Компоненты агроэкологического мониторинга

Основными компонентами агроэкосистем являются атмосфера, вода, почва, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определённые особенности.

Почвенный экологический мониторинг состоит из трех последовательных взаимосвязанных частей:

контроль (наблюдения) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменений;

прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова;

научно обоснованные рекомендации по направленному регулированию основных средств режимов в почвах, непосредственно определяющих их плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.

Под состоянием почв и почвенного покрова во времени и пространстве понимается комплекс измеряемых показателей свойств, состава и плодородия почвы в пределах её элементарного ареала в конкретный период. Состояние почвенного покрова - это соотношение в его структуре находящихся в определённом состоянии элементарных почвенных ареалов или их комбинаций в данное время.

От традиционных почвенных и агрохимических исследований мониторинг отличается прежде всего комплексностью и непрерывностью, единством целей и задач, многопрофильностью проводящих его специалистов, согласованностью программных и методических установок. Преимущества мониторинга, как целостной системы слежения за различными объектами, достаточно очевидны, поскольку в настоящее время почвенные и агрохимические исследования нередко выполняются на основе односторонних программ, предусматривающих ограниченный набор изучаемых параметров и использование разных методических подходов.

Получаемая на базе мониторинга информация об изменении свойств почвы, почвенных режимов и процессов под воздействием естественных факторов почвообразования и антропогенных нагрузок может быть изложена путем моделирования почвенного плодородия.

В связи с тем, что агроэкологический мониторинг включает прогнозную составляющую, необходимо ориентироваться на комплексные ландшафтные наблюдения. Наряду с параметрами плодородия и состояния почвенного покрова следует учитывать и факторы почвообразования, изменения состояния почвенного покрова. Обоснованность такого подхода объясняется тем, что антропогенные воздействия влияют не только на биоту, но и на уровень грунтовых вод (УГВ); водно-солевой режим и баланс, геохимическую миграцию элементов, водопроницаемость пород и даже рельеф. Для достижения надлежащей достоверности прогнозов возможных изменений состояния почв и почвенного покрова прогнозы должны опираться на достаточно надежную теоретическую базу формирования и развития почвообразовательных процессов. Прежде всего, имеется в виду описание не только характера того или иного процесса, но и объективная оценка его интенсивности, скорости в зависимости от динамики факторов почвообразования.

Задачи мониторинга состояния почвенного покрова - обеспечение регулярного контроля за:

использованием земель (соответствие природного потенциала земель их производственному назначению);

однородностью почвенного покрова полей (контурность, пятнистость, образование микрорельефа и др.);

эрозионными процессами (рост оврагов, дефляция поверхности; перемещение барханов, дюн и проч.);

оползневыми и селевыми наносами: подсклоновым заилением;

заболачиванием, засолением, опустыниванием и другими негативными процессами.

Усиление негативных антропогенных воздействий, обусловливающих нарушение почв и снижение их плодородия, вызывает необходимость включать в программы почвенно-экологического мониторинга комплекс задач:

  • 1. Определение потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;
  • 2. Контроль за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего в районах с повышенными дозами внесения минеральных удобрений, при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов, в окрестностях крупных промышленных центров, которые характеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);
  • 3. Контроль за изменением водно-солевого режима и водно-солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким либо другим способом изменяемых почв;
  • 4. Выявление регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружение и оценки скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора;
  • 5. Контроль за состоянием почв тяжелыми металлами в зонах влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей;
  • 6. Контроль за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования (например, на рисовых полях);
  • 7. Контроль за загрязнением почв бытовыми отходами, особенно на территориях с высокой плотностью населения;
  • 8. Сезонный и долгосрочный контроль за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод;

9. Экспертная оценка вероятности изменения свойств почв при сооружении гидромелиоративных систем, внедрения новых систем земледелия и технологий, строительстве крупных промышленных предприятий и других объектов.

Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обусловливает необходимость разработки дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга. Эти программы состоят из нескольких форм:

  • 1 форма - начальный этап 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.
  • 2 форма - стационарная форма почвенно-экологического мониторинга реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.
  • 3 форма - реализуется по сокращённой программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков. Здесь основное внимание уделяется таким показателям которые наиболее динамично изменяются во времени (кислотность, плотность почвы, структурное состояние и.).
  • 4 форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные материалы при этой форме мониторинга, в первую очередь, составляют картограммы агрохимических обследований и рекомендации по рациональному землепользованию

Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (гумусиро-ванность, эродированность, pH, засоленность, солонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводственная группировка почв и «почвенные очерки», характеризующие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми 30

предпосылками для последующих теоретических обобщений и практических рекомендаций. Последние должны содержать ответы на вопросы:

  • 1. трансформация с.-х. угодий;
  • 2. Охрана почв от водной и ветровой эрозии;
  • 3. Осушение, орошение и проведение культурно-технических работ;
  • 4. Химическая мелиорация земель;
  • 5. Рациональное размещение и набор сельскохозяйственных культур;
  • 6. Особенности агротехнических приёмов и система применения удобрений с учетом почвенных условий;
  • 7. Улучшение сенокосов и пастбищ.

В результате длительной распашки, применения удобрений, химических мелиорантов, орошения, осушения и других агротехнических и мелиоративных приёмов компонентный состав комплексных почвенных контуров изменяется. На это обстоятельство в процессе мониторинга следует обращать серьёзное внимание.

Для объективной оценки состояния и изменения почвенноагрохимических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью в 10 - 15 лет, а агрохимические - через 5 лет.

Выбирать объекты мониторинга следует, основываясь на почвенногеографическом, геохимическом и природно-хозяйственном районировании с учётом характера и направленности использования земель и степени устойчивости почвенного покрова к разного рода техногенным нагрузкам. Объекты мониторинга закладываются во всех земледельческих зонах.

Требования предъявляемые к объектам мониторинга

Они должны отражать типичные природные и сельскохозяйственные ландшафты и быть приурочены к местам наиболее интенсивного антропогенного воздействия. Параллельно выбираются фоновые территории (участки), представленные природными ландшафтами, почвы которых испытывали незначительные антропогенные нагрузки за последние 40 - 50 лет. Фоновыми территориями могут служит заповедники.

При выборе объектов мониторинга должны учитываться: уровень ведения хозяйства, система земледелия, способы обработки почв, система севооборотов. Целесообразно выбирать объекты исследования в хозяйствах с различными уровнями ведения (высоким, средним, низким).

Вид и степень антропогенного воздействия на почвы и структуру почвенного покрова также оказывает существенное влияние на выбор объектов мониторинга и объекты соответствующих работ.

На мелиорируемых землях необходимо принимать во внимание вид орошения, тип дренажа, сроки функционирования оросительной или осушительной системы, состав оросительных и дренажных вод.

Характер рельефа, крутизна и экспозиция склонов существенно влияют на перераспределение водных ресурсов и биогеохимических потоков веществ. Это также должно учитываться при выборе объектов мониторинга.

Системы контролируемых параметров и группы этих параметров.

Первая группа интегрирует показатели ранней диагностики развития негативных явлений в состоянии почв и почвенного покрова. Она включает показатели угнетения биоты по ферментативной активности, «дыханию» и азотфиксации почв, по изменению окислительно-восстановительных условий, плотности почв, минерализованное™ почвенного раствора, дренажных и грунтовых вод.

Показатели второй группы отражают более устойчивые изменения почв, в том числе количество и качество гумуса, изменения степени агрегированное™ (структурности) почвенного покрова, трансформацию содержания элементов питания растений, динамику тяжелых металлов, углеводородов, биологическую продуктивность природных и искусственных ценозов и др.

Третью группу составляют показатели глубоких и устойчивых изменений свойств почв: соотношение тонкодисперсных и более крупных фракций гранулометрического состава почв, минералогического и химического состава мощности почвенного горизонта и др.

Таблица 5 - Примерный перечень контролируемых параметров для режимных наблюдений на стационарных участках мониторинга

Показатель, свойства почв

Периодичность наблюдения

Глубина апробирования

Влажность почв

1 раз в декаду

ЗА* (ПП)**

Потенциал почвенной влаги

1 раз в течение 2-5 суток

ЗА (ПП)

Уровень грунтовых од

1 раз в течение 2-5 суток

ЗА (ПП)

Метеорологические параметры (температура и влажность воздуха, скорость ветра, осадки, испаряемость и т.д.)

Ежедневно

ЗА (ПП)

Объём дренажного стока с мелиоративной системы и отдельных её участков

1 раз в неделю

-

Элементы водного баланса (суммарное испарение, инфильтрация, расход грунтовых вод)

1 раз в 5 суток

Моделируется ЗА мощностью 1,0-1,5 и 2,0 м

Химический анализ дренажных и грунтовых вод на кальций, магний, аммиачный и нитратный азот, калий, фосфор, углекислоту, гидрокарбонаты и другие элементы, а также определение содержания тонкодисперсных частиц

В начале, середине и конце вегетационного периода

-

Окислительно-восстановительный потенциал почвы, растений, дренажных, грунтовых и поливных вод

По основным фазам развития растений

В почве (горизонты А + В)

Температура почвы на разных глубинах

По фазам в течение вегетационного периода

1 раз в 5 суток

ПП

Элементы теплового баланса

По фазам в течение вегетационного периода

1 раз в 5 суток

-

Примечание: ПП - почвенный покров; ЗА - зона аэрации

Перечень контролируемых параметров для режимных наблюдений в условиях стационарных исследований (стационарная форма мониторинга) дан в таблице 5.

Контролируемые параметры второй группы приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Контролируемые параметры для режимных наблюдений на

стационарных участках мониторинга

Контролируемый процесс

Показатель

Метод измерения

Периодичность

Метод регулирования

Подкисление или подщелачивание почв с помощью удобрений, мелиорантов или химического загрязнения

pH водный - все почвы; pH солевой -почвы, ненасыщенные основаниями

Потенциометрический

2...3 раза в год

Химические и водные мелиорации, агротехнические приемы

Вторичное засоление

Содержание и состав солей в 100см слое почвы;

удельная электропроводность

Аэрокосмические спектральные измерения;

электрометрический

1 раз в год

Регулирование водно-солевого режима орошением и дренажем

Осолонцева-ние при орошении

Процент обменного натрия

Потенциометрия или пламенная фотометрия

То же

Тоже

Потери гумуса

Процент гумуса в почве; водорастворимые органические вