СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ ЧЕРНОЗЕМНО-ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ Российский патент 1994 года по МПК G01N33/24 

Изобретение относится к общему почвоведению и может быть использовано, в частности для оценки влияния антропогенных нагрузок на почвенный покров.

Известен способ оценки структуры почвенного покрова путем сопряженных топографической и почвенной съемки с последующим отбором проб дважды в течение весенне-летнего сезона.

Известен способ почвенного мониторинга, заключающийся в организации на орошаемых и прилегающих участках режимных наблюдений с проведением исследований на них с временным шагом 10 лет.

Недостатком известных способов является ограничение по сехонам и динамичным параметрам состава и свойств компонентов почвенных комбинаций, редкая периодичность наблюдений, что затрудняет выяснение процессов функционирования почвенного покрова и снижает тем самым достоверность оценки.

Наиболее близким техническим решением является способ оценки влияния антропогеных нагрузок на почвенный покров, включающий: выбор и отграничение эталонных участков со статистически обоснованной минимальной площадью на массивах хозяйственного использования; проведение сопряженных детальных топографического и почвенного картографирования; определение по материалам бурения среднестатистических параметров морфологии каждого из компонентов почвенных комбинаций на уровне нанорельефа - наномикрокомбинаций и закладку опорных разрезов с последующими бурением и выемкой образцов; выполнение аналитической программы определения химических и физикохимических параметров состава и свойств компонентов наномикрокомбинаций в статике и оценку по полученным данным.

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Определение химических и физико-химических параметров состава и свойств компонентов наномикрокомбинаций определяют только в статике, что снижает надежность и достоверность оценки влияния антропогенных нагрузок на почвенный покров.

Целью предлагаемого способа является повышение надежности и достоверности оценки влияния антропогеных нагрузок на почвенный покров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе оценки влияния атропогенных нагрузок на почвенный покров, включающем выбор и отграничение эталонных участков со статистически обоснованной минимальной площадью на массивах хозяйственного использования, проведение сопряженных детальных топографического и почвенного картографирования, определение по материалам бурения среднестатичестических параметров морфологии каждого из компонентов наномикрокомбинаций и закладку в соответствующих точках опорных разрезов с последующими бурением и выемкой образцов, выполнение аналитической программы определения химических и физико-химических параметров состава и свойств в статике по полученным данным, проводят режимные посезонные, в многолетнем цикле, профильные наблюдения динамичных параметров состава и свойств по каждому из компонентов наномикрокомбинаций, слагающих почвенный покров.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что проводят в местах закладки опорных разрезов режимные посезонные, в многолетнем цикле, профильные наблюдения динамичных параметров состава и свойств всех компонентов наномикрокомбинаций. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию "новизна". Известны технические решения, в которых проводят режимные наблюдения динамичных параметров состава и свойств компонентов почвенных комбинаций. Однако в указанных способах не обеспечивается надежность и достоверность оценки из-за проведения режимных наблюдений с ограничениями по сезонам и динамичным параметрам состава и свойств компонентов почвенных комбинаций и редкой периодичности наблюдений, которые достигаются в заявляемом техническом решении. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия". Важно проводить контроль не в один сезон вегетационного периода, а выполнять режимные посезонные, в многолетнем цикле, профильные наблюдения динамичных параметров состава и свойств всех компонентов наномикрокомбинаций, так как именно они позволяют установить, в каких компонентах и в какой сезон или время сезона образуются подвижные соединения, а также проследить дальнейшее поведение этих соединений.

На фиг. 1 представлен график сезонной динамики реакции среды текстурно-дифференцированных компонентов наномикрокомбинаций: чернозема сильно выщелоченного (кривая 3) и темно-серой лесной почвы (кривая 5) при антропогеной нагрузке целина (выпас).

На оси абсцисс фиг. 1-3 нанесены показатели pH. На оси ординат - глубины почвенного профиля. Строение профиля почв фиг. 1 следующее: почвы 3 - Ад(9) - Аl(25) - АВ(39-45) - В(85-90) - В_Са(120); почвы 5 - Ад(6) - Аl(23) - АlА2(35) - Вl(80) - В2(126-139) - В_Са(160).

Обозначения на фиг. 1, 2: а - весна, б - лето, г - осень.

В лесостепных почвах реакция среды определяется буферной системой R(COO)₂CaCOOH - RCOOH - H₂CO₃ - Ca(HCO3)2 - CaCO₃, функционирующей при непрерывном сложном взаимодействии, путем множества химических процессов, соединений твердой, жидкой, газовой и живой их фаз. Равновесное состояние между ними есть функция парциального давления СО₂ газовой фазы. Возможные интервалы рН в системе углекислота - бикарбонат - карбонат имеют пределы в природных условиях в зависимости от соотношения фаз 6,0-8,6 5, 6, 7. Поэтому выявленные наблюдениями закономерности кислот-щелочного режима обосновывают: 1) экологические функции почв в наномикрокомбинациях и почвенном покрове в целом и диагностику почв и 2) вскрывают тренд почвообразующих процессов при антропогенных нагрузках на почвенный покров, контролируемых карбонатной системой (минерализации органических соединений с образованием бикарбонатов кальция; образования кальций-форм гумусовых кислот; фазовых переходов в системе бикарбонат-карбонат; внутрикатенной миграции растворимых соединений, в том числе бикарбонатов кальция).

Закономерности сезонной динамики почв целины следующие. В черноземе сильно выщелоченном показатели pH лишь в горизонте Ад варьируют в пределах близкой к нейтральной реакции среды, с понижением щелочности в летнее время по сравнению с весенним и осенним (7,50-7,05-7,45). В горизонте АВ реакция переходит в слабо щелочную и даже область с увеличением щелочности от весны к осени: 7,68-7,85-8,30. В горизонте В не только, вопреки текстурной организации его почвенной массы, активная реакция преимущественно щелочная (8,10-8,15), но и наблюдаются в весенне-летнее время морфологические проявления свежевыкристаллизованных углесолей кальция, количественно определяемых в 0,6-1, % СаСО₃, то есть имеет место вторичное окарбоначивание профиля. Темно-серая лесная почва функционирует при слабом варьировании показателей рН по генетическим горизонтам с образованием небольших максимумов на профильных кривых в горизонтах АIA2 и ВI в периоды дополнительного притока атмосферной влаги, при повышенной во все сезоны щелочности среды (6,70-7,20) - (6,75-6,99) - (6,70-7,45). Причины этих явлений: нарушение гидрологического режима территории, вызванное сведением при повсеместном распахивании водоразделов мелколиственных лесов колочно-паркового характера и как следствие - аридизация водораздельных толщ, ослабление процессов внутрипрофильной и внутрикатенной миграции веществ, в том числе продуктов деструкционных процессов - бикарбонатов кальция и нитратов. Упомянутые особенности взаимосвязанных кислотно-щелочного и карбонатного режимов, генетически несвойственные наблюдаемым в условиях целины чернозему сильно выщелоченному и темно-серой лесной почве, позволили выявить нарушения экологического равновесия территории, дать оценку антропогенных нагрузок на почвенный покров.

На фиг. 2 представлен график сезонной динамики реакции среды черноземов типичного - кривая I, выщелоченного - кривая 2, оподзоленного - кривая 4 наномикрокомбинаций эталонного участка неорошаемой пашни.

Строение профиля почвы I: Апах(27) - АI(51) - AB_Ca(60-85) - BA_Ca(100) - B_Ca(160); Почвы 2: Апах(27) - АI(35) - AB(39-50) - B(61-73) - B_Ca(140); почвы 3: Апах(27) - АВ(39-43) - ВI(80) - В2(125-134) - В_Са(145).

