА , Москв а ) Проведено теоретическое и экспериментальное исследование влияния многократных проходов колесных тракторов и других машин на напряженно-деформированное состояние и плотность почвы. Вязкоупругие (реологические ) свойства уплотняю щихся почв описаны дифференциальным уравнением первого порядка , связывающим сжимающие напряжен ия и скорости изменения напряжении и относительной осадки почвы . Экспериментально по дтверждены пригодность и достоинства практическо го применения этого уравнения для моделирован ия закономерности сжатия исследовавшейся дерново- подзолистой легкосуглинистой почвы при влаж н ости 18...28%. Разработанными в работе методами определены характеристики вязкоупругих свойств этой почвы при различных значениях ее плотности и скорости деформирования. Получены приближенные решения краевых зад ач о распространении затухающих вязкоупругих волн деформаций сжатия и сдвига , возни кающих в почве от воздействия катящихся к олес . Распространение волн описано дифференциальн ыми уравнениями с частными производными четве ртого порядка с двумя независимыми переменным и с переменными коэффициентами . На ос н ове найденных решений предложен метод расчетного определения плотности почвы на различной глубине и глубины распространения д еформации в почве после одного прохода и ряда проходов колес по одному следу . Расчеты выполняются с учетом параметров ходов ой сист е мы и скорости движения машины , вязкоупругих свойств эластичных колес , изменения с глубиной начальной плотности почвы и характеристик ее вязкоупругих свой ств по линейной или по квадратичной завис имостям. Полученные результаты использованы для ре шения ряда в опросов оптимизации параметро в ходовых систем колесных сельскохозяйственных тракторов с учетом агротехнических требований к плотности почвы. Сельскохозяйственная техника не только не посредственно оказывает влияние на физические свойства почв благодаря их уплотнению , но и опосредованно . Определенную проблему в этом смысле представляет предпосевная обрабо тка . В процессе исследования этого вопроса , была выполенена работа Ж . Икрамовым и Ж . Саидмурадовой , (Институт Почвоведения АН УзСС Р , Ташкент ) в 1989 году . Д алее привод ится краткое описание этой работы. На полях абсолютного большинства хлопкосе ющих хозяйств Узбекистана ежегодно применяется интенсивная предпосевная обработка почвы с многократным проходом по полю тяжелых трак торов и других почвообрабатывающих о рудий . Это приводит к высокому уплотнению пахот ного 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 орошае мых тяжелосуглинистых такырных почвах Каршинской степи. Предпосевная обработка почвы осуществлялась с различной интенсивностью и технологией , т.е . с нарас тающим числом прохода по чвообрабатывающих машин перед посевом хлопчатник а 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 о пыта с большей кратностью прохода агрегатов по полю . Например , если на варианте оп ыта : однократным проходом т ракторов в двух направлениях , величина плотности сложе ния пахотного слоя (0-30/35см ) почвы за вегетаци онный период растений находилась в пределах 1,43-1,52 г /см 3 , то на варианте с трехкратным проходом агрегатов её величина увеличилась до 1,56-1,64 г /см 3 . Н а варианте опыта с п осевом хлопчатника по гребням , значения объем ной массы почвы за его вегетацию были на уровне её оптимальных параметров (1,23-1,40г /см 3 ). Благодаря ч ему , наилучшие почвенные условия для роста , развития и получения высокого урожая хлопч ат ника создаются при возделывании его на гребнях , чем на других вариантах опы та. На II съезде общества почвоведов (Санкт-Петербург 1996) проблема влияния интенсивного сельскохозяйственного использования на почву р ассматривалась в общем виде . Примером тому мо жет служить представленная далее раб ота Волокитина М.П ., Хана К.Ю ., Сона Б.К .( И нститут почвоведения и фотосинтеза РАН Пущино ) Для исследований были выбраны варианты опыта , отличающиеся по сельскохозяй ственному использованию почв : бессменный чистый пар (5 лет ), не косимый луг (7 лет ), кос имый луг (12 лет ), а также озимая пшеница с подсевом трав и травы второго года пользования , находящиеся в пятипольном севооборот е . Несмотря на то , что минимальной нагрузк е подвергался пар , именно в этом варианте опыта отме ч ены наиболее существе нные изменения в агрофизических свойствах поч вы . Содержание водопрочных агрегатов в залуже нной серой лесной почве в слое 0-12 см бы ло в 8,9-9,4 раза выше по сравнению с пахот ным горизонтом почвы , находящейся под паром , и в 1,5-2,4 раз а по сравнению с почвой , занятой травами второго года пользо вания . Низкая водопрочность почвенной структуры в почве под паром отмечалась и в подп ахотном горизонте . Это отразилось на водопрон ицаемости серой лесной почвы . Коэффициент фил ьтрации на пару был р авен 0,11 мм /мин , тогда как в вариантах опыта с травам и первого и второго года пользования 0,30-0,43 м м /мин . Водопроницаемость почвы под пропашными и зерновыми культурами также была неудов летворительной . Отмечено переуплотнение серой лес ной почвы , использ у емой в севообор оте . К концу вегетационного сезона плотность сложения пахотного горизонта возрастала до 1,42-1,52 г /см 3 в междурядьях сельскохозяйственных культур и до 1,52-1,57 г /см 3 - по колеям . К весне следующего сезон а полного разуплотнения почвы не про и сходило . При увеличении плотности сложения се рой лесной почвы с 1,14 до 1,51 г /см 3 ее наименьшая вл агоемкость (г воды /г почвы ) снижалась с 0,42 единицы до 0,24. Доступность воды растениям у меньшалась . С увеличением плотности сложения возрастала механичес кая прочность почвы . Межагрегатное сцепление заметно повышалось при плотности сложения почвы свыше 1,3 г /см 3 Для улучшения неблагоприятных агрофизических свойств пахотной серой лесной почвы необ ходимо проведение соответствующих мелиоративных мероприятий. Д ругой аспект сельскохозяйственного в лияния на состояние почв , и , в частности их физические характеристики , - рассмотренная на втором съезде почвоведов проблема влияния пастбищной нагрузки на гидрофизические свойств а почвы . Гаруновым А.А . (Прикаспийский и н ститут 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 последстви ями антропогенных и техногенных воздействий н а них . Основной причиной является ненормирова нная пастьба скота и техногенное нарушение пастбища (много автодорог на пастбищах ). При нерегламентированной пастьбе скота сильно уплотняется верхний слой почвы (1,3-1,4 г /см 3 ), тог да как его значение в заповедном режиме составляет 1,0-1,1 г /см 3 . Это сопровождается увеличением физич еского испарения под воздействием сильных вет ров (15-30 м /с . и более ). Коэффициент увлажнения в этих по ч вах составляет 0,25-0,30, что остро диктует необходим ость обводнения территории . В опытах Гарунова и д.р . (ДНЦ РАН , Махачкала , 1996) максимальное количество продуктивной влаги (67,1 т /га ) отмеч ается в слое 20-25 см при нагрузке 3-4 овцы н а 1 га , минималь н ое 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 единиц у объема при относительно высоких значениях объемной масс ы. Важным показателем , характеризующим экологиче ское состояние почв пастбищ , является изменен ие содержания глинистых частиц в слое 0-5 см . Количество частиц размером более 0,01 мм пр и увеличении нагру зки несколько уменьшает ся , что свидетельствует о разрушении верхних слоев светло-каштановых почв в условиях у величения пастбищных нагрузок : при плотности 1 овца на 1 га количество их составляет 29,5 %, пр и уменьшении отводимой на одну овцу площа ди 0,25 га оно составляет 25,4 "/о. В экологическом плане показатели водопроницаемости , полученные для 0-5 см , при увеличении объемной массы по абсолютной ве личине , приводят к уменьшению количества воды , просачивающейся по вертикали за единицу времени. Как уже указыв алось ра нее для второго съезда (1996 г ) характерен бол ее интегральный подход к проблемам антропоген ного воздействия на почвы . Примером может послужить рассмотрение Манучаровым А.С . и Хари тоновым Г.В . (Московский государственный университ ет им . М.В.Ломон о сова Институт водн ых и экологических проблем ДВО РАН , Хабаро вск ) влияния мелиорации на реологические свой ства луговых текстурно– дифференцированных почв Среднеамурской низменности и способов оценки этого влияния . Трудности сельскохозяйственного и спользовани я и оценки влияния осушительно й мелиорации на продуктивность луговых тексту рно-дифференцированных почв Среднеамурской низменност и заключаются в том , что своеобразие клима тических условий в Среднем Приамурье способст вует быстрой минерализации органического вещества , деградации и распылению пахотно го слоя. Исследования Манучарова и д.р .(Московский государственный университет им . М.В.Ломоносова Институт водных и экологических проблем ДВ О РАН , Хабаровск ) показали применимость реолог ических методов для оценки ст руктурного состояния почв и его изменения в рез ультате мелиорации и освоения . Реологические характеристики исследуемых почв дифференцированы по профилю в соответствии с профильной ди фференциацией гранулометрического и микроагрегатного составов и физико-хи м ических свой ств при влажности верхней границы пластичност и . При влажности максимального набухания гори зонты различаются по реологическому поведению (цикл нагрузка - разгрузка ): гумусово-аккумулятивный горизонт характеризуется тиксотропией , для элюв иально- г леевого и иллювиального отмеч ается реопексия , петли которой больше в го р . B ig , обладающем повышенным содержанием водопрочных агрегатов. Осушительная мелиорация и освоение неодно значно влияют на структурное состояние поверх ностных горизонтов : на макро уровн е (п очвенные макроагрегаты ) преобладают процессы деза грегации , на уровне микроагрегатов - процессы а грегации почвенной массы . В пахотном горизонт е резко падает число водопрочных агрегатов , снижаются пределы прочности , но при этом снижаются тиксотропные св о йства го ризонта . В элювиально-глеевом горизонте также падает число водопрочных макроагрегатов , однако , на микро уровне происходит некоторое улучш ение структуры : увеличивается как удельная мо щность разрушения структуры , так и пределы прочности структуры. Вн есение лигнинно-пометного компоста приводит к улучшению структурно-механических свой ств пахотного горизонта исследуемых почв : по сравнению с контролем повышается уровень микроагрегации вещества , реологические кривые х арактеризуются дилатансией , что связан о с увеличением водопрочности структуры горизонта. В подтверждение вышесказанного об изменен ии подхода к рассмотрению видов антропогенног о воздействия можно привести также доклад Тихонравовой П.И .(Почвенный институт им,В.В.Докуча ева , Москва , 1996) о антропо генном влиянии на процессы теплообмена в дерново-подзолистых суглинистых почвах. Процесс теплообмена в почве определяется в первую очередь ее теплофизическими сво йствами : теплоемкостью , тепло - и температуропровод ностью . Освоение и интенсивное сельскохозя йст венное использование дерново-подзолистых почв , про ведение агротехнических мероприятий приводит к изменению всего комплекса теплофизических пока зателей. При распашке целинных (под лес ом ) и освоении дерново-подзолистых почв в пахотном горизонте наблюдаетс я рост тепло физических показателей , что определяется уменьшен ием содержания гумуса в результате вовлечения в этот слой rop.A1, А 1А 2, А 2, уплотнением и снижением общей пористости . Меняется характ ер изменения теплофизических показателей верхнег о слоя 0-30 с м в процессе увлажнени я . Температуропроводность пахотного слоя освоенно й почвы в процессе увлажнения возрастает более интенсивно , чем целинной , интенсивность роста величины теплопроводности имеет иной ха рактер - в целинной почве она выражена бол ее четко , ч е м в освоенной . Хара ктер изменения объемной теплоемкости в процес се увлажнения этих почв практически не ме няется . Так , при влажности 23% от объема темп ературопроводность слоя почвы 0-30 см под лесом составляет 129% от значения этого показателя для абсолютн о сухой почвы и 138% соответственно для освоенной. При окультуривании освоенных п очв , по мере увеличения в пахотном горизон те содержания гумуса , общей пористости , уменьш ения плотности сложения происходит изменение теплофизических показателей в сторону их сн ижения . Тепло - и температуропроводность па хотного горизонта высоко окультуренной (гумуса около 4,5 %, плотность 1,07-1,10 г /см 3 ) почвы при оптимальном увлаж нении в 1,8 раза ниже освоенной (по сравнению с гор . А 1 целинной только в 1,3 раза ). Глубокое (на 5 0-60 см ) рыхление подпахо тных горизонтов дерново-подзолистых почв способст вует снижению теплопроводности в зоне рыхлени я в среднем в 1,5 раз , температуропроводности - в 1,3 раза , объемной теплоемкости - в 1,1 раз по сравнению с контролем. Почвоведение (рав но как и биология ) является наукой имеющей дело со множеств ом частных случаев в каждом из которых необходим свой индивидуальный подход . Но , ра зумеется , почвоведение , как и другие науки , не может существовать без своих парадигм и моделей , которые вносят уп о рядо ченность и возможность систематизации в разли чные частные , порой непонятные случаи . На VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск 1989) боль шое внимание уделялось и моделированию антроп огенных нагрузок . Рассмотрим модель уплотнения почвы под дейст в ием внешних на грузок , предложенную С.В.Нерпиным , Б.С.Нерпиным , О.В.Ро мановым (Агрофизический институт , г . Ленинград , 1989). Рассматривая деформационные свойства почвы целесообразно выделить иерархические уровни , ра зличающиеся по характеру внутренних и внеш них связей : макроуровень , к которому о тносится вся область распространения напряжений , возникающих при действии внешних нагрузок ; уровень почвенных агрегатов ; уровень коллоидны х и других почвенных частиц . Дискретность и иерархичность почвенной структуры о п ределяют трансформацию напряженного состояни я при переходе от верхних к нижним ур овням структуры . Например , при нулевом значени и девиатора напряжений на макроуровне он не равен нулю на следующих уровнях , что и определяет возможность пластического изменен и я формы почвенных агрегатов . Законо мерности , 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 относите л ьного смещения отдельных коллоидных частиц под действием совокупности внешних сил и внутренних поверхностных сил трансфо рмируются в закономерности деформации почвенных агрегатов ; затем последние - в закономерности деформации почвы как "сплошной " среды на м акроскопическом уровне . Деформационные свойства почвы существенно зависят от со держания в ней влаги ; усадка и набухание почвы меняет прочностные и деформационные её характеристики на всех иерархических ур овнях ; содержание влаги определяет и фильтрац ионное сопротивление уплотнению особенно при заполнении макропор , когда возможность "внутреннего " стока жидкости отсутствует . Развит ие к настоящему времени теории поверхностных сил в коллоидных системах , почвенная гидр омеханика и макроскопическая теория деформац и й вязко-упругопластических тел позво ляют перейти от измененных общих концепций к построению фундаментальных и прикладных математических моделей уплотнения почв под де йствием движителей сельскохозяйственной техники. В заключение данного рассмотрения , хотело сь бы привести одну из работ 1996 год а , носящую обзорно-методологический характер . Автор предлагает основные способы мониторинга за изменением физических и технологических свой ств почв под действием антропогенной нагрузки . Данная работа была проведена Сап о жниковым П.М . (РосНИИземпроект , Москва , 1996) В условиях интенсивной антропогенной нагр узки все почвы в той или иной степени подвержены физической и технологической дегр адации , которая проявляется на различных уров нях структурной организации . Своевременная д иагностика деградационных изменений физических и технологических свойств - основное назначение мониторинга. Основные задачи мониторинга физического с остояния почв заключаются в : Ё контроле за физ ическим и технологическим состоянием для свое временных ре комендаций по предотвращению неблагоприятных воздействий ; Ё расчете экологическ и безопасного уровня агротехнического воздействи я на почву. Методологическо й основой комплекса показателей физического и технологического состояния почвы , который мо жет быть ис пользован в целях монитори нга , 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 урож ая ; определение технологических и физико-механичес ких свойст в ; определение основной гидрофизической характеристики почв» рассчитанных по ней значений почвенно-гидрологических констант , коэффиц иентов фильтрации и влагопроводности. Программный комплекс реализован на ПЭВМ как самостоятельная программная си стема , функ ционирующая в диалоговом режим е. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассматривая материалы обоих съездов можно прийти к следующим выводам : Ш По сравн ению с общим объемом рассмотренной на съе здах информации , количество работ , посвященных вопросу антропогенного влияния на физ и ческие характеристики почвы , достаточно не мн ого . Видимо важность данной проблемы не бы ла достаточно высоко оценена. Ш Все же следует отметить , что вышеуказанной проблеме было уделено больше внимания на II съезде общест ва почвоведов 1996 года по сравнени ю с VIII Всесоюзным съездом почвоведов 1989, что позволяет надеяться , что в дальнейшем проблема буде т освещаться шире , и будут найдены оптимал ьные пути ее решения. Ш На рассм отренных примерах видно также , что изменился и подход к данному вопросу . Если н а VIII Всесоюзном съезде почвоведов он р ассматривался в основном в приложении к п роблемам сельского хозяйства , то на II съезде общест ва почвоведов интересы сельского хозяйства уч итывались в меньшей степени , работы носили более фундаментальный характер и с одер жали меньше практических способов решения. По моему мнению , наиболее прие млемое решение проблемы изменения физических характеристик почв под действием антропогенного фактора может быть достигнуто только при гармоничном сочетании двух вышеуказанных под х одов . Необходимо как глубоко исследовать проблему в целом , так и построить чет кий метод ее решения (что возможно только при постепенном переходе от частностей к общей , интегральной системе ). Так или иначе , человеческая мысль непрерывно эволюционирует . Мы просл едили изменение подхода к рассмотрению опреде ленной проблемы в рамках двух определенных съездов и убедились в этом . Разумеется , поскольку проблема изменения физических свойств почв , является вопросом , можно сказать , об щечеловеческой важности , внимани е к ней , несомненно , возрастет в будущем , и пос тепенно мы выйдем к ее решению . Или по теряем огромный почвенный фонд … Список литературы : 1) Волокитин М.П ., Х ан К.Ю ., Сон Б.К . Влияние различного сельскох озяйственного использования серой лесной почвы на е е 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 Т ерско-Кумской низменности . // Тезисы д окладов II съезда общества почвоведов . 1996 г . Санк т-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 ., Саид мурадова Ж . Влияние различной предпосевной об работки почвы на ее физические свойства и развитие растений. // Тезисы докладов VIII Всесоюзного съезда по чвоведов . 1989 г . Новосибирск . с . 131. 5) Манучаров А.С ., Х аритонов Г.В . Реологическ ие свойства лугов ых текстурно-дифференцированных почв Среднеамурской низменности и их изменения под воздействие м антропогенного фактора . // Тезисы докладов II съезда общества почвоведов . 1996 г . Санк т-Петербург . С .96-97. 6) Нерпин С.В ., Нерп ин Б.С ., Роман ов О.В . Концептуальная моде ль уплотнения почвы под действием внешних нагрузок . // Тезисы докладов VIII Всесоюзн ого съезда почвоведов . 1989 г . Новосибирск . с .137. 7) Сапожников П.М . Мониторинг физических и технологических свойств почв при антропогенном воз действии. // Тезисы д окладов II съезда общества почвовед ов . 1996 г . Санкт-Петербург . с . 136. 8) Тихонравова П.И . Изменение процесса теплообмена в дерново-подзо листых суглинистых почвах при антропогенном в оздействии // Тезисы докладов II съезда общества поч воведов . 1996 г . Санкт-Петербург . С . 118-119.