Мониторинг почв при использовании удобрений

Почвенный мониторинг: цели и задачи

Почвенный мониторинг как составная часть экологического мониторинга. Экологическая роль почвы как узла связей биосферы, где наиболее интенсивно идут все процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и обитающими на суше организмами.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Лекция 1. Почвенный мониторинг: цели и задачи

мониторинг экологический почва

Почвенный мониторинг является составной частью экологического мониторинга. Экологическая роль почвы как узла связей биосферы, где наиболее интенсивно идут все процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и обитающими на суше организмами, определяет необходимость специальной организации почвенного мониторинга как неотъемлемой части общего мониторинга окружающей среды.

В последнее время исследователи все чаще обращаются к системному анализу, тем не менее до сих пор ещё в отношении к почве не использованы те наиболее существенные моменты системного подхода, которые позволяют представить ее как целостную, саморегулируемую, самостоятельную функциональную систему открытого характера, где наблюдается исключительно тесная взаимосвязь с условием внешней среды. В методологическом отношении необходимо понятие о почве, как о системе. Только применение системного анализа и представление почвы как саморегулируемой системы является основой как при изучении эволюции почв и механизмов почвообразования так и при прогнозировании антропогенного воздействия на почвенный покров.

Можно вывести две основные цели почвенного мониторинга:

1) своевременное обнаружение неблагоприятных изменений свойств почв и почвенного покрова при различных видах его использования, а также при развитии естественного почвообразовательного процесса;

2) контроль за состоянием почв по сезонам года под сельскохозяйственными культурами для выдачи своевременных рекомендаций по применению регулирующих мероприятий.

Задачи почвенного мониторинга включают в себя:

· контроль за размерами и интенсивностью ежегодных потерь почвы от дождевой и ветровой эрозии;

· выявление регионов с дефицитным балансом главнейших элементов питания растений; обнаружение и оценка скорости потерь гумуса, азота, фосфора и других элементов питания;

· долгосрочный и сезонный (по фазам развития растений) контроль за влажностью, температурой почв и содержанием доступных растениям форм питательных элементов;

· контроль за изменением кислотности и щелочности почв;

· контроль за изменением солевого режима почв;

· контроль за физическим состоянием почв;

· контроль за загрязнением почв ТМ, пестицидами, нефтепродуктами и т.д.;

· экспертная оценка (надзор) за вероятным изменением свойств почв в связи с проектированием гидростроительства, мелиораций;

· инспекторский контроль за правильностью отчуждения пахотопригодных почв для промышленных и коммунальных целей.

Таким образом, целью мониторинга почв и почвенного покрова является определение локальных, региональных и глобальных изменений свойств почв и их пространственного распределения под влиянием как естественных факторов, так и антропогенных воздействий. Последние заслуживают особо пристального внимания.

Прямые и косвенные антропогенные воздействия на почву весьма разнообразны. В самом общем виде они могут быть сгруппированы по характеру воздействия (механические, физические, химические, биологические и др.) и по источникам воздействия (климатические, гидрологические, геологические, техногенные и т.п.).

Почвенный мониторинг реализуется на трех уровнях: мониторинг состояния почвенного покрова, мониторинг состояния почв, мониторинг загрязнения почв. Цели его определены теми коренными изменениями почв, которые возникают при длительном антропогенном воздействии на них: эрозионными процессами, накоплением токсичных элементов, прогрессирующим засолением, дефицитным балансом гумуса и азота, нарастанием кислотности почв.

В полной мере комплексный почвенный мониторинг в настоящее время не проводится. Государственный комитет по метеорологии и контролю за состоянием окружающей среды осуществляет мониторинг температуры и влажности почв для сельского хозяйства. Ведутся наблюдения за состоянием почв, испытывающих локальное и глобальное загрязнение. В основном подобные работы проводят НИИ при отсутствии какого-либо государственного регулирования, утвержденных методик. Налицо полная разобщенность региональных природоохранных научных (АН, ВУЗы) и практических организаций (Гипроземы), отсутствие единой мониторинговой политики, систематизации накопленной информации по отдельным регионам.

В зависимости от целей и задач мониторинга объектами его могут стать или специально выбранные территории, наиболее подверженные опасности глубокого изменения свойств почв под антропогенным воздействием, или вся площадь, занятая в сельскохозяйственном производстве. В качестве обязательных объектов мониторинга должны быть выделены фоновые территории, в число которых, кроме биосферных заповедников, должны быть включены и используемые в хозяйствах земли с минимальным техногенным воздействием. Периодичность наблюдений определяется темпами развития контролируемых процессов (от 1 года до десятков лет) или физиологическими особенностями возделываемых культур.

Деградацией почв называется постепенное ухудшение качества почвы в результате изменений, разрушающих ее структуру, ведущих к появлению негативных химических свойств и утрате ее плодородия.

Деградация почвы может происходить как в результате стихийных природных явлений (землетрясение, извержение вулкана, ураган), так и в результате нерегулируемой хозяйственной деятельности человека.

Явление деградации можно разделить на семь основных групп, связанных с различными направлениями нарушений почвенного покрова и процессов, происходящих в почвах и экосистемах.

1. Нарушение биоэнергетического режима почв и экосистем:

— почвоутомление и истощение почв.

2. Патологическое состояние почвенных горизонтов и профиля почв:

— отчуждение и выключение почв из действующих экосистем;

— эрозия и дефляция почв;

— образование бесструктурных кор и переуплотненных горизонтов;

3. Нарушение водного и химического режима почв:

— селевые разливы и оползни;

— вторичное засоление почв;

— природная и вторичная кислотность почв;

4. Затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ:

— затопление пойменных и первых надпойменных террас;

— подъем уровня грунтовых вод и подтопление почв;

— абразия берегов и засоление дельт.

5. Загрязнение и химическое отравление почв

6. Переохлаждение и вторичная мерзлотность почв

7. Разрушение почв военными действиями, атомной радиацией

Нарушение биоэнергетического режима почв

1. Девегетация почв — потеря почвами лесного, кустарникового, травянистого живого растительного покрова — явление, ведущее к постепенному омертвлению почв, к снижению их биопродуктивности и к утрате экологических функций.

Почвы с ослабленным растительным покровом или лишенные его полностью не возобновляют и утрачивают корневую биомассу, запасы ценных минеральных и органических веществ, теряют свои биоэнергетические ресурсы, делаются стерильными, снижают процессы фиксации атмосферного азота, становятся бесструктурными, легко эродируются, особенно на склонах, делаются менее обеспеченными влагой и постепенно снижают свое плодородие.

Для борьбы с этим явлением необходимо обеспечивать: в пастбищном хозяйстве — оптимальную нагрузку поголовья скота, подсевы и подкормки трав; в полеводстве — правильные травопольные севообороты, регулярные органические удобрения, контурную организацию сети дорог и территорий хозяйств, контурную обработку полей с учетом рельефа; в лесном хозяйстве — быстрое возобновление и сохранение лесной растительности.

2. Дегумификация почв — потеря почвами главного носителя плодородия — гумуса. 1 тонна гумуса содержит 4-5 млн. ккал биологически ценной энергии. 1 га черноземных почв в своем гумусовом горизонте мощностью 100-150 см содержит 500-800 т гумуса и удерживает уже сотни миллионов ккал активной энергии. Гумусовая оболочка почв суши всей планеты удерживает n 1019-20 ккал энергии, то есть количество, которое Солнце ежегодно посылает Земле.

Девегетация почв, окисление гумуса и особенно эрозия повсеместно вызвали уменьшение мощности гумусовых горизонтов на 5-10-30 и более см и уменьшили содержание гумуса на 20-35-50%, и этим обусловили снижение плодородия почв и урожаев. На черноземах Русской равнины установлено, что снижение мощности гумусового горизонта на 1 см снижает потенциальный урожай зерновых примерно на 1 ц/га.

Интенсивность потерь углерода гумуса составляет ныне по оценкам 700 106 т/год.

3. Почвоутомление и истощение почв.

Длительное и бессменное возделывание одного и того же вида сельскохозяйственных растений через 4-6 лет приводит к «утомлению» почвы и снижению урожаев, несмотря на вносимые удобрения. Это, в частности, отмечено при монокультуре свеклы, кукурузы, картофеля, пшеницы.

Объясняется это рядом причин. В почвах накапливаются метаболиты и токсины, выделяемые корнями при вегетации растений и при разложении остатков после уборки урожая. Постепенно в пахотном слое начинают господствовать однотипные группы микроорганизмов и вредителей, вызывающие болезни, свойственные данной культуре. Применение высоких доз удобрений и биоцидов еще более усугубляет ситуацию.

Меры борьбы — правильный плодосмен, севооборот.

Патология почвенных горизонтов и профиля почв

Почвенный покров суши в нормальном состоянии представлен многочисленными типами и разновидностями почв, которые имеют и общие черты, отличающие почвы как особые природные образования от горных пород, грунтов и наносов.

Почвы, даже зачаточные, имеют темноокрашенный верхний гумусовый горизонт. Чем плодороднее почва, тем гумусовый горизонт мощнее, до 150 см у черноземов. Гумусовый горизонт рыхло оструктурен и объемный вес его колеблется в пределах 0.8-1.2 г/см3.

Почвенный покров и его гумусовая оболочка являются главным носителем плодородия экосистем суши, обеспечивающим их равновесное состояние и функционирование. Именно этот главный аппарат биосферы разрушается при необдуманной деятельности людей.

1. Отчуждение и выключение почв из действующих экосистем

Примерно 2 млрд.га различных почв в мире выключено из природных экосистем биосферы городами, поселками, дорогами и тропами, портами, складами, линиями передач и связи, трубопроводами, шахтами, карьерами, водохранилищами, каналами, свалками. При этом из биосферы ежегодно утрачивается до 20 млн.га продуктивных почв. Поверхностный гумусовый горизонт этих территорий уничтожен физически или утрамбован в породу, либо закрыт слоем асфальта, лишен жизни и отравлен. Растительность, почвенная фауна, микроорганизмы, вся биоэнергетика и биогеохимия сведены к минимуму.

Нарушение почв при открытых разработках вызвано их разрушением при добыче щебня, разработке карьеров, буровых скважин и другими работами подобного типа, необходимыми при осуществлении различных строек. К самой активной форме разрушения почвы относятся открытые разработки, особенно при добыче каменного угля. По данным на 1985 г. в Советском Союзе насчитывалось более 1 млн. га деградированных подобной деятельностью земель, из которых возвращены в производство около 100 тыс.га. Кроме почв, разрушенных непосредственно открытыми разработками, повреждаются и близлежащие участки площадью в 5-10 раз больше. На таких площадях меняется режим грунтовых вод, природная геохимическая миграция элементов, эрозионные процессы и пр.

Для возвращения таких площадей в сельскохозяйственный и лесохозяйственный обороты проводится рекультивация земель. Под рекультивацией понимают образование из пустой породы почвы с новым профилем, пригодным для использования в сельском и лесном хозяйстве или для различных видов работ. При создании нового почвенного профиля учитываются свойства вынутой пустой породы, поэтому в каждом отдельном случае выемку и укладку ее в отвалы производят в определенной последовательности. Почва, ранее разрушенная открытой разработкой, считается рекультивированной и пригодной для вовлечения в сельскохозяйственный оборот, когда с нее можно получить урожаи, качественно и количественно эквивалентные урожаям, получаемым с нормальных почв этой зоны в нормальных технологических условиях.

Накопление твердых бытовых отходов (ТБО) на заселенных площадях — неизбежный результат современной цивилизации. Это могут быть минеральные отходы или отложения пустой породы вблизи действующих шахт, промышленные, городские (хозяйственные, торговые) и сельские отходы, отбросы и мусор. Накопление ТБО оказывает значительное влияние на окружающую среду. Считается, что каждый житель Земли ежедневно производит в среднем 2-4 кг отходов и мусора, а все население земного шара (1985 год) 8-16 млн.т/сут или около 3-6 млрд.т/год. К 2000 г. ТБО от производства и потребления достигнут 15 млрд.т/год.

Отвалы промотходов занимают большие площади, которые становятся полностью непригодными для использования и размещены нерационально. На этих площадях полностью исчезает растительность и отсутствует возможность ее восстановления.

2. Эрозия и дефляция почв

Эрозия и дефляция существовали и существуют в природе независимо от человека. Эрозией во всем мире охвачено до 70-80% площади сельхозугодий. С 1 га склоновых земель, даже покрытых растительностью, может смываться ежегодно 1-2 т. Но при этом почвы склонов, лишенных древесного и травянистого покрова, утрачивают от эрозии по 10-15 т/га, а в отдельные периоды ливневых дождей 20-30 и до 50 т/га. Овраги и поверхностный смыв разрушают и уносят ежегодно миллиарды тонн почвенного мелкозема. Это приводит к тому, что гумусовый горизонт почвы смывается за 10-15 лет, а на поверхность выходят безгумусовые неплодородные горизонты или горные породы. Одновременно резко возрастает засушливость местности (влага не задерживается), снижается интенсивность круговорота углерода и азота, утрачиваются запасы питательных элементов, снижаются урожаи.

За последнее время появились новые данные о возрасте гумусовых горизонтов почв. Hа основании их обобщения рассчитана средняя скорость образования гумусового горизонта. Для подзолистых почв она составляет 0,1-0,2 мм/год, черноземов выщелоченных, оподзоленных и типичных Русской равнины — 0,4-0,45 мм/год. Дерново-подзолистые, серые лесные занимают промежуточное положение. В связи с этим интересен как с научной, так и с практической (экономической) точек зрения, вопрос о допустимой норме потерь почвы. Верхний ее уровень должен определиться экономическими соображениями, а нижний — интенсивностью почвообразования. Однако, вследствие отсутствия данных соотношения скоростей естественного и антропогенного преобразовательных процессов, сделать окончательные выводы о нижнем пределе допустимого смыва сложно. Hаиболее приемлемыми считаются нормы 0,5-2,0 т/га в зависимости от типа почвы, степени ее смытости и плотности материнской породы. В США «терпимой эрозией» считается смыв 2-12 т/га год, но в действительности смыв достигает 25-50 т/га в год. «Hормальный» смыв почв составляет 0,5 см за 100-200 лет на полях черного пара; без полосно-кулисной организации его полей смыв может достигать 70 см за 100 лет. Hа полях пшеницы за 100 лет смывается около 17 см. Под покровом трав величина смыва снижается до 0,6-4,6 см за 100 лет. Так что можно предположить, что на сегодня уже смыты с больше части полей верхние самые плодородные горизонты почв.

Склоны круче 3-50 по возможности должны быть исключены из пахотного полеводства и отведены под пастбища, защищенные лесонасаждениями в сочетании с организацией территории. Равнинные и полого-склоновые территории земледелия должны быть обеспечены контурной обработкой и распределением полей и дорог, а также защищены системой лесополос с учетом господствующих ветров. Овраги — выполаживание, облесение, садоводство.

Hа равнинных территориях склоны крутизной до 90 используются под посевы обычных полевых культур, на склонах 9-150 размещаются почвозащитные севообороты. Более крутые склоны исключаются из интенсивного земледелия, их используют под посевы многолетних трав на сено и для выпаса.

В структуре посевов холмистых районов должен быть увеличен удельный вес многолетних бобовых до 50% и сокращена площадь, занятая пропашными культурами. Hа длинных склонах, где возрастают масса, скорость и несущая сила воды, рекомендуется полосное земледелие. Здесь применим севооборот с приблизительно равными площадями, занятыми зерновыми, кормовыми культурами и травами. Пропашные культуры чередуют с почвозащитными. Там, где эрозия особенно опасна, используют постоянные полосы из многолетних трав, кустарников и деревьев. Эродированные участки отводят под почвозащитные лугово-пастбищные севообороты, а сильноэродированные — для постоянного залужения или облесения.

3. Образование бесструктурных кор и переуплотненных горизонтов

Нормальные плодородные почвы обладают рыхлой комковато-зернистой структурой и характеризуются удельным весом 1.2-1.3 г/см3. Движение тяжелых машин и обработка полей при высокой влажности за несколько лет уплотняют почву и значительно понижают ее плодородие. Объемный вес при этом увеличивается до 1.5-1.8 г/см3, при пахоте почва не крошатся на структурные агрегаты, а выламывается в виде огромных глыб («чемоданы»), которые долго сохраняются и крайне осложняют обработку полей.

Необходимо отметить и обычное для большинства старопахотных почв образование подпахотного уплотненного горизонта на глубине 20-40 см. Водное и минеральное питание растений, их аэрация на подобных почвах всегда неблагоприятны.

Меры борьбы (предложите сами) — облегчение веса сельскохозяйственных машин, уменьшение числа обработок, периодическое глубокое (до 40-45 см) безоборотное рыхление уплотненных почв, травосеяние и внесение органических удобрений в севооборотах.

Нарушение водного и химического режима почв

1. Сухость и опустынивание почв

Для создания живой растительной биомассы абсолютная потребность в доступной влаге исключительно велика. Оптимальная влажность почв для большинства растений находится в пределах 60-100% от полевой (наименьшей) влагоемкости. Фактическая влажность почв пустынь и степей обычно ниже оптимума, что снижает продуктивность этих экосистем. До 50% поверхности суши не обеспечены регулярным атмосферным увлажнением, из них треть подверглась опустыниванию в результате ошибочных действий человека, которые выразились в уничтожении лесов и кустарников на топливо, строительство; высокой численности поголовья скота, ведущей к вытаптыванию и переуплотнению почвы, разрушению дернины. Уничтожение пустынной растительности привело к развитию опустынивания, расширению пространства подвижных песков.

2. Селевые разливы и оползни

Нарушение гидрологического режима горных и холмистых ландшафтов, связанное с вырубкой лесов, вызвало катастрофический характер стока ливневых дождевых вод. Почвы оголенных склонов могут полностью исчезнуть за 3-5 лет вплоть до горной породы. Одновременно катастрофический сток талых и ливневых вод, выходя из вмещающих рек, сметает на своем пути мосты, поля, сады, населенные пункты. Эти наводнения, т.н. «сели» покрывают освоенные земли наносами каменистого бесплодного ила и песка. Аналогичные последствия вызываются и оползнями.

3. Вторичное засоление почв

Природная засоленность грунтов, почвообразующих пород и почв характерна для пустынь и пустынных степей. Существующая в мире современная практика орошения часто приводит к перемещению солей из подпочвенных горизонтов к поверхности и образованию вторично засоленных бесплодных почв и солончаков. В почвах при этом накапливаются токсические для растений углекислые, сернокислые и хлористые соли натрия и магния в количестве 2-5%. Происходит все это потому, что воду на поля подают с избытком, а в итоге 50-60% поступающего объема вод фильтруется в грунт, вызывая общий подъем засоленных вод к поверхности. В бывшем СССР из 20 млн.га орошаемых земель засолилось и утратило плодородие около половины.

4. Природная и вторичная кислотность почв

Для большинства сельхозрастений оптимальная реакция почв находится в интервале рН 6.5-8.0. Почвы промывного водного режима (назвать) обладают повышенной кислотностью (рН 5-6, подвижный Al). Общая биопродуктивность почв снижается в увеличением кислотности. Кислотность атмосферных осадков приводит к резкому возрастанию кислотности поверхностного стока и почв.

5. Переосушение почв

Широко распространенная форма деградации почв. Она наблюдается при осуществлении примитивно выполненных проектов строительства сети осушительных каналов, не обеспечивающих оптимальный уровень залегания грунтовых вод, при котором происходит подпочвенное увлажнение растений в засушливые периоды. Большой вред хозяйствам черноземной и нечерноземной зон был нанесен переосушкой малых рек.

Загрязнение как один из видов деградации почв:

Загрязнение почвы по современной экологической концепции означает любое действие, вызывающее нарушение нормального функционирования почвы посредством физического, химического или биологического ее разрушения или снижения плодородия, приводящее к качественому и количественному уменьшению биомассы. Кроме того, загрязнение почвы — это не только проникновение некоторых элементов извне, но и повреждение одного из компонентов почвы, приводящее к снижению плодородия, нарушению нормального ее функционирования.

Источник