Профильные кривые иллюстрируют специфичность кислотно-щелочного режима, как и в случае целины, для каждого компонента наномикрокомбинаций вследствие дифференциации гидротермических условий функционирования и определяемого ими состояния карбонатной буферной системы. Пределы сезонного варьирования показателей рН в почве 1 - 7,11-8,77; почве 2 - 6,70-8,18; почве 3 - 6,39-7,40 в гумусовых и переходных горизонтах. Судя по этим данным, в гумусовом профиле черноземов типичных наноповышений в равновесии с СО₂ газовой фазы и гумусовыми кислотами коллоидного комплекса находится солевая часть карбонатной системы Са(Mg)CO₃ - Ca(Mg)(HCO₃)₂. В зависимости от увлажнения в профиле этого подтипа могут присутствовать в растворе ионы Са²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, CO₃^2- или эти же ионы и их ассоциаты СаНСО₃⁺, MgHCO₃⁺, CaCO₃⁰, MgCO₃⁰. В черноземах оподзоленных нанодепрессий доминирует находящаяся в динамическом равновесии с гумусово-коллоидной и газовой фазами система Са(НСО₃)₂ - Н₂СО₃, обеспечивающая отличный от черноземов типичных состав ионов: Са²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, H⁺(H₃O⁺), при незначительном, в силу повышенной влажности этих почв, образовании ионных пар СаНСО₃⁺, МgНСО₃⁺ при пересыхании профиля в летнее время. В черноземах выщелоченных неорошаемой пашни варьирует степень насыщения жидкой фазы бикарбонатами кальция и магния. В растворе могут присутствовать как ионы, так и ассоциаты ионов этих солей, но кроме того периодически при рН 8,0 и выше в бескарбонатных горизонтах АВ и В благодаря геохимическому притоку бикарбонатов возможно присутствие и нейтральных ассоциатов. Кислотно-щелочной режим в годичном цикле характеризуется наиболее высокой щелочностью среды в летний период, причем повышенная щелочность в этот период охватывает в черноземах положительных элементов нанорельефа, типичных и выщелоченных, метровую толщу профиля, а в черноземах оподзоленных нанодепрессий - лишь пахотный горизонт. Это свидетельствует о тренде почвенных процессов, по сравнению с целиной, в направлении активизации взаимосвязанных бикарбонатообразования и минерализации биогенных остатков и гумуса, а также внутрикатенного перераспределения влаги и веществ. Интенсивность процессов би- и карбонатообразования ослабевают в наномикрокомбинациях в направлении почв нанодепрессий.

На фиг. 3 представлен график сезонной динамики реакции среды компонентов наномикрокомбинаций эталонного участка ненормированно орошаемой с 1976 года пашни: черноземов типичного - кривая 1, выщелоченного - кривая 2, оподзоленного - кривая 4, темно-серой лесной почвы - кривая 5.

Строение профиля почвы 1: Апах(25) - АI(39-55) - АВ_Са(61-75) - ВА_Са(97) - В_Са(150); почвы 2: Апах(25) - Аl(35) - АВ(39-48) - В(77-89) - В_Са(140); почвы 4: Апах(25) - АI(33) - АВ(38-43) - ВI(85) - В2(134-155) - ВС_Са(170); почвы 5: Апах + АI(30) - АIA2(40) - ВI(90) - В2(140) - В3(200) - С_Са(200).

Обозначения на фиг. 3: а - весна, б - лето, межполивное время, в - лето, 1-е сутки после полива, г - осень.

Как показывает фиг. 3, при орошении нарушается взаимное расположение кривых профильного распределения показателей pH: кривые почв нанодепрессий (4, 5) смещаются в область более высоких значений рН, периодически даже превышающих таковые почв 1, 2 положительных элементов поверхности. Сопряжено это во времени, как правило, с дополнительным притоком атмосферной или оливной влаги в почвы нанодепрессий. Кислотно-щелочной режим компонентов наномикрокомбинаций при ирригационном освоении территории сохраняет свойственный неорошаемым аналогам характер сезонной изменчивости показателей рН - максимум их приходится на летний период. Однако при этом усиливается для почв положительных и отрицательных форм поверхности динамичность и разнонаправленность варьирования показателей рН и, кроме того, выявляется свойственная всем почвам наномикрокомби- наций закономерность внутрисезонной, в летний период в связи с поливами, динамики щелочности среды: показатели рН возрастают в 1-е сутки после полива относительно межполивного времени. При этом в элювиально-гумусовых горизонтах Апах, АВ, АIА2 почв отрицательных форм поверхности, черноземов оподзоленных и темно-серых лесных, щелочность среды в межполивной период по сравнению с весенним увеличивается слабо или она даже понижается. В профиле же этих почв существенно увеличивается при орошении межгодичный диапазон рН - до 5,55-7,69 в черноземах оподзоленных и 5,11-7,84 в темно-серых лесных (сравни 6,23-7,40 в пахотном аналоге чернозема оподзоленного и 6,22-7,42 целинном аналоге темно-серой лесной почвы).

