Оценка экологического состояния почв придорожных зон улиц г. Оренбурга (на примере улицы Карагандинская)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Геолого-географический факультет

Кафедра экологии и природопользования

Курсовая работа

по дисциплине "Экологический мониторинг"

«Оценка экологического состояния почв придорожных зон улиц г. Оренбурга» (на примере улицы Карагандинская)

Оренбург 2013



Введение

Почвенный покров образует одну из геофизических оболочек Земли - педосферу. Основные геосферные функции почвы как природного тела обусловлены положением почвы на стыке живой и неживой природы. И главная из них - обеспечение жизни на Земле. Именно в почве укореняются наземные растения, в ней обитают мелкие животные, огромная масса микроорганизмов. В результате почвообразования именно в почве концентрируются жизненно необходимые организмам вода и элементы минерального питания в доступных для них формах химических соединений. Таким образом, почва - условие существования жизни, но одновременно почва - следствие жизни на Земле.

Почве принадлежит важная роль и в природной среде обитания человека. Прежде всего потому, что почва - основное средство сельскохозяйственного производства, относящееся к категории невозобновимых природных ресурсов. Международные декларации и соглашения по проблемам природопользования ("Всемирная стратегия охраны природы", "Всемирная почвенная хартия", "Основы мировой почвенной политики") утверждают значение почвы как всеобщего достояния человечества, рационально использовать и охранять которое должны все люди Земли. Поэтому вопросы землепользования затрагивают комплекс сложных проблем социально-экономического характера: вопросы земельной собственности, земельного законодательства, земельного права, экономической оценки земель и т.д.

По отношению к окружающей среде и человеку почва важную роль - протекторную. Обладая способностью поглощать и удерживать в себе различные загрязняющие вещества, в том числе и радионуклиды, связывая их химическим и физическим путем, почва тем самым служит своеобразным фильтром, предотвращающим поступление этих соединений в природные воды, растения и далее по пищевым цепям в животные организмы и человека. Однако возможности почвы в этом отношении небезграничны, а уровень техногенного прессинга все возрастает, поэтому все чаще наблюдаются случаи опасного загрязнения почв и последующего отравления людей.

Современное состояние почвенного покрова нашей страны неудовлетворительное и продолжает ухудшаться. Это следует из официальных данных. 40 млн. га представлены низкоплодородными засоленными и солонцовыми почвами, 26 млн. га переувлажнены и заболочены, 5 млн. га загрязнены радионуклидами, из 186 млн. га сельскохозяйственных угодий около 60 млн. га эродированы, в некоторых южных районах России (например, в Калмыкии) идет опустынивание. Для преодоления дальнейшего развития деградации почв, в том числе знаменитого русского чернозема - национального достояния страны, необходимы меры по их защите, и прежде всего совершенствование земельного законодательства.

Целью данной работы является оценка экологического состояния почвы придорожной зоны улицы Карагандинской г. Оренбурга. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- исследование содержания загрязняющих веществ в почве;

- определить рН почвы;

- провести ранжирование по рН придорожной территории;

- рассчитать коэффициент концентрации загрязняющих веществ и показатель химического загрязнения (ПХЗ) почвы;

- дать оценку степени экологического неблагополучия территории по показателю химического загрязнения.



1. Почва как биокостная система

1.1 Основные функции и свойства почвы

Первое научное определение понятия «почва» дал В.В. Докучаев. Он впервые установил, что почва - самостоятельное природное тело, образовавшееся в результате совокупной деятельности пяти факторов почвообразования: материнской породы, растительных и животных организмов, климата, рельефа местности, возраста страны.

Новое определение почвы дал В.Р. Вильямс. По Вильямсу, почвой называется рыхлый слой земной коры, способный производить урожай растений. Существенным свойством почвы является плодородие, которое отличает почву от бесплодной горной породы. Под плодородием понимают способность почвы удовлетворять потребности растений в элементах питания и воде. В отличие от космических факторов (света и тепла), получаемых от солнца, вода и питательные вещества - это земные факторы, на которые можно воздействовать с целью обеспечения ими культурных растений в течение всего вегетационного периода. Этим и определяется значение почвы как основного средства сельскохозяйственного производства.

Почвенный покров образует одну из геофизических оболочек Земли - педосферу. Основные геосферные функции почвы как природного тела обусловлены положением почвы на стыке живой и неживой природы. И главная из них - обеспечение жизни на Земле. Именно в почве укореняются наземные растения, в ней обитают мелкие животные, огромная масса микроорганизмов. В результате почвообразования именно в почве концентрируются жизненно необходимые организмам вода и элементы минерального питания в доступных для них формах химических соединений. Таким образом, почва - условие существования жизни, но одновременно почва - следствие жизни на Земле.

Запасание энергии - следующая общая функция почвы. Почва является важнейшим условием фотосинтетической деятельности растений. Этим путем аккумулируется на Земле колоссальное количество энергии. Другие источники энергии (реки, ветер, ядерное топливо) дают неизмеримо меньше энергии. И в настоящее время и, вероятно, еще долго в будущем именно система почва - растения - животные будет главным поставщиком трансформированной энергии Солнца человечеству. Живое вещество неустойчиво, после отмирания организмов оно быстро разрушается, минерализуется, и только небольшая часть его превращается в почве в гумус и надолго сохраняется, обеспечивая нормальное функционирование почв в биосфере.

Третья глобальная функция почвы - обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговоротов веществ, так как биогеохимические циклы элементов, в том числе таких важнейших биофилов, как углерод, азот, кислород, осуществляются через почву. Эти элементы в разной форме и в разных соотношениях участвуют в синтезе органического вещества растениями. Затем они проходят сложный цикл превращений в почве, и часть продуктов поступает в атмосферу и гидросферу. Тем самым почва участвует в процессе регулирования состава атмосферы и гидросферы. Это четвертая глобальная функция почвы.

Пятая глобальная функция почвы - регулирование биосферных процессов, в частности плотности и продуктивности живых организмов на земной поверхности. Почва обладает не только плодородием, она имеет и свойства, лимитирующие жизнедеятельность тех или иных организмов. Не случайно зарождение древних цивилизаций происходило в тех регионах нашей планеты, где естественное плодородие почв особенно велико. Таким образом, почва - основное средство производства и объект труда в сельском хозяйстве, а ее распределение - причина острых социальных конфликтов.

К факторам почвообразования относятся: почвообразующие породы, растительные и животные организмы, климат, рельеф, возраст, вода (почвенная и грунтовая), хозяйственная деятельность человека.

Почвообразующие породы: Почвообразующие породы - субстрат, на котором образуются почвы; они состоят из различных минеральных компонентов, в той или иной степени участвующих в почвообразовании. Минеральное вещество составляет 60-90% всего веса почвы. От характера материнских пород зависят физические свойства почвы - водный и тепловой ее режимы, скорость передвижения веществ в почве, минералогический и химический состав, первоначальное содержание элементов питания для растений.

От характера материнских пород в большой мере зависит и тип почв. Например, в условиях лесной зоны, как правило, формируются почвы подзолистого типа. Если в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат повышенное количество карбонатов калия, формируются почвы подзолистого типа. Если в пределах этой зоны почвообразующие породы содержат повышенное количество карбонатов кальция, формируются почвы, значительно отличающиеся от подзолистых.

Растительность: Органические соединения почвы формируются в результате жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов. Основная роль при этом принадлежит растительности. Зеленые растения являются практически единственными создателями первичных органических веществ. Поглощая из атмосферы углекислый газ, из почвы - воду и минеральные вещества, используя энергию солнечного света, они создают сложные органические соединения, богатые энергией. Наибольшее количество органических веществ дают лесные сообщества, особенно в условиях влажных тропиков. Меньше органического вещества создается в условиях тундры, пустынь, болотистой местности и т.п.



Растительность оказывает влияние на структуру и характер органических веществ почвы, ее влажность. Степень и характер влияния растительности как почвообразующего фактора зависит от видового состава растений, густоты их стояния, химизма и многих других факторов.

Животные организмы: Основная функция животных организмов в почву преобразование органических веществ. В почвообразовании принимают участие как почвенные, так и наземные животные. В почвенной среде животные представлены главным образом беспозвоночными и простейшими. Некоторое значение имеют также позвоночные (например, кроты и др.), постоянно живущие в почве. Почвенные животные делятся на две группы: биофагов, питающихся живыми организмами или тканями животных организмов, и сапрофагов, использующих в пищу органическое вещество.

Растительные и животные остатки, попадая в почву, подвергаются сложным изменениям. Определенная их часть распадается до углекислоты, воды и простых солей (процесс минерализации), другие переходят в новые сложные органические вещества самой почвы.

Микроорганизмы: Огромное значение в осуществлении этих процессов в почве имеют микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, низшие грибы, одноклеточные водоросли, вирусы и др.), весьма разнообразные как по своему составу, так и по биологической деятельности. Микроорганизмы в почве исчисляются миллиардами на 1 га. Они принимают участие в биотическом круговороте веществ, разлагают сложные органические и минеральные вещества на более простые. Последние утилизируются как самими микроорганизмами, так и высшими растениями. Органическое вещество почвы, образовавшееся в ней при разной степени разложения растительных и животных остатков, получило название гумус или перегной.

Климат: К числу важнейших факторов почвообразования относится климат. С ним связаны тепловой и водяной режимы почвы, от которых зависят биологические и физико-химические почвенные процессы. Под тепловым режимом понимают совокупность процессов теплообмена в системе «приземный слой воздуха - почва - почвообразующая порода». Тепловой режим обуславливает процессы переноса и аккумуляции тепла в почве. Характер теплового режима определяется главным образом соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии Солнца и теплового излучения почвы. Он зависит от окраски почвы, характера поверхности, теплоемкости, влажности и других факторов. Заметное влияние на тепловой режим почвы оказывает растительность.

Водный режим: Водный режим почвы в основном определяется количеством атмосферных осадков и испаряемостью, распределением осадков в течение года, их формой (при ливневых дождях вода не успевает проникнуть в почву, стекает в виде поверхностного стока).

Климатические условия: Климатические условия оказывают косвенное влияние и на такие факторы почвообразования, как почвообразующие породы, растительный и животный мир и др. С климатом связано распространение основных типов почв.

Рельеф: Рельеф - один из факторов перераспределения по земной поверхности тепла и воды. С изменением высоты местности меняются водный и тепловой режимы почвы. Рельефом обусловлена поясность почвенного покрова в горах. С особенностями рельефа связан характер влияния на почву грунтовых, талых и дождевых вод, миграция водорастворимых веществ.

Время: К числу факторов почвообразования относится время - необходимое условие для любого процесса в природе. Абсолютный возраст почв Восточно-европейской равнины, Западной Сибири, Северной Америки и Западной Европы, определенный радиоуглеродным методом, - от нескольких сотен до нескольких тысяч лет. Наконец, существенным фактором почвообразования, особенно в последнее время, является хозяйственная деятельность человека.

Физические свойства почвы связаны с ее дисперсностью (раздробленностью на отдельные частицы) и пористостью (степенью примыкания частиц почвы друг к другу). Благодаря дисперсности и пористости в почвах можно выделить три фазы - твердую, жидкую, газообразную, находящиеся во взаимодействии друг с другом.

Наименее подвижная часть - твердая фаза почвы и особенно минеральные частицы; более подвижные - органические вещества и еще более динамичные - жидкая и газообразная фазы. Поэтому физические свойства могут быть разделены на общие физические, физико-механические, водные, воздушные и тепловые.

1.2 Общие физические свойства почвы

К числу общих физических свойств почвы относят относительную плотность, объемную плотность и пористость.

Относительная плотность почвы - это отношение массы ее твердой фазы к массе воды в том же объеме при температуре +4° С. Величина относительной плотности почв зависит от плотности входящих в нее частиц минералов и их соотношения, а также от количества органического вещества. Обычно плотность минеральных горизонтов почв колеблется в пределах 2,4-2,8, а органогенных от 1,4 до 1,8 (торф). Плотность верхних гумусированных горизонтов почв в среднем равна 2,5-2,6, нижних - 2,6-2,7.

Объемная плотность почвы - масса единицы объема абсолютно сухой почвы, взятой в естественном сложении, выраженная в г/см3. Объемная плотность - одно из важнейших свойств, определяющих способность почвы пропускать и удерживать влагу, воздух, сопротивляться орудиям обработки почвы и т.д. Объемная плотность зависит от типа растительности, механического и минералогического составов почвы (дисперсности), сложения, оструктуренности и степени обработки почв.

Наименьшая объемная плотность обычно наблюдается в верхних горизонтах почв, наибольшая - в иллювиальных и глеевых горизонтах.

У хорошо оструктуренных, рыхлых дерново-подзолистых почв наименьшая объемная плотность наблюдается в лесных подстилках - 0,15 - 0,40 г/см3, в гумусовых горизонтах она повышается до 0,8-1,0, в подзолистых - до 1,4-1,45, иллювиальных - до 1,5 - 1,6 и в материнской породе - до 1,4 - 1,6 г/см3. Величина объемной плотности почв зависит от типа растительности. Так, в гумусовых горизонтах под сомкнутыми ельниками она равна 0,9 - 1,1, под березняками - 1,0 -1,3, под злаками - 1,2 -1,4 г/см3.

Каждый вид растений способен поддерживать объемную плотность почв на том или ином уровне, т. е. в определенном интервале величин. Наиболее благоприятная для растительности величина объемной плотности верхних горизонтов почв колеблется в пределах 0,95 -1,15 г/см3. Предельной величиной характеризуются глеевые горизонты почв с максимальной объемной плотностью 2,0 г/см3. Если объемная плотность почв равна 1,6 -1,7 г/см3, корни древесных пород практически в почву не проникают (при плотности почвы 2,66 - 2,70 г/см3), а сельскохозяйственные культуры снижают урожай в 3 - 4 раза.

Почву считают рыхлой, если объемная плотность гумусовых горизонтов равна 0,9 - 0,95, нормальной - 0,95 - 1,15, уплотненной - 1,15 -1,25 и сильноуплотненной - более 1,25 г/см3.

Пористость (порозность или скважность) - суммарный объем всех пор и промежутков между частицами твердой фазы почвы. Ее вычисляют по плотности и объемной плотности почвы и выражают в % объема почвы по формуле. Различают несколько форм пористости, главнейшими из них являются капиллярная и некапиллярная. Капиллярная пористость обычно измеряется в лабораторных условиях и равна количеству воды, удерживаемому тонкими капиллярными промежутками между частицами твердой фазы почвы. Обычно чем больше глинистых частиц, тем больше капиллярная пористость. В оструктуренных почвах вода между комочками вытекает из-за большого размера пор, а в самих комочках удерживается в капиллярах. Разница между общей и капиллярной пористостью составляет некапиллярную пористость.

Наибольшая пористость (80-90%) наблюдается в лесных подстилках, травяном войлоке, торфах, т. е. органогенных горизонтах. В минеральных гумусированных горизонтах она равна 55-65%, в верхних безгумусных 45-55%, в нижних горизонтах почвы может быть ниже 45%. Минимальная пористость наблюдается в глеевых горизонтах почв и равна около 30%.

Для развития корневых систем древесных пород наилучшие условия создаются при пористости почв, равной 55-65%; при пористости 35-40% корни проникают в почву с трудом, а при пористости глеевых горизонтов она практически становится корне непроницаемой. Большое значение имеет некапиллярная пористость. Для наиболее освоенных корнями горизонтов она, как правило, более 10%; при снижении ее до 3% нижние горизонты почв становятся малодоступными для корней. Некапиллярная пористость обеспечивает проникновение воздуха в почву--аэрацию. Для нормального развития растений важно, чтобы почвы имели высокую капиллярную пористость и пористость аэрации не менее 20% объема почвы.

1.3 Физико-химические свойства почвы

Наиболее важными физико-механическими свойствами являются пластичность, липкость, набухание, усадка, связность, твердость и спелость. Большая часть этих свойств связана с количеством глинистых или илистых частиц и влажностью почвы.

Пластичность - способность влажной почвы необратимо менять форму без образования трещин после приложения определенной нагрузки. Пластичность характеризуется числом Аттеберга. Верхним пределом пластичности считают влажность, при которой почва начинает течь, а нижним -- влажность, при которой почва перестает скатываться в шнур без трещин диаметром более 3 мм. Пески имеют число пластичности - 0, супеси - 0 -7, суглинки - 7 - 17, глины - более 17. Пластичность почвы широко используется при определении механического состава почв, при скатывании шнуров и шаров, при расчетах тяговых усилий по обработке почв.

Липкость - свойство влажной почвы прилипать к другим телам, в том числе к поверхности сельскохозяйственных орудий; она измеряется нагрузкой в 9,8 Па, необходимой для отрыва металлической пластинки от влажной почвы. Липкость зависит от механического состава почв, оструктуренности, количества органического вещества, насыщенности почв различными катионами. Почвы супесчаные и песчаные, оструктуренные, богатые органикой имеют меньшую липкость. По липкости почвы делятся на предельно липкие (>147 Па), сильно вязкие (49,0-147 Па), средние (19,6-49,0 Па), слабо вязкие (19,6 Па).

Набухание - свойство почв и глин увеличивать свой объем при увлажнении. Оно зависит от величины илистой части почвы, ее минерального состава, состава обменных катионов. Больше набухают глины, особенно состоящие из монтмориллонита и насыщенные Na или Li. Набухание выражают в объемных % по отношению к исходному объему по формуле. Усадка - сокращение объема почвы при ее высыхании. Это явление обратное набуханию, зависящее от тех же условий, что и набухание. Измеряется в объемных % по отношению к исходному объему по формуле

При усадке почва может покрываться трещинами, возможны формирование структурных агрегатов, разрыв корней, усиление испарения. Усадка вызывает изменение процессов разложения органических веществ, увеличение аэробиозиса почвы.

Связность - способность почв оказывать сопротивление разрывающему усилию. Она обусловлена силами сцепления между частицами и зависит от состава коллоидов и катионов. Наиболее связными являются глины, малооструктуренные почвы, насыщенные одновалентными катионами. Связность измеряется в Па при испытании образцов на сдвиг, разрыв, изгиб, раздавливание. В легких почвах органическое вещество и некоторая влажность увеличивают связность, в суглинистых, наоборот, уменьшают. Связность почвы влияет на качество обработки и сопротивление воздействию машин и орудий.

Твердость почвы - способность сопротивляться сжатию и расклиниванию. Измеряется с помощью твердомеров и выражается в Па. Твердость почвы зависит от механического состава, состава насыщающих почву катионов и влажности. По мере увлажнения почвы ее твердость уменьшается, при насыщении одновалентными металлами - увеличивается, малогумусовые почвы тверже гумусовых, оструктуренные почвы менее тверды, чем неоструктуренные.

Спелость почвы - такое состояние, при котором она не прилипает, хорошо крошится, имеет наименьшее удельное сопротивление и не пылит. Различают физическую и биологическую спелости. Физическая спелость наблюдается при оптимальной влажности, которая колеблется в пределах 40--60% полной влагоемкости. Биологическая спелость, по Д. И. Менделееву, такое состояние почвы, при котором она «подходит, как тесто» от наличия в ней углекислого газа или максимальной биологической активности микроорганизмов (разложения и переработки органических веществ, освобождения элементов питания).

1.4 Водные свойства и водный режим почвы

Вода - важнейший фактор жизни па Земле. Она входит в состав всех живых организмов, участвуя практически во всех процессах, связанных с развитием растений. Вода играет огромную роль в формировании и развитии почвенного покрова.

Влагоемкость - количество воды, характеризующее водоудерживающую способность. Она выражается в процентах массы почвы, а при учете объемной плотности - в мм для определенного слоя почвы. Влагоемкость, как правило, увеличивается при увеличении количества глинистых частиц в почве. Наибольшей влагоемкостью обладают органогенные горизонты - лесные подстилки и торф, удерживающие влагу в 5-20 раз больше своей массы.

Различают максимальную молекулярную, наименьшую, капиллярную и полную влагоемкость почвы.

Продуктивная влага - количество воды, доступное для растений. Водоподъемная способность - свойство почвы вызывать капиллярный подъем влаги от грунтовых вод, образуя капиллярную кайму. Если капиллярная кайма выходит на поверхность почв, то наблюдаются либо процессы заболачивания (на севере), либо засоления почв (на юге).

Водоподъемная способность зависит от механического состава. В песках капиллярная кайма имеет высоту до 0,7-0,8 м, в супесях до 1,0-1,5 м, в средних и тяжелых суглинках до 3-5 м. Водоподъемная способность для легких по механическому составу почв может быть вычислена по формуле.

Водопроницаемость - способность почвы пропускать воду; измеряется количеством мм водного слоя в 1 мин (мм/мин). Зависит от механического состава, объемной плотности, водопрочности структуры и влажности и поэтому меняется во времени.

Различают две стадии процесса - впитывание и фильтрацию (просачивание). Впитывание происходит до тех пор, пока поры почвы не заполнятся водой, а фильтрация - после заполнения их и образования сплошного потока жидкости.

Водопроницаемость играет большую роль, как в жизни почв, так и в сохранении почвенного плодородия. Высокая водопроницаемость лесных подстилок обеспечивает впитывание влаги в почву после ливней, таяния снега. Наоборот, низкая фильтрация уплотненных горизонтов способствует образованию поверхностного стока воды, эрозионных процессов, формированию внутрипочвенной верховодки, заболачиванию и непродуктивному испарению влаги в атмосферу.

Испаряющая способность почвы зависит от ее механического состава, степени оструктуренности, покрытия поверхности почвы мертвым и живым покровом, а также от рельефа, климата и степени увлажнения участка.

Максимальное испарение наблюдается на оголенных бесструктурных, насыщенных до капиллярной влагоемкости участках почв, минимальное - с поверхности крупнозернистых песков и участков, покрытых лесной подстилкой или мульчей.

Водный баланс почвы - это совокупность всех видов поступления влаги в почву и ее расходование из определенного слоя за конкретный промежуток времени. Водный баланс почв рассчитывают по результатам измерения приходных и расходных статей, выраженных в мм водного слоя.

При самом простом расчете, особенно для длительных многолетних периодов в районах с установившимся климатом, предполагается, что приход воды в почву (П) равен ее расходу из почвы (Р), ЗВ - запас влаги. Однако в природе, особенно для кратковременных периодов, такое положение сохраняется редко, так как из года в год колеблется как количество влаги, поступающей в почву, так и ее расход. Например, в жаркое сухое лето количество влаги, поступающей в почву, уменьшается, а испарение с поверхности почвы, транспирация и десукция (отсасывание воды корнями из почвы) увеличиваются. Недостающая влага берется растениями из почвенных запасов.

И, наоборот, во влажные годы расход может быть меньше прихода, и тогда запасы влаги в почве пополняются. Этот же процесс повторяется и по временам года. Весной происходит накопление воды, которая постепенно расходуется в летний период.

Поэтому для расчета баланса может быть использована формула П = Р±ЗВ.

Наиболее крупными статьями прихода влаги на какой-либо участок можно считать атмосферные осадки, достигшие поверхности почвы, приток влаги из грунтовых вод, поступление воды с навеваемым снегом, боковой приток воды по поверхности почвы, приток внутрипочвенной влаги (почвенной верховодки).

Наиболее крупными статьями расхода влаги являются: испарение влаги из почвы, испарение влаги осадков, задержанных кронами деревьев, испарение с травяного покрова, испарение с лесных подстилок, отсасывание воды корнями на транспирацию растений, сток поверхностный, сток внутрипочвенный, отток влаги в грунтовые воды. При наблюдениях учитывается запас влаги в начале наблюдений и запас влаги в почве в конце наблюдений.

Для плоских участков или средних частей ровных склонов с глубоким залеганием грунтовых вод приток и отток воды одинаков. Учитывая, что физическое испарение с поверхности растений, лесной подстилки и поверхности почвы равно суммарному испарению.

Формула водного баланса может меняться в зависимости от климатических условий, местоположения участка, тина растительности и других условий. Она используется для количественного выражения использования влаги под различными типами растительности, изучения их влияния на водный режим почв, выявления водорегулирующей роли тех или иных культур и насаждений, определения их потребности во влаге.

Сопоставляя данные прихода и расхода влаги, можно сделать вывод: если в почву поступает влаги больше, чем ее расходуется, значит, избыточная влага пополняет запасы грунтовой воды, и наоборот.

1.5 Воздушные свойства почвы

Благодаря пористости почва обладает воздухопроницаемостью. Воздухопроницаемость - свойство почвы пропускать воздух через поры, не занятые водой. Общий объем почвенных пор выше наименьшей влагоемкости (капиллярно-подвешенной влаги) называют воздухоемкостью, а общий объем пор, свободных от влаги, воздухосодержанием, или порозностью аэрации. Воздухоемкость и воздухосодержание выражаются в процентах объема почвы.

Воздушные свойства почвы зависят от влажности, объемной плотности, механического состава, структурности почвы. Благодаря воздухопроницаемости и порозности аэрации в почвах в том или ином количестве присутствует почвенный воздух. Почвенный воздух - газы, находящиеся в порах почвы, свободных от влаги; количество его выражается в процентах объема почвы, его содержание меняется в зависимости от динамики влажности почв в данной местности.

Почвенный воздух может находиться благодаря коллоидам в поглощенном состоянии, растворенным в почвенной влаге (вода может поглощать до 1-2%), в защемленном состоянии (когда воздух находится в порах, со всех сторон окруженных водной пленкой) и в свободном состоянии.

Почвенный воздух хорошо дренированных почв содержит (%): азота 78, кислорода 21, аргона 0,9, углекислого газа 0,03 и по составу мало отличается от атмосферного. В нем, однако, больше углекислоты и меньше кислорода.

В зависимости от пористости, влажности, состава растений, количества органических веществ, микроорганизмов, содержание О2 и СО2 в почвенном воздухе может меняться от 0 до 20%. Различия в концентрации О2 и СО2 определяются интенсивностью использования О2, выработкой СО2 и быстротой обмена газового состава между атмосферным и почвенным воздухом - аэрацией.

Аэрация, или газообмен почвенного воздуха с атмосферным, осуществляется благодаря воздухопроницаемости почвы. Перемещение молекул происходит вследствие различия парциального давления газов (диффузии). Так как в почвенном воздухе больше углекислоты, чем в атмосферном, в первую очередь в почву поступает кислород, а выходит из нее углекислота. Процесс диффузии газов в самой почве происходит в 5-20 раз медленнее, чем в атмосфере. На аэрацию оказывает влияние поступление влаги в почву, которая вытесняет воздух в атмосферу.

Значительное влияние на газообмен оказывают верховодки и близлежащие (1,5-2,0 м) грунтовые воды с переменным уровнем. При подъеме уровня воды воздух, обогащенный углекислотой, выталкивается в атмосферу, а при опускании уровня воды происходит втягивание атмосферного воздуха, обогащенного кислородом. В этом положительная роль грунтовых вод. Аэрация усиливается благодаря изменению температуры и барометрического давления атмосферы. Нагревание почвы сопровождается расширением газов и их выходом в приземной слой воздуха; то же самое происходит при уменьшении атмосферного давления. И, наконец, газообмен почв усиливается при действии ветра в приземном слое, обычно занятом той пли иной растительностью.

Значение почвенного воздуха и аэрации для почвенных процессов, жизни растений и микроорганизмов определяется составом почвенного воздуха и, в частности, соотношением кислорода и углекислоты.

Значительная часть почвообразовательных процессов, связанных с разложением органических веществ, сопровождается окислительными процессами, активной микробиологической деятельностью. Поэтому самые верхние органогенные горизонты поглощают значительное количество кислорода. Так, лесная подстилка способна поглотить до 400 мл/кг кислорода, гумусовые горизонты поглощают от 0,5 до 3 мл на 1 кг абсолютно сухого вещества, а нижние горизонты подзолистых почв - десятые и сотые доли миллилитра.

