Изменение фізичних характеристик грунтів під впливом антропогенного фактора

ЗМІНА ФІЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТІВ ПІД ВПЛИВОМ АНТРОПОГЕННОГО ФАКТОРА.

За матеріалами VIII Всесоюзного з'їзду грунтознавців (Новосибірськ 1989) і 2-го з'їзду суспільства грунтознавців (Санкт-Петербург 1996).

Становив студент 3 курсу кафедри грунтознавства й екології грунтів Курилов.

П.И.

Нині у зв’язку з все більшої інтенсифікацією промисловості і сільського господарства стає актуальним встановлення наслідків антропогенного впливу. У цьому роботі робиться спроба ознайомитися з вивченими в момент наслідками антропогенного впливу грунт, а як і простежити розвиток уявлень про антропогенном вплив за матеріалами двох съездов.

Для складання цього реферату я ознайомився з такими матеріалами VIII Всесоюзного з'їзду грунтознавців (Новосибірськ 1989) і 2-го з'їзду суспільства грунтознавців (Санкт-Петербург 1996).

На VIII Всесоюзному з'їзді грунтознавців розглядалися переважно питання з ним чи опосередкованим чином які заторкують проблеми сільського господарства (інтенсифікація сільського господарства, вплив різноманітних грунтових характеристик на родючість, проблеми рекультивації грунтів тощо.), у те час як проблемі зміни фізичних характеристик грунтів які піддалися антропогенному впливу приділялося досить мало уваги. Наслідки ж антропогенного впливу розглядалися переважно з погляду їх корисності чи шкідливості як на сільського господарства. Цей підхід і з погляду має плюси: під час розгляду змін фізичних характеристик грунтів які піддалися антропогенному впливу, давалися також рекомендації відновлення цих характеристик до початкового стану або щодо поліпшення. Але в цієї підходу є і свій мінус, яка полягає у цьому, що розглядаються лише ті фізичні характеристики грунту, які, на думку авторів, впливають безпосередньо на плодородие.

Тематика IIго з'їзду суспільства грунтознавців відрізнялася від тематики VIII Всесоюзного з'їзду. При як раніше великий ролі питань поліпшення сільськогосподарських характеристик грунтів, побільшало доповідей, присвячених вивченню взаємозв'язку між різними грунтовими процесами. Зросло ще й число робіт, характеризуючих антропогенний вплив та розглядають її наслідки щодо різноманітних видів почв.

Далі наводиться порівняння доповідей, присвячених вивченню зміни фізичних характеристик грунтів під впливом антропогенного чинника, розглянутих обох съездах.

Проблема антропогенного навантаження на грунт, як уже сказано раніше, на сьогодні є неабияк актуальною. Однією з аспектів антропогенного навантаження на грунт є інтенсивна сільськогосподарська діяльність. Розглянемо приклади впливу сільськогосподарської діяльності на почву.

Можна виділити декілька аспектів впливу сільськогосподарської діяльності на почву:

. Вплив внаслідок ущільнення сільськогосподарської технікою. Руйнування структури завдяки застосуванню різних способів зорювання і культивации. Ущільнення грунтів внаслідок випасу худоби. Вплив поливів на водний режим, співвідношення водяної та газової фаз грунту, до рівня грунтових вод, засолення тощо.. Вплив добрив і д.р. речовин, застосовуваних сільське господарство, на хімічний склад, структуру, склад грунтової биоты.

До питання вплив сільськогосподарської техніки можна навести дослідження Д.І. Золотаревской (Новосибірськ 1989, ТСХА, Москва).

Проведено теоретичне і експериментальне дослідження впливу багатократних проходів колісних тракторів та інших машин на напруженодеформоване стан і щільність почвы.

Вязкоупругие (реологические) властивості уплотняющихся грунтів описані диференційним рівнянням першого порядку, що зв’язують стискаючі напруження і швидкості зміни напрузі та відносної опади грунту. Експериментально підтверджені придатність й гідності практичного застосування цієї рівняння для моделювання закономірності стискування исследовавшейся дерново-подзолистой легкосуглинистой грунту при вологості 18…28%. Розробленими у роботі методами визначено характеристики вязкоупругих властивостей цієї грунту що за різних значеннях її щільності і швидкості деформирования.

Отримано наближені рішення крайових завдань про поширення затухали вязкоупругих хвиль деформацій стискування і зсуву, що виникають у грунті від впливу катящихся коліс. Поширення хвиль описано диференціальними рівняннями із приватними похідними четвертого порядку з двома незалежними перемінними зі змінними коефіцієнтами. За підсумками знайдених рішень запропонований метод розрахункового визначення щільності грунту на різної глибину та глибини поширення деформації у грунті після одного хідника та низки проходів коліс за одним сліду. Розрахунки виконуються з урахуванням параметрів ходовий системи та швидкість руху машини, вязкоупругих властивостей еластичних коліс, зміни з глибиною початковій щільності грунтів та характеристик її вязкоупругих властивостей по лінійної чи з квадратичной зависимостям.

Отримані результати використовуватимуться рішення низки питань оптимізації параметрів ходових систем колісних сільськогосподарських тракторів з урахуванням агротехнічних вимог до щільності почвы.

Сільськогосподарська техніка як безпосередньо надає впливом геть фізичні властивості грунтів завдяки їхнім ущільнення, а й опосередковано. Певну проблему у сенсі представляє предпосевная обробка. У ході дослідження цього питання, була выполенена робота Ж. Икрамовым і Ж. Саидмурадовой, (Інститут Ґрунтознавства АН УзССР, Ташкент) 1989 року. Далі наводиться стисле опис цієї работы.

На полях більшості хлопкосеющих господарств Узбекистану щорічно застосовується інтенсивна предпосевная обробка грунту з багаторазовим проходом полем важких тракторів та інших грунтообробних знарядь. Це спричиняє високому ущільнення орного шару, особливо зрошуваних грунтів пустельній зони зі складним гранулометрическим складом що надає негативний вплив на багато їх фізичні властивості, зростання та розвитку хлопчатника.

З метою розробки заходів боротьби з цим небажаним явищем авторами в 1985;1989 рр. було проведено польовий досвід на зрошуваних тяжелосуглинистых такырных грунтах Каршинской степи.

Предпосевная обробка грунту здійснювалася з різноманітною інтенсивністю і технологією, тобто. з наростаючим числом проходу грунтообробних машин напередодні посіву бавовнику звичайним способу і гребеням, де у 3−4 разу зменшується кількість проходу агрегатів полем проти последним.

За результатами досліджень виявлено, що як високе ущільнення і погіршення низки агрофизических властивостей (водопроникність, твердість, якість крошения, структура та інших.) грунту спостерігається саме у варіантах досвіду з більшою кратністю проходу агрегатів полем. Наприклад, якби варіанті досвіду: однократним проходом тракторів у двох напрямах, величина щільності складання орного шару (0−30/35см) грунту за вегетаційний період рослин лежить у межах 1,43−1,52 г/см3, то, на варіанті з триразовим проходом агрегатів її величина збільшилася до 1,56- 1,64 г/см3.

На варіанті досвіду з посівом бавовнику по гребеням, значення об'ємної маси грунту над його вегетацию на рівні її оптимальних параметрів (1,23- 1,40г/см3). Завдяки чому, найкращі грунтові умови на шляху зростання, розвитку й отримання високого врожаю бавовнику створюються при обробленні його за гребенях, ніж інших варіантах опыта.

На II з'їзді суспільства грунтознавців (Санкт-Петербург 1996) проблема впливу інтенсивного сільськогосподарського використання грунт розглядалася загалом. Приклад цього може бути представлена далі робота Волокітіна М.П., Хана К. Ю., Сона Б.К.(Інститут грунтознавства й фотосинтезу РАН Пущино).

Для досліджень було обрані варіанти досвіду, відмінні по сільськогосподарському використанню грунтів: беззмінний чистий пар (5 років), не косимый луг (7 років), косимый луг (12 років), і навіть озима пшениця з подсевом трав і трави другого року користування, перебувають у пятипольном сівозміні. Попри те що, що мінімальної навантаженні піддавався пар, саме тут варіанті досвіду відзначені найважливіші зміни у агрофизических властивості грунту. Зміст водопрочных агрегатів в залуженной сірої лісової грунті в шарі 0−12 див був у 8,9−9,4 разу вищу по порівнянню з орним обрієм грунту, що під пором, й у 1,5−2,4 разу проти грунтом, зайнятою травами другого року пользования.

Низька водопрочность грунтової структури у грунті під пором відзначалася й у подпахотном обрії. Це на водопроникності сірої лісової грунту. Коефіцієнт фільтрації разом дорівнював 0,11 мм/мин, тоді як і варіантах досвіду з травами першого і другого року користування 0,30−0,43 мм/мин. Водопроникність грунту під просапними і зерновими культурами також була незадовільною. Відзначено переуплотнение сірої лісової грунту, яка у сівозміні. Наприкінці вегетаційного сезону щільність складання орного горизонту зростала до 1,42−1,52 г/см3 в міжряддях сільськогосподарських культур і по 1,52−1,57 г/см3 — по коліям. Навесні наступного сезону повного разуплотнения грунту було. При збільшенні щільності складання сірої лісової грунту з 1,14 до 1,51 г/см3 її найменша влагоемкость (р води /р грунту) знижувалася з 0,42 одиниці до 0,24. Доступність води рослинам зменшувалася. Зі збільшенням щільності складання зростала механічна міцність грунту. Межагрегатное зчеплення помітно підвищувався при щільності складання грунту понад 1,3 г/см3.

Заради покращання несприятливих агрофизических властивостей орної сірої лісової грунту необхідно проведення відповідних меліоративних мероприятий.

Інший аспект сільськогосподарського впливу стан грунтів, і, в частковості їх фізичні характеристики, — розглянута другою з'їзді грунтознавців проблема впливу пасовищної навантаження на гидрофизические властивості грунту. Гаруновым А. А. (Прикаспийский інститут біологічними ресурсами ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) це можна було старанно вивчене для Терско-Кумской низменности.

Ґрунти пасовищ Терско-Кумской низовини, розташовані на засолених морських відкладах, нині піддаються вторинному засолению, викликаного негативні наслідки антропогенних і техногенних впливів ними. Основною причиною є ненормована депасовище худоби і техногенне порушення пасовища (багато автодоріг на пасовищах). При нерегламентованої пастьбе худоби сильно ущільнюється верхній шар грунту (1,3−1,4 г/см3), тоді як він значення в заповідному режимі становить 1,0- 1,1 г/см3. Це супроводжується збільшенням фізичного випаровування під впливом сильних вітрів (15−30 м/с. і более).

Коефіцієнт зволоження у тих грунтах становить 0,25−0,30, що гостро диктує необхідність обводнения території. Досліди Гарунова і д.р. (ДНЦ РАН, Махачкала, 1996) якомога більше продуктивної вологи (67,1 т/га) йдеться у шарі 20−25 див при навантаженні 3−4 вівці на 1 га, мінімальне кількість (24,0 т/га) в шарі 0−5 див. Слід зазначити, що зі збільшенням навантажень запас продуктивної вологи в шарі 0−5 див зменшується, тоді і з глибиною цей показник збільшується. Це перевищенням запасів вологи, що припадають на одиницю обсягу при відносно високих значеннях об'ємної массы.

Важливими показниками, що характеризує екологічний стан грунтів пасовищ, є зміна змісту глинистих частинок в шарі 0−5 див. Кількість частинок розміром як 0,01 мм зі збільшенням навантаження кілька зменшується, що свідчить про руйнуванні верхніх верств світлокаштанових грунтів за умов збільшення пасовищних навантажень: при щільності 1 вівця на 1 га кількість яких становить 29,5%, при зменшенні що відводиться на одну вівцю площі 0,25 га вона становить 25,4 «/о.

У плані показники водопроникності, отримані для 0−5 див, зі збільшенням об'ємної маси по абсолютну величину, призводять до зменшення кількості води, яка просочується за вертикаллю за одиницю времени.

Як вказувалося раніше другого з'їзду (1996 р) характерний більш інтегральний підхід до проблем антропогенного на грунту. Прикладом може бути розгляд Манучаровым О. С. і Харитоновым Г. В. (Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова Інститут водних і екологічних проблем ДВО РАН, Хабаровськ) впливу меліорації на реологические властивості лугових текстурно-дифференцированных грунтів Среднеамурской низовини та способів оцінки цього влияния.

Труднощі сільськогосподарського використання коштів і оцінки осушувальної меліорації на продуктивність лугових текстурнодиференційованих грунтів Среднеамурской низовини полягають у тому, що своєрідність кліматичних умов у Середньому Приамур’я сприяє швидкої мінералізації органічного речовини, деградації та розпорошення орного слоя.

Дослідження Манучарова і д.р.(Московский державний університет їм. М. В. Ломоносова Інститут водних і екологічних проблем ДВО РАН, Хабаровськ) показали придатність реологічних методів з оцінки структурного стану грунтів та її зміни шляхом меліорації і освоєння. Реологические характеристики досліджуваних грунтів диференційовані по профілю відповідно до профільної диференціацією гранулометрического і микроагрегатного потягів і фізико-хімічних властивостей при вологості верхньої кордону пластичності. При вологості максимального набрякання горизонти різняться по реологическому поведінці (цикл навантаження — розвантаження): гумусово-аккумулятивный обрій характеризується тиксотропией, для элювиально-глеевого і иллювиального відзначається реопексия, петлі якої більше коштів у гір. Big, обладающем підвищеним змістом водопрочных агрегатов.

Осушувальна меліорація й освоєння неоднозначно впливають на структурне стан поверхневих горизонтів: на макро рівні (грунтові макроагрегаты) переважають процеси дезагрегации, лише на рівні микроагрегатов — процеси агрегації грунтової маси. У пахотном обрії різко падає число водопрочных агрегатів, знижуються межі міцності, та заодно знижуються тиксотропные властивості горизонту. У элювиально-глеевом обрії також падає число водопрочных макроагрегатов, проте, на мікро рівні відбувається деяке поліпшення структури: збільшується як питома потужність руйнації структури, і межі міцності структуры.

Внесення лигнинно-пометного компосту веде до поліпшення структурномеханічних властивостей орного горизонту досліджуваних грунтів: проти контролем підвищується рівень микроагрегации речовини, реологические криві характеризуються дилатансией, що пов’язані з збільшенням водопрочности структури горизонта.

На підтвердження вищесказаного про зміну підходу до розгляду видів антропогенного впливу можна навести також доповідь Тихонравовой П.И.(Почвенный інститут им, В. В. Докучаева, Москва, 1996) про антропогенном вплив процеси теплообміну в дерено-підзолистих суглинистых почвах.

Процес теплообміну у грунті визначається першу чергу її теплофизическими властивостями: теплоемкостью, тепло — і температуропроводностью.

Освоєння і інтенсивне сільськогосподарське використання дерновопідзолистих грунтів, проведення агротехнічних заходів призводить до зміни відновлення всього комплексу теплофизических показателей.

При распашке цілинних (під лісом) і освоєнні дерено-підзолистих грунтів в пахотном обрії простежується зростання теплофизических показників, що визначається зменшенням змісту гумусу внаслідок залучення у цей шар rop. A1, А1А2, А2, ущільненням і зниженням загальної пористости. Змінюється характер зміни теплофизических показників верхнього шару 0−30 див в процесі зволоження. Температуропроводность орного шару освоєної грунту у процесі зволоження зростає інтенсивніше, ніж цілинного, інтенсивність зростання величини теплопровідності має іншої характер — в цілинного грунті вона виражена чіткіше, ніж у освоєної. Характер зміни об'ємної теплоємності у процесі зволоження цих грунтів практично не змінюється. Так, при вологості 23% від обсягу температуропроводность шару грунту 0−30 див під лісом становить 129% від значення цей показник для абсолютно сухий грунтів та 138% відповідно для освоенной.

При окультурювали освоєних грунтів, зі збільшенням в пахотном обрії змісту гумусу, загальної пористости, зменшення щільності складання відбувається зміна теплофизических показників у бік їхнього зниження. Тепло — і температуропроводность орного горизонту високо окультуреної (гумусу близько 4,5%, щільність 1,07−1,10 г/см3) грунту при оптимальному зволоженні в 1,8 рази менше освоєної (проти гір. А1 цілинного лише у 1,3 раза).