Почвенно-экологическая интерпретация этих фактов следующая.

Результатом функционирования в межполивное время почв положительных элементов водораздельных поверхностей, черноземов типичных и выщелоченных, является образование и накопление продуктов разнообразных биохимических процессов, в том числе минерализации и бикарбонатообразования, активизирующихся вследствие оптимизации в орошаемых почвах в течение всего летнего периода влагосодержания при достаточном количестве тепла и обеспечивающих более высокий уровень кальцие- и бикарбонатооборота, а в конечном итоге - углеродооборота. А так как на долю этих почв приходится до 70% площади наномикрокомбинаций, то эта направленность процессов функционирования (минерализация органического вещества, бикарбонатообразование) в межполивной период является определяющей для почвенного покрова водоразделов. В послеоливной период активизируются миграционные процессы под влиянием создающихся поливом гидростатических давлений и передвижения гравитационной влаги. В результате осуществляется вынос в подстилающую толщу накопленных за межполивное время в наномикрокомбинациях подвижных продуктов через почвы нанодепрессий, черноземы оподзоленные и темно-серые лесные, то есть осуществляется процесс влаго- и продуктообмена. После сброса гравитационной влаги протекают во всех почвах наномикрокомбинаций процессы взаимодействия ионов: поливных вод, оставшегося частично почвенного раствора и поглощающего комплекса. Повышение щелочности среды и первые сутки после полива есть результат еще не установившегося ионного равновесия и влияния сульфатно-гидрокарбонатных магний-натриевых поливных вод. Широкие межгодичные флуктуации показателей pH в профиле почв нанодепрессий, в 2,1 и 2,7 единицы соответственно в черноземах оподзоленных и темно-серых лесных почвах, связаны с внутрикатенной миграцией бикарбонатов. Привнос их с боковым внутрипочвенным геохимическим потоком веществ от почв положительных элементов поверхности повышает рН до максимальных значений, вынос же в подстилающую толщу приводит к отмыванию бикарбонатного антропогенного "чехла" и формированию активной кислотности в их профиле, то есть к обнажению генетически свойственных этим почвам пределов рН. При орошении увеличивается, таким образом, разница в распределении функций, природно свойственных почвам наномикрокомбинаций. В почвах положительных элементов нанорельефа, черноземах типичных и выщелоченных, активизируются процессы продуцирования бикарбонатов и других подвижных продуктов. Они являются поставщиками и регуляторами количеств этих соединений в наномикрокомбинациях. Почвы нанодепрессий, черноземы оподзоленные и темно-серые лесные при ослабленных минерализационных процессах в них являются областью конечной, на данном уровне рельефа, локализации геохимического потока веществ. Они осуществляют вынос растворимых соединений, в том числе бикарбонатов, за пределы почвенной толщи, в литосферу, сложенную лессовидными суглинками и супесями плейстоценового возраста. Сочетание же активно идущих минерализационных и миграционных процессов, стимулируемых ненормированным орошением, ведет к расходованию гумусового фонда и выносу карбонатов, способствуя деградации почвенного покрова и почв, нарушению их биосферных и экологических функций.

Предлагаемый способ предусматривает следующую программу проведения: контроль массивов с различным антропогенным прессом на почвенный покров - относительной целины (выпас), неорошаемой и ненормированно орошаемой с 1976 года пашни; многолетний, не менее одной ротации севооборота, цикл наблюдений, начиная с 1995 года; посезонность наблюдений (весна, лето, осень, на орошаемом массиве лето в связи с поливами); профильность их, по карбонатно-иллювиальный горизонт В_Са включительно. Компонентный состав контролируемых наномикрокомбинаций при антропогенных нагрузках: чернозем сильно выщелоченный и темно-серая лесная почва сохранившейся при повсеместном распахивании водоразделов небольшой площади целины (выпас); черноземы типичный, выщелоченный оподзоленный неорошаемой; эти же черноземы и темно-серая лесная почва орошаемой пашни.

Способ осуществляют следующим образом.

В фиксированных местах закладки опорных разрезов по каждому компоненту наномикрокомбинаций в каждый период наблюдений закладывают разрез глубиной 1-1,5 м, измеряют температуру каждого из генетических горизонтов Апах, АI, АВ, АВ_Са, АIА2, АIA2, В, ВI, В2, В3, В_Са после 10-мин экспозиции термометра в толще горизонта. Измеряют Еh установлением пластиновых электродов в паре с хлорсеребряным электродом сравнения с помощью иономера И-102 после 30-мин экспозиции электродов в толще горизонта. После этого из каждого генетического горизонта отбирают образцы в полиэтиленовые мешочки, удаляют из них воздух и плотно упаковывают. Затем определяют в свежих образцах: влажность весовым методом, pH и рН_КСI в суспензии при соотношении почва: жидкость 1: 2,5 потенциометрически, легкорастворимые соли методом водной вытяжки, обменный натрий методом Гедройца, подвижное железо в вытяжке 1n H₂SO₄ по Веригиной-Гантимурову. По полученным данным оценивают влияние антропогенных нагрузок на почвенный покров.

Периодичность и частота наблюдений зависят от динамичности свойства или миграционной способности элемента, однако при этом учитывают состав и свойства почв и специфику антропогенных нагрузок. Например, легкорастворимые или как наиболее динамичный параметр химического состава должны были бы наблюдаться с повышенной периодичностью. Учитывая же очень незначительное содержание их в изучаемых черноземах (0,1% ) и низкую минерализацию поливных вод (0,3-0,6 г/л), контроль легкорастворимых солей выполняют один раз в год - осенью. В то же время, поливные воды характеризуются повышенной щелочностью с преимущественным преобладанием натрия или магния в катионном составе солей, поэтому программируют посезонные наблюдения параметров pH при межгодичных, один раз в вегетационный период - осенью, наблюдениях обменного натрия. Подвижное железо характеризуется слабой миграционной способностью и должно бы наблюдаться с резкой периодичностью. Однако действие антропогенной нагрузки, в данном случае орошения, изменяет водно-воздушный режим, следовательно, и окислительно-восстановительные процессы в почвах, поэтому элемент этот изучают посезонно.

Способ проиллюстрирован материалами наблюдений за 1987 год: помимо одного из наиболее динамичных свойств - реакции среды, характеризующих при измерении в динамике кислотно-щелочной режим, также наименее из подвижных элементов миграционноспособного в условиях свойственной лесостепным почвам близкой к нейтральной реакции среды - подвижного железа. Результаты режимных посезонных наблюдений запаса подвижного железа в почвах наномикрокомбинаций при антропогенных нагрузках на почвенный покров неорошаемая и орошаемая пашня приведены в таблице. Из таблицы видно, что в условиях неорошаемой пашни в засушливый вегетационный период окислительно-восстановительные процессы способствуют накоплению подвижного железа во всех компонентах наномикрокомбинаций от весны к осени. Динамика запаса подвижного железа при интенсивной антропогенной нагрузке на почвенный покров (пашня + орошение) позволяет установить не только период мобилизации железа, но и дальнейшее поведение его подвижных соединений. Процессы мобилизации железа приурочены к межполивному времени, характеризующемуся приращением его запаса в компонентах наномикрокомбинаций в этот период. Непропорциональность приращения в почвах различных местоположений в наномикрокомбинациях объясняется не столько интенсивностью биохимических процессов мобилизации этого элемента, сколько геохимическими связями, хотя и относительно слабыми в межполивное время. Анализ изменения запаса подвижного железа в первые сутки после полива вскрывает внутрикатенные, с боковым внутрипочвенным стоком, геохимические связи: подвижное железо перемещается от черноземов типичных наноповышений в черноземы выщелоченные уплощенных переходных поверхностей, о чем свидетельствует количественная адекватность (около 10 т/га), но обратный знак варьирования запаса в них по сравнению с межполивным временем. В черноземе типичном запас уменьшился на 10 т/га, выщелоченном увеличился на то же количество в слое 0-100 см. Почвы нанодепрессий в первые сутки после полива освобождаются от подвижного железа как накопленного in situ в них, так и привнесенного с геохимическим потоком веществ, путем выноса чего в подпочвенную толщу, литосферу. Об этом свидетельствует фронтальное в профиле резкое количественно снижение запаса подвижного железа в черноземе оподзоленном и темно-серой лесной почве (соответственно от 76,0 до 53,5 и от 110,2 до 88,0 т/га в 1,5 и 2,0-метровой толще их). В условиях близкой к нейтральной реакции среды железо способно перемещаться лишь в форме комплексов с гумусовыми и неспецифическими органическими кислотами. Следовательно, при ненормированном орошении с миграционным потоком веществ удаляются в подстилающую толщу (литосферу) важнейшие факторы агрегирования почвенной массы гумусовых горизонтов (органическое вещество) и лессовидных суглинков (подвижное железо, мобилизуемое из аморфных его форм).

Использование предлагаемого способа оценки влияния антропогенных нагрузок на почвенный покров обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества: проведение режимных посезонных, в многолетнем цикле, профильных наблюдений динамичных параметров состава и свойств каждого из компонентов наномикрокомбинаций повышает надежность и достоверность оценки; способ явлется универсальным для оценки влияния антропогенных нагрузок на почвенный покров (целина, кормовые, лесные угодья, пашня, пашня-орошение, рекреации и другие), способ позволяет построить прогноз дальнейшей эволюции почвенного покрова, обосновать пути его рационального использования; способ дает надежную основу для оценки экологических функций почвенного покрова и почв, а также оценки экологических последствий антропогенных нагрузок на почвенный покров; способ позволяет установить и ранжировать, выделив ведущие и сопутствующие, современные и, в известной мере, палеопочвообразующие процессы, выяснить эволюцию почв, обосновать их диагностику. (56) Зайцева Т. Ф. и др. Химические и физико-химические составы и свойства орошаемых черноземов Приобья//Черноземы: свойства и особенности орошения. Новосибирск, Наука, Сиб. отделение, 1988, с. 73-99.

Использование: общее почвоведение. Цель изобретения: повышение надежности и достоверности оценки за счет вскрытия процессов функционирования почвенного покрова. Сущность изобретения: в способе, включающем отбор почвенных образцов исследуемых участков для каждого компонента наномикрокомбинаций и из каждого горизонта, определение и содержания подвижного железа и оценку по полученным данным в статике, новым является то, что отбор почвенных образцов и определение в них и содержания железа осуществляют посезонно, а для орошаемых почв в летний период дополнительно в межполивное время и в первые сутки после полива, а оценку ведут по выявленным закономерностям годичной динамики. 3 ил.

СПОСОБ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ НАГРУЗОК НА ПОЧВЕННЫЙ ПОКРОВ ЧЕРНОЗЕМНО-ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ, включающий отбор почвенных образцов исследуемых участков для каждого компонента наномикрокомбинаций и из каждого горизонта, определение pH и содержания подвижного железа и оценку по полученным данным в статике, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и достоверности оценки за счет вскрытия процессов функционирования почвенного покрова, отбор почвенных образцов и определение в них pH и содержания железа осуществляют посезонно, а для орошаемых почв в летний период дополнительно в межполивное время и в первые сутки после полива, а оценку ведут по выявленным закономерностям годичной динамики.