Поглощается кислород и растущими корнями растений, микроорганизмами. Причем во всех случаях в почвенный воздух выделяется углекислый газ, количество которого обеспечивает фотосинтез растений на 40-70%. При недостатке кислорода создаются анаэробные условия, замедляются процессы разложения органических веществ, сменяются группы микроорганизмов, изменяется валентность Fe и Мn, начинаются процессы оторфовывания, оглеения, разрушения почвенной структуры с образованием плотных горизонтов.

Анаэробные условия складываются в почвах при содержании кислорода 2,5-5% или, если его меньше 5,5 см3 в 1 кг почвы. В результате недостатка кислорода в почве изменяются интенсивность и направление почвообразования, а почвенный воздух насыщается недоокисленными соединениями (метан, сероводород, ароматические вещества) и главным образом углекислотой, содержание которой может достигать 15-20% объема.

Находящийся в почвах углекислый газ способствует образованию (при реакции выше рН 5) бикарбонатов. При реакции среды ниже рН 5 углекислый газ способствует растворению карбонатов и, по-видимому, образуя угольную кислоту, может участвовать в процессах химического и биохимического выветривания, способствуя перемещению различных веществ по профилю почв. При недостатке кислорода прекращается рост корней, проростков, элементы питания становятся недоступными, а изменяющиеся физические условия в почве приводят к прекращению роста растений и потере почвенного плодородия.

Для обеспечения наилучших условий газового состава почвенного воздуха, аэрации, роста растений и развития микроорганизмов необходимо, чтобы порозность аэрации верхних горизонтов почвы находилась в пределах 15-20% объема почвы.

Соотношение в почвах О2 и СО2 постоянно меняется в связи с сезонными и годовыми циклами развития растений и климатическими факторами.

Улучшение воздушного режима почвы прямо связано с обычными агротехническими приемами по регулированию физических свойств почв и водного режима. Повышение аэрации почв достигается уменьшением увлажнения верхних горизонтов. Однако для роста растений требуется оптимальное соотношение между почвенным воздухом и влагой, что достигается лишь в хорошо оструктуренных почвах добавлением органических удобрений при вспашке. Хороший эффект дает осушение болот, создание микро повышений, лесомелиоративных насаждений.

1.6 Тепловые свойства почвы

Источником тепла в почве является тепло энергии Солнца. Среднее количество тепла, поступающее на поверхность Земли, составляет 8,15 Дж/С° на 1 см2 в минуту (солнечная постоянная). Часть этого тепла отражается от поверхности Земли, а часть рассеивается в атмосферу растительным покровом, поэтому к поверхности почвы приходит значительно меньшее количество энергии, которая поглощается и передается вглубь почвы благодаря ее тепловым свойствам.

Теплопоглотительная способность обеспечивает поглощение части лучистой энергии Солнца, которая затем превращается в тепловую, часть же лучистой энергии отражается от поверхности почвы. Отношение отраженной части энергии к полной выражается альбедо. Альбедо идеально отражающей поверхности равно 100, а абсолютно черного тела 0. Максимальное альбедо имеет снег - 88-91, минимальное - чернозем сухой- 14. У серозема сухого альбедо составляет 25- 30, песок желтый или белый имеет альбедо 34-40.

У влажных почв значительно меньшая отражательная способность (так, альбедо чернозема влажного равно 8, серозема 10-12).

Теплоемкость (массовая) - количество тепла, необходимое для нагревания 1 г сухой почвы на ГС (Дж/С°), или 1 см3 почвы на ГС (Дж/С° на Г). Массовая теплоемкость абсолютно сухих минеральных почв колеблется в довольно узких пределах - от 0,15 до 0,20. Она очень сильно зависит от влажности почв. У влажных песчаных почв она возрастает до 0,7, у суглинков до 0,8, у торфов до 0,9. Поскольку песчаные почвы имеют меньше влаги и, следовательно, прогреваются и остывают быстрее, их называют «теплыми».

Теплоемкость почв зависит от тех их свойств, которые влияют на поглощение воды, а именно от гидрофильности коллоидов, содержания илистых частиц, наличия и характера органического вещества.

Теплопроводность - свойство почвы проводить тепло с той или иной скоростью. Она измеряется количеством тепла в джоулях (Дж), проходящим через 1-сантиметровый слой сухой почвы площадью 1 см2. Тепло передается конвекционно через газ, жидкость или твердые частицы. Медленнее всего тепло проводит сухая структурная, богатая органикой почва. Наиболее быстро проводит тепло минеральная часть почвы; чем крупнее частички, тем больше теплопроводность: крупные песчаные частицы нагреваются в 2-2,5 раза быстрее, чем, например, пыль. Теплопроводность почв зависит от их плотности: при увеличении плотности с 1,1 до 1,6 теплопроводность возрастает в 2-2,5 раза. При увеличении же пористости от 30 и выше теплопроводность падает. Влажные почвы более теплопроводны, чем сухие.

Тепловой режим почвы определяется совокупностью явлений поглощения, передвижения и отдачи тепла. Тепловой режим почвы определяется распределением температур на разной глубине и в разные периоды.

В европейской части России минимальные температуры устанавливаются в почвах в январе или феврале, максимальные в июне и июле. Различают суточные и годовые колебания температур в почве. Наибольшее колебание их наблюдается в верхнем слое, а минимальные изменения на глубине 3--5 м. Каждому почвенному типу присущи свои пределы колебания температур на глубине 20 см. Поэтому основным показателем теплового режима является средняя температура на этой глубине за определенный период времени. Так, средняя температура за теплый период для подзолистых почв колеблется в пределах 6-10°С, черноземов -11-15°С, каштановых 14-16°С. Суточный ход температур имеет форму синусоиды с максимумом около 13 ч и минимумом 4-5 ч (перед восходом солнца), причем суточный перепад температур может достигать 25- 30° С.

Роль теплового режима для растений и биологических процессов определяется количеством тепла, влаги и воздуха в почве. Наилучший рост корневых систем растений наблюдается в интервале 10 - 25° С. С увеличением количества тепла происходит размножение бактерий, повышается их биологическая активность, а следовательно, переработка органического вещества, усиливается процесс газообмена и передвижения влаги в почве. При снижении температуры все процессы замедляются, а при падении температуры ниже 0 °С начинается замерзание почвы. Следует отметить, что почвенная влага, как правило, при 0 °С не замерзает. При температурах ниже -10 °С замерзает почти вся влага, за исключением прочносвязанной. В это время происходит передвижение влаги к поверхности из нижних горизонтов. При промерзании почвы влажность верхних горизонтов может превышать полную влагоемкость из-за раздвигания почвенных частиц кристаллами образующегося льда. В отдельных горизонтах может накапливаться до 100 мм осадков.

Промерзание почвы имеет как положительное, так и отрицательное значение. Положительное значение промерзания выражается в образовании почвенной структуры, миграции почвенных животных в нижние слои, способствующей разрыхлению почвы и улучшению ее водопроницаемости, задержке начала вегетации для растений, боящихся заморозков. Отрицательное значение промерзания состоит в понижении водопроницаемости и, следовательно, усилении стока, задержке микробиологических и химических процессов, выжимании растений и задержке их развития.

Промерзание почвы и его глубина зависят от толщины снежного покрова, лесной подстилки, густоты и мощности напочвенного покрова. В лесу почвы часто промерзают на значительно меньшую глубину, чем в поле.

Оттаивание почвы зависит от количества тепла в почве и в атмосфере, а также от толщины снежного покрова. Оттаивание может идти тремя путями: снизу за счет тепла почвы, снизу и сверху за счет быстрого схода снега и тепла почвы и только сверху, если почва промерзает до слоя вечной мерзлоты. После оттаивания почва оказывается более рыхлой и влажной, а если оттаивание произошло до активного снеготаяния, почва поглощает талую воду и насыщается ею до большой глубины. При дальнейшем прогревании создаются благоприятные условия для роста растений, развития микробиологических процессов -- почва приходит в состояние спелости.

Тепловой режим почвы характеризуется радиационным, или тепловым, балансом по уравнению

R = LE + P+A,

где R - радиационный баланс; Р - турбулентная передача тепла из почвы в атмосферу; А - расход тепла на нагревание почвы; L - суточная теплота испарения и Е - суммарное испарение за расчетный период времени.

Все единицы выражаются в Дж/см2/ч или кДж/см2/мес.

Тепловой баланс для различных почвенно-климатических зон неодинаков. Благоприятное воздействие на температурный режим почвы оказывают создание лесных полос, глубокая вспашка, внесение органического вещества, рыхление, меры по снегонакоплению, т. е. общие агротехнические меры, направленные в целом на улучшение физических свойств.

1.7 Буферность почвы

Буферность почвы, свойство почвы препятствовать изменению её реакции (pH) под действием кислот и щелочей. Чем больше в почвенном растворе солей сильных оснований и слабых кислот, тем более буферна почва по отношению к кислым удобрениям; соли слабых оснований и сильных кислот буферны к щелочным удобрениям. Так как раствор находится в постоянном взаимодействии с твёрдой фазой почвы, то последняя также оказывает существенное влияние на буферность. Чем больше коллоидных частиц и гумуса в почве (например, чернозёмы) и чем больше они содержат поглощённых оснований, тем буфернее почва по отношению к кислым удобрениям; поглощённый коллоидами водород (подзолистые почвы, краснозёмы) способствует увеличению буферности почвы к щелочным удобрениям. Наиболее буферны почвы тяжёлого (глинистого) механического состава. Атмосферные осадки, грунтовая и оросительная вода могут изменить реакцию почвы, если последняя не обладает буферностью, и наоборот. Растения реагируют на изменение реакции почвы, поэтому буферность почвы играет большую роль в их росте и развитии. Буферность почвы можно повысить внесением органических удобрений.

1.8 Виды экологического мониторинга почв

Слово «мониторинг» происходит от латинского слова «монитор», что обозначает «тот, что напоминает, предупреждает». Оно пришло в жизнь в конце 60-х - начале 70-х и употреблялось тогда только в области экологии.

Мониторинг почв - это информационная система наблюдений, оценки и прогноза изменений почв под влиянием природных и антропогенных факторов.

Почвенный экологический мониторинг - система регулярного не ограниченного в пространстве и времени контроля почв, который дает информацию об их состоянии с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза его изменения в будущем. Почвенный мониторинг - одна из важнейших составляющих экологического мониторинга в целом, он направлен на выявление антропогенных изменений почв, которые могут в конечном итоге нанести вред здоровью человека.

В основе почвенно-экологического мониторинга должны лежать следующие основные принципы:

1) разработка методов контроля за наиболее уязвимыми свойствами почв, изменение которых может вызвать потерю плодородия, ухудшение качества растительной продукции, деградацию почвенного покрова;

2) постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия;

3) ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств;

4) разработка методов контроля за сезонной динамикой почвенных процессов с целью прогноза ожидаемых урожаев и оперативного регулирования развития сельскохозяйственных культур, изменением свойств почв при длительных антропогенных нагрузках;

5) ведение мониторинга за состоянием почв территорий ненарушенных антропогенными вмешательствами (фоновый мониторинг). Важнейшими задачами почвенного мониторинга в настоящее время являются следующие:

- оценка среднегодовых потерь почвенных ресурсов вследствие водной, ирригационной эрозии и дефляции;

- обнаружение регионов с дефицитным балансом главнейших элементов питания растений, выявление и оценка скорости потерь гумуса, азота, фосфора; контроль содержания элементов питания растений;

- контроль кислотно-щелочных показателей почв, что особенно актуально в районах ирригации, применения высоких доз минеральных удобрений и промышленных отходов в качестве мелиорантов, а также в крупных промышленных центрах и на прилегающих к ним территориях, где атмосферные осадки отличаются высокой кислотностью;

- наблюдения за солевым режимом орошаемых почв;

- контроль загрязнения почв тяжелыми металлами вследствие глобальных выпадений и применения удобрений;

- контроль локального загрязнения почв тяжелыми металлами в зоне влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей, а также пестицидами в регионах их постоянного применения, детергентами и бытовыми отходами на территориях с высокой плотностью населения;

- долгосрочный и сезонный (в период вегетации растений) контроль влажности, температуры, структурного состояния, водно-физических свойств почв;

- оценка вероятного изменения свойств почв при проектировании гидростроительства, мелиорации, внедрения новых систем земледелия и удобрений и т.п.;

- инспекторский контроль размеров и правильности отчуждения пахотнопригодных почв для промышленных и коммунальных целей.

Все выше перечисленные задачи это еще не предел тех всех задач которые должны решатся почвенным мониторингом. Например, некоторые задачи, в связи с развитием технологий, могут отпадать.

Виды почвенного экологического мониторинга:

1. Локальный и региональный почвенный экологический мониторинг делится на следующие виды:

1.1. Специфический мониторинг почв: а) мониторинг почв, подверженных загрязнению, 6) мониторинг агрохимический.

1.2. Комплексный мониторинг почв: а) мониторинг опустынивания, б) мониторинг пастбищ, в) ирригационно-мелиоративный.

1.3. Универсальный мониторинг почв: а) контроль микробиологического состояния почв, б) контроль качества почв (бонитировка), в) дистанционный мониторинг почв.

2. Глобальный почвенный экологический мониторинг.

Локальный или «санитарно-гигиенический» мониторинг - это слежение за процессами, имеющими местный характер. Локальный мониторинг включает наблюдения за отдельными изменениями компонентов природной среды под влиянием конкретных видов воздействия местного значения. Он предполагает контроль за уровнем содержания в природных средах токсичных для человека загрязняющих веществ. При локальном мониторинге состояния окружающей среды оценивают с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, комплексным показателем состояния окружающей среды.

Размеры, объем и формы поступления загрязняющих веществ, контролируемые при локальном мониторинге в почвах, обусловлены рядом антропогенных факторов. Распределение загрязняющих веществ в геохимическом ландшафте, в почвенном профиле зависят от геоморфологических, биоклиматических, почвенно-химических условий. Специфическое сочетание антропогенных факторов поступления загрязняющих веществ и ландшафтно-геохимических условий их распределения в контролируемых почвах формируют определенный тип и уровень загрязнения почв.

Локальный почвенно-химический мониторинг должен решать следующие задачи:

1. Характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;

2. Определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;

3. Установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

4. Определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

5. Оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

6. Рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

7. Оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

Для проведения локального мониторинга на типичных по почвенному покрову полях с разной интенсивностью химических нагрузок выделяют постоянные участки - реперные площадки, на которых изучают динамику широкого набора показателей служащих основой для последующей экологической оценки применяемых технологий.

При глобальном мониторинге должно проводиться следующее:

- характеристика потока контролируемых химических элементов на почвы фоновых территорий;

- определение уровней контролируемых показателей состояния почв;

- выявление зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;

- определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий.

Комплексное почвенное обследование при мониторинге предполагает использование совокупности приемов исследования свойств почвы, направленной на изучение (наблюдение, контроль) почвы как единого целого. Такой подход требует обоснованного выбора методов контроля, а именно:

- комплекса контролируемых свойств почв различной природы (химические, биологические, физические, морфологические, микробиологические и др.);

- комплекса свойств почв, различающихся по характеру воздействия на них контролируемых химических веществ (прямые специфические показатели загрязнения, косвенные неспецифические показатели загрязнения, показатели устойчивости почв к загрязнению);

- комплекса компонентов почв, подлежащих контролю (почвенные горизонты, играющие роль биохимических барьеров, тонкодисперсные фракции почв, поглощающие загрязнители и др.);

- комплекса уровней наблюдения (почвенный покров, состояние почв, загрязнение почв; импактный, региональный, глобальный).

Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обуславливают необходимость дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга.

Первая форма мониторинга позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воздействия антропогенных факторов, направленность и интенсивность развития негативных процессов и выбрать (в соответствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.

Стационарная форма почвенно-экологического мониторинга (вторая форма) реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.

Для длительных и комплексных наблюдений стационарный участок должен включать группу достаточных по размерам площадок, которые охватывали бы все виды почв, различающихся по степени проявления тех или иных процессов. Размеры экспериментальных участков (площадок) трудно определить заранее. Их устанавливают с учетом размеров и состояния элементарных почвенных ареалов, длительности исследований, видов режимных исследований и периодичности наблюдений.

Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяется репрезентативным диагностическим показателям, наиболее динамично меняющимся во времени (кислотность, ОВР, плотность и структурное состояние почвы, и т. д.). Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.

По своему содержания маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоянием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, агроэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (частота) маршрутов 1…3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подтопление, утечка воды из дрен, изреженность и вымокание посевов, засоление, подкисление, осолонцевание, эрозия и т. д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, специальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на таких участках (территориях).