Глибоке (на 50−60 див) розпушування подпахотных горизонтів дерновопідзолистих грунтів сприяє зниження теплопровідності у зоні рыхления в середньому у 1,5 раз, температуропроводности — в 1,3 разу, об'ємної теплоємності - в 1,1 раз проти контролем.

Ґрунтознавство (як і біологія) є наукою має справу з безліччю окремі випадки у кожному у тому числі необхідний свій індивідуального підходу. Але, зрозуміло, грунтознавство, як та інші науки витратило не може існувати без своїх парадигм і моделей, які роблять упорядкованість і можливість систематизації у різні приватні, часом незрозумілі випадки. На VIII Всесоюзному з'їзді грунтознавців (Новосибірськ 1989) багато уваги приділялося і моделювання антропогенних навантажень. Розглянемо модель ущільнення грунту під впливом зовнішніх навантажень, запропоновану С. В. Нерпиным, Б. С. Нерпиным, О. В. Романовым (Агрофизический інститут, р. Ленінград, 1989).

Розглядаючи деформаційні властивості грунту доцільно виділити ієрархічні рівні, різняться характером внутрішніх та зовнішніх зв’язків: макрорівень, до якої належить вся сфера поширення напруг, які виникають за дії зовнішніх навантажень; рівень ґрунтових агрегатів; рівень колоїдних та інших ґрунтових частинок. Дискретність і ієрархічність грунтової структури визначають трансформацію напруженого стану під час переходу від верхніх до нижнім рівням структури. Наприклад, при нульовому значенні девиатора напруг на макрорівні не нульовий на наступних рівнях, що визначає можливість пластичного зміни форми ґрунтових агрегатів. Закономірності, що визначають кінетику деформацій кожному рівні, виступають потім у узагальненому вигляді у ролі закономірностей, визначальних рівновага й кінетику ось на чому, більш рівні. Так закономірності відносного усунення окремих колоїдних частинок під впливом сукупності зовнішніх зусиль і внутрішніх поверхневих сил трансформуються в закономірності деформації ґрунтових агрегатів; потім останні - в закономірності деформації грунту як «суцільний «середовища на макроскопічному рівні. Деформаційні властивості грунту істотно залежить від вмісту у ній вологи; усадка і набухання грунту змінює прочностные і деформаційні її характеристики усім ієрархічних рівнях; зміст вологи визначає і фільтраційне опір ущільнення особливо в заповненні макропор, коли можливість «внутрішнього «стоку рідини відсутня. Розвиток на сьогодні теорії поверхневих наснаги в реалізації колоїдних системах, ґрунтова гидромеханика і макроскопічна теорія деформацій вязко-упругопластических тіл дозволяють вийти з змінених загальних концепцій побудувати фундаментальних і прикладних математичних моделей ущільнення грунтів під впливом рушіїв сільськогосподарської техники.

На закінчення даного розгляду, хотілося б назвати жодну з робіт 1996 року, що носить обзорно-методологический характер. Автор пропонує основні способи моніторингу за зміною фізичних і технологічних властивостей грунтів під впливом антропогенного навантаження. Ця робота була проведена Сапожниковым П. М. (РосНИИземпроект, Москва, 1996).

У разі інтенсивної антропогенного навантаження все грунту у тому чи іншого ступеня піддаються фізичним і технологічної деградації, яка проявляється різних рівнях структурної організації. Своєчасно діагностика деградаційних змін фізичних і технологічних властивостей — основне призначення мониторинга.

Основні завдання моніторингу фізичного стану грунтів полягають у: o контролю над фізичним і технологічним станом для своєчасних рекомендацій профілактики несприятливих впливів; o розрахунку екологічно безпечного рівня агротехнічного на почву.

Методологічної основою комплексу показників фізичного і технологічного стану грунту, що може бути використаний у цілях моніторингу, служить концепція базових показників. У систему базових показників включені питома поверхню твердої фази, щільність складання і щільність твердої фази, влажность.

За підсумками єдиної інформаційної бази розроблено принципи моніторингу фізичного і технологічного стану грунтів через систему моделей (програмний комплекс): модель ущільнення грунтів сільськогосподарської технікою з оцінкою можливих втрат врожаю; визначення технологічних і фізико-механічних властивостей; визначення основний гидрофизической характеристики грунтів" розрахованих за нею значень почвенно-гидрологических констант, коефіцієнтів фільтрації і влагопроводности.

Програмний комплекс реалізований на ПЕОМ як самостійна програмна система, функціонуюча в діалоговому режиме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Розглядаючи матеріали обох з'їздів можна дійти наступним выводам:

> У порівняні з загальним обсягом розглянутим на з'їздах інформації, кількість робіт, присвячених питання антропогенного впливу фізичні характеристики грунту, досить небагато. Певне важливість цієї проблеми була досить висока оценена.

> І все-таки треба сказати, що цієї проблеми приділялася більше увагу II з'їзді суспільства грунтознавців 1996 року порівняно з VIII Всесоюзним з'їздом грунтознавців 1989, що дозволяє сподіватися, що у проблема висвітлюватиметься ширше, і буде знайдено оптимальні шляхи його решения.

> На розглянутих прикладах видно також, що змінилося і підхід до цього питання. Коли VIII Всесоюзному з'їзді грунтознавців він розглядався переважно у додатку до проблем сільського господарства, то, на II з'їзді суспільства грунтознавців інтереси сільського господарства враховувалися меншою мірою, роботи носили більш фундаментальний характері і містили менше практичних способів решения.

На погляд, найбільш прийнятне розв’язання проблеми зміни фізичних характеристик грунтів під впливом антропогенного чинника можна досягнути лише за гармонійне поєднання двох вищевказаних підходів. Необхідно як глибоко досліджувати проблему загалом, і побудувати чіткий метод її вирішення (що можна лише за поступове переході від подробиць до спільної, інтегральної системе).

Так чи інакше, людська думку безупинно еволюціонує. Ми простежили зміна підходу до розгляду певної проблеми, у рамках двох визначених з'їздами та переконались у цьому. Зрозуміло, оскільки проблема зміни фізичних властивостей грунтів, є політичним питанням, можна сказати, загальнолюдської важливості, увагу до неї, безсумнівно, зросте у майбутньому, та поступово ми вийдемо до її решению.

Або втратимо величезний грунтовий фонд …

Волокитин М.П., Хан К. Ю., Сон Б. К. Вплив різного сільськогосподарського використання сірої лісової грунту їхньому агрофизические властивості. // Тези доповідей 2-го з'їзду суспільства грунтознавців. 1996 р. СанктПетербург. З. 68−69. Гарунов А. А. Про вплив пасовищної навантаження на гидрофизические властивості грунтів і процеси опустынивания Терско-Кумской низовини. // Тези доповідей II з'їзду суспільства грунтознавців. 1996 р. Санкт-Петербург. З. 69−70. Золотаревская Д.І. Зміна вязкоупругих властивостей і щільність грунту при русі колісних машин// Тези доповідей VIII Всесоюзного з'їзду грунтознавців. 1989 р. Новосибірськ. з. 130. Икрамов Ж., Саидмурадова Ж. Вплив різної передпосівної обробітку грунту їхньому фізичні властивості та розвитку рослин.// Тези доповідей VIII Всесоюзного з'їзду грунтознавців. 1989 р. Новосибірськ. з. 131. Манучаров О. С., Харитонов Г. В. Реологические властивості лугових текстурнодиференційованих грунтів Среднеамурской низовини та його зміни під впливом антропогенного чинника. // Тези доповідей 2-го з'їзду суспільства грунтознавців. 1996 р. Санкт-Петербург. С.96−97. Нерпин С. В., Нерпин Б. С., Романов О. В. Концептуальна модель ущільнення грунту під впливом зовнішніх навантажень. // Тези доповідей VIII Всесоюзного з'їзду грунтознавців. 1989 р. Новосибірськ. с. 137. Шевців П.М. Моніторинг фізичних і технологічних властивостей грунтів при антропогенном вплив. // Тези доповідей 2-го з'їзду суспільства грунтознавців. 1996 р. Санкт-Петербург. з. 136. Тихонравова П.І. Зміна процесу теплообміну в дерено-підзолистих суглинистых грунтах при антропогенном вплив// Тези доповідей II з'їзду суспільства грунтознавців. 1996 р. Санкт-Петербург. З. 118−119. ———————————;

[pic].