Уплотнение почвы , также известное как деградация структуры почвы , представляет собой увеличение объемной плотности или уменьшение пористости почвы из-за внешних или внутренних нагрузок. [1] Уплотнение может отрицательно повлиять практически на все физические, химические и биологические свойства и функции почвы . [2] Вместе с эрозией почвы это считается «самой дорогостоящей и серьезной экологической проблемой, вызванной традиционным сельским хозяйством ». [3]
В сельском хозяйстве уплотнение почвы представляет собой сложную проблему, в которой взаимодействуют почва, сельскохозяйственные культуры, погода и техника . Внешнее давление из-за использования тяжелой техники и неправильного управления почвой может привести к уплотнению недр , создавая непроницаемые слои внутри почвы, которые ограничивают круговорот воды и питательных веществ. Этот процесс может вызвать локальные эффекты, такие как снижение роста, урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также последствия за пределами участка, такие как увеличение стока поверхностных вод , эрозия почвы, выбросы парниковых газов , эвтрофикация , сокращение пополнения подземных вод и потеря биоразнообразия. . [4]
В отличие от засоления или эрозии, уплотнение почвы является преимущественно подземной проблемой и, следовательно, невидимым явлением. [5] Для обнаружения, мониторинга и надлежащего решения проблемы необходимы специальные методы идентификации.
Уплотнение почвы – проблема недавнего времени. До появления механизированного земледелия использование плугов было связано с уплотнением почвы. [6] Однако многочисленные исследования показали, что современные методы ведения сельского хозяйства увеличивают риск вредного уплотнения почвы. [7]
База исторических данных о глобальном уплотнении почвы, как правило, очень слаба, поскольку существуют только измерения или оценки для определенных регионов/стран в определенные моменты времени. В 1991 году было подсчитано, что на уплотнение почвы приходится 4% (68,3 миллиона гектаров) антропогенной деградации почв во всем мире. [8] В 2013 году уплотнение почвы считалось основной причиной деградации почв в Европе (затронуто около 33 миллионов га), Африке (18 миллионов га), Азии (10 миллионов га), Австралии (4 миллиона га) и некоторых территории Северной Америки. [9]
В частности, в Европе примерно 32% и 18% недр сильно и умеренно уязвимы к уплотнению соответственно. [10]
В здоровых, хорошо структурированных почвах частицы взаимодействуют друг с другом, образуя почвенные агрегаты. Стабильность полученной структуры почвы увеличивается с увеличением количества взаимодействий между частицами почвы. Вода и воздух заполняют пустоты между частицами почвы, где вода взаимодействует с частицами почвы, образуя вокруг них тонкий слой. Этот слой может экранировать взаимодействие частиц между частицами, тем самым снижая стабильность структуры почвы. [11]
Механическое давление, оказываемое на почву, уравновешивается усилением взаимодействия частиц почвы. Это подразумевает уменьшение объема почвы за счет уменьшения пустот между частицами почвы. [11]
В результате вода и воздух вытесняются, а объемная плотность почвы увеличивается, что приводит к снижению проницаемости для воды и воздуха. [12]
Подверженность почвы уплотнению зависит от нескольких факторов, влияющих на взаимодействие частиц почвы:
Уплотнение почвы может происходить естественным путем в результате процесса высыхания и увлажнения, называемого уплотнением почвы , [17] [9] или при приложении к почве внешнего давления. Наиболее значимыми антропогенными причинами уплотнения почвы в сельском хозяйстве являются использование тяжелой техники, сама практика обработки почвы , неправильный выбор систем обработки почвы, а также вытаптывание скота .
Использование крупной и тяжелой техники в сельском хозяйстве часто приводит к уплотнению не только верхнего слоя почвы , но и подпочвы. Уплотнение подпочвы восстановить труднее, чем уплотнение верхнего слоя почвы. На интенсивность уплотнения грунта может влиять не только вес техники, т.е. нагрузка на ось, но также скорость и количество проходов. [18] [19] Давление в колесах и шинах также играет важную роль для степени уплотнения почвы. [20]
Независимо от того, используется ли тяжелая техника или нет, сама обработка почвы может вызвать уплотнение почвы. Хотя основная причина уплотнения почвы при обработке почвы в настоящее время связана с машинами, не следует пренебрегать влиянием уплотнения верхнего слоя почвы более легким оборудованием и животными. [21] Более того, неправильный выбор систем обработки почвы может привести к ненужному уплотнению почвы. [22] Однако следует отметить, что в долгосрочной перспективе обработка почвы может снизить уплотнение верхнего слоя почвы по сравнению с отсутствием обработки почвы. [23]
Основной причиной уплотнения почвы также считается значительное вытаптывание скота в результате животноводства на лугах и сельскохозяйственных угодьях. [24] Это не влияет на то, является ли выпас постоянным или краткосрочным, [25] однако на это влияет интенсивность выпаса. [26]
Основными воздействиями на свойства почвы из-за уплотнения почвы являются снижение воздухопроницаемости и снижение инфильтрации воды . [27] Основными физическими негативными последствиями для растений являются ограничение роста корней растений в ответ на накопление растительного гормона этилена [28] и доступность питательных веществ из-за увеличения объемной плотности и уменьшения размера пор почвы . [9] Это может привести к чрезмерному высыханию верхнего слоя почвы и, в конечном итоге, к растрескиванию почвы, поскольку корни поглощают воду, необходимую для транспирации, из верхней части почвы, куда растения могут проникать из-за ограниченной глубины корней. [20]
На химические свойства почвы влияют изменения физических свойств почвы. Одним из возможных эффектов является уменьшение диффузии кислорода, что приводит к анаэробным состояниям. Вместе с анаэробным состоянием увеличение водонасыщенности почвы может усилить процессы денитрификации в почве. Возможными последствиями являются увеличение выбросов N 2 O , уменьшение доступного азота в почве и снижение эффективности использования азота сельскохозяйственными культурами. [29] Это может привести к увеличению использования удобрений. [9]
На биоразнообразие почвы также влияет снижение аэрации почвы. Сильное уплотнение почвы может привести к снижению микробной биомассы . [30] Уплотнение почвы может влиять не на количество, а на распределение макрофауны, которая жизненно важна для структуры почвы, включая дождевых червей , из-за уменьшения крупных пор. [9] [31]
Все эти факторы отрицательно влияют на рост растений и, таким образом, в большинстве случаев приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. [32] Поскольку уплотнение почвы является постоянным, потеря урожая как одна из «затрат на уплотнение почвы» [33] может привести к опасениям долгосрочных экономических потерь.
Уплотнение почвы и его прямые последствия тесно взаимосвязаны с косвенными внешними последствиями, которые имеют глобальное воздействие, видимое только в долгосрочной перспективе. Накопление эффектов может привести к комплексным воздействиям на окружающую среду, способствующим постоянным глобальным экологическим проблемам, таким как эрозия, наводнения , изменение климата и потеря биоразнообразия почвы. [34]
Продовольственная безопасность
Уплотнение почвы приводит к снижению роста, урожайности и качества сельскохозяйственных культур. На местном уровне эти последствия могут оказывать незначительное воздействие на продовольственную безопасность . Однако если суммировать потери в снабжении продовольствием из-за уплотнения почвы, уплотнение может поставить под угрозу продовольственную безопасность. Особенно это актуально для регионов, подверженных засухам и наводнениям. Здесь уплотненная почва может способствовать высыханию верхнего слоя почвы и увеличению поверхностного стока . Кроме того, изменение климата может усугубить неблагоприятное уплотнение почвы. Это связано с тем, что изменение климата сопровождается такими явлениями, как волны тепла и штормы, которые могут увеличить риск засух и наводнений и возникновения дренажных систем.
Изменение климата и использование энергии
Почва хранит парниковые газы (ПГ). Его считают основным земным хранилищем углерода. [35] Обеспечивая круговорот питательных веществ и услуги по фильтрации, почва регулирует потоки парниковых газов. Потери газов из почвы в атмосферу часто усиливаются из-за влияния уплотнения почвы на проницаемость и изменения роста сельскохозяйственных культур. Когда уплотненные почвы переувлажнены или имеют повышенное содержание воды, они имеют тенденцию вызывать потери метана (CH 4 ) в атмосферу из-за повышенной активности бактерий. Выброс ПГ закиси азота (N 2 O) обусловлен также микробиологическими процессами в почве и усиливается применением азотных удобрений на пашне. [36]
Кроме того, уплотненный грунт требует дополнительных затрат энергии. Для обработки почвы используется больше топлива и удобрений по сравнению с неуплотненной почвой из-за ограничений роста сельскохозяйственных культур, вызванных снижением эффективности использования азота. Производство азотных удобрений очень энергозатратно.
Эрозия, наводнения и поверхностные воды
Снижение проницаемости уплотненного грунта может привести к локальным затоплениям. Когда вода не может проникнуть, затопление и заболачивание создают общий риск водной эрозии почвы. [37] На уплотненных почвах следы колес часто становятся отправной точкой стока и эрозии. Эрозия почвы может возникнуть на наклонных полях или особенно на холмистой местности. Это может привести к переносу отложений [56] . За исключением прямых негативных последствий для фермеров, риск поверхностного стока вблизи колеи колес косвенно влияет на окружающую среду за пределами фермы, поскольку он, например, перераспределяет «осадки, питательные вещества и пестициды внутри поля и за его пределами». [20] Особенно когда риск поверхностной эрозии почвы повышается, эвтрофикация поверхностных вод становится большой проблемой из-за увеличения количества питательных веществ. [38] На участках повышенного риска, таких как влажные почвы на склонах, навозная жижа может легко стекать. Это приводит к потере аммиака, который загрязняет поверхностные воды, так как создает недостаток кислорода. Эрозия почвы, вызванная уплотнением , приводит к гибели многих видов [37] , что приводит к ухудшению качества среды обитания и, следовательно, к потере видов.
Подземные воды
Еще один эффект за пределами объекта можно наблюдать в отношении грунтовых вод . Скорость инфильтрации пастбищной почвы без движения транспорта в пять раз выше, чем на почве с интенсивным движением транспорта. [39] Следствием этого может стать уменьшение пополнения подземных вод . Это представляет собой серьезный риск, особенно в засушливых регионах, страдающих от нехватки запасов воды. В регионах, где « недра обеспечивают значительную часть воды, необходимой сельскохозяйственным культурам для удовлетворения потребностей в транспирации» [40] , часто зависящих от сельского хозяйства, эта опасность уплотнения наиболее актуальна.
Более того, на уплотненных почвах вносится больше удобрений, чем могут усвоить растения. Таким образом, избыток нитратов в почве имеет тенденцию выщелачиваться в грунтовые воды, что приводит к загрязнению . Из-за снижения фильтрующей способности почвы микробное разложение пестицидов сдерживается, а также увеличивается вероятность попадания пестицидов в грунтовые воды . [37]
Уплотнение почвы можно определить в полевых условиях, в лаборатории или с помощью дистанционного зондирования. Для получения надежных данных и результатов необходимо сочетание различных методов, поскольку «не существует единого универсального метода выявления уплотненных грунтов». [41]
Такие явления, как переувлажнение на поверхности или в подземных слоях, видимое уменьшение пористости и изменение структуры почвы, влажность и цвет почвы, являются индикаторами уплотнения почвы в полевых условиях. [20] Из-за ослабленной аэрации в верхнем слое почвы может возникнуть сине-серый цвет почвы и запах сероводорода. Увеличение прочности грунта можно измерить с помощью пенетрометра, который по сути представляет собой прибор для измерения сопротивления грунта. Еще одним важным показателем уплотнения почвы является сама растительность. По закономерностям роста урожая, бледной окраске листьев и росту корней можно сделать выводы о степени уплотнения. [41] Особенно при попытке определить уплотнение почвы в полевых условиях с помощью упомянутых выше измерений считалось особенно важным провести сравнение между потенциально уплотненной почвой и неслежавшейся почвой поблизости.
Объемная плотность почвы, распределение пор по размерам, водопроницаемость и относительный кажущийся коэффициент диффузии газа дают хорошее представление о проницаемости почвы для воздуха и воды и, следовательно, о степени уплотнения. Поскольку крупные поры наиболее важны для инфильтрации, газообмена и транспорта воды, рекомендуется ориентироваться на них при измерении пористости и коэффициента диффузии. [42] Данные, полученные в лаборатории, надежны, если было проанализировано определенное количество образцов. Поэтому необходимо собрать большое количество проб почвы на всей интересующей пробной площади.
Дистанционное зондирование помогает распознавать изменения в структуре почвы, росте корней, емкости хранения воды и биологической активности. «Обнаружение этих особенностей непосредственно на поверхности голой почвы или косвенно через растительность приводит к выявлению этого типа деградации». [43] Это особенно полезно для больших площадей. В качестве предотвращения уплотнения почвы дистанционное зондирование может моделировать восприимчивость почв, учитывая текстуру почвы, величину уклона, водный режим и экономические факторы, такие как тип сельского хозяйства или используемая техника.
Уплотнение почвы часто носит локальный характер и зависит от многих факторов, которые могут варьироваться в пределах нескольких квадратных метров. Из-за этого очень сложно оценить восприимчивость почв к уплотнению в больших масштабах. Поскольку методы дистанционного зондирования не способны напрямую выявить уплотнение почвы, существуют ограничения на идентификацию, мониторинг и количественную оценку, особенно в глобальном масштабе. Упомянутые выше методы идентификации недостаточны для больших площадей, поскольку невозможно получить достаточно большой размер выборки, не нанося вреда почве и сохраняя финансовые возможности на разумном уровне.
Для частичного восстановления уплотненной почвы требуется несколько десятилетий, поэтому чрезвычайно важно принимать активные меры по регенерации почвенных функций. [44] Поскольку уплотнение почвы очень трудно выявить и обратить вспять, особое внимание необходимо уделять предотвращению и смягчению последствий уплотнения почвы.
Генеральная Ассамблея ООН согласилась совместно бороться с деградацией земель . В частности, государства-члены обязались «использовать и распространять современные технологии для сбора, передачи и оценки данных о деградации земель». [45]
Европейский Союз решает проблему уплотнения почв посредством Седьмой программы действий ЕС по охране окружающей среды, которая вступила в силу в 2014 году. Он признает, что деградация почв является серьезной проблемой, и заявляет, что к 2020 году землепользование должно осуществляться устойчиво во всем Союзе. [46]
Национальные правительства регулируют методы ведения сельского хозяйства, чтобы смягчить эффект уплотнения почвы. Например, в Германии фермеры действуют в соответствии с Федеральным законом об охране почв. Закон гласит, что фермеры обязаны принимать меры предосторожности в отношении уплотнения почвы в соответствии с признанной передовой практикой. [47] Передовая практика может варьироваться от случая к случаю и включать различные биологические, химические и технические методы.
Интродукция растений с глубокой корневой системой является естественным способом регенерации уплотненных почв. Культуры с глубокой корневой системой обеспечивают циклы увлажнения и высыхания, вызывающие растрескивание почвы, разрушение непроницаемых слоев почвы за счет проникновения корней и увеличение количества органических веществ . [ нужна цитация ] Техника зай [48] описывает систему посадочных ям, которые выкапываются в бедную почву. Эти ямы средним диаметром 20–40 см и глубиной 10–20 см заполняют органическим веществом, а затем засевают после первого дождя в сезоне. Этот метод сохраняет почву, улавливает воду и постепенно восстанавливает структуру и здоровье подстилающей почвы. [49] Систематическим способом регенерации деградированной почвы (например, уплотненной почвы) в долгосрочной перспективе является преобразование традиционного сельского хозяйства в агролесомелиорацию . Системы агролесомелиорации направлены на стабилизацию годового урожая, а также на поддержание здоровья экосистемы путем комбинирования выращивания сельскохозяйственных культур и деревьев на одном участке. [ нужна цитата ]
Поскольку уплотнение почвы может привести к снижению роста сельскохозяйственных культур и, следовательно, к снижению экономической урожайности, увеличивается использование удобрений, особенно азотных и фосфорных. Этот растущий спрос вызывает ряд проблем. Фосфор встречается в морских отложениях, магматических отложениях или в гуано . Фосфор, добываемый из морских отложений, содержит кадмий и уран. Оба элемента могут оказывать токсическое воздействие на почву, растения и, следовательно, на людей и животных как потребителей.
Еще одной возможностью повысить плодородие почвы помимо применения минеральных удобрений является известкование. Путем известкования уровень pH и насыщенность основаниями следует поднять до уровня, более подходящего для микроорганизмов и особенно дождевых червей в верхнем слое почвы. За счет повышения активности почвенной фауны должно быть достигнуто разрыхление почвы и, как следствие, повышение ее пористости, улучшение водо- и воздухопроницаемости. [50]
Технические методы в основном направлены на снижение и контроль давления, оказываемого на почву тяжелой техникой. Во-первых, идея контролируемого движения колес состоит в том, чтобы разделить колеи колес и зону для укоренения растений. [51] Ожидается сокращение площадей, уплотняемых шинами, что уменьшит негативное воздействие на рост сельскохозяйственных культур. В некоторых районах были внедрены технологии на основе ГИС для лучшего мониторинга и контроля путей движения. [20]
Низкое давление в шинах — это еще один способ распределить давление на большую поверхность и смягчить общее давление. Для комплексного управления рекомендуется компьютерное моделирование посевного двора на предмет уязвимости к уплотнению, чтобы избежать проезда по уязвимой почве. [52]
Отсутствие обработки почвы может способствовать улучшению состояния почвы, поскольку она сохраняет больше воды, чем традиционная обработка почвы, [51] однако, поскольку обработка почвы представляет собой подготовку посевного двора к предстоящему посеву или процессу посадки, отсутствие обработки почвы не обязательно дает положительный результат во всех случаях. Разрыхление уже уплотненных слоев почвы путем глубокого рыхления может быть полезным для роста растений и состояния почвы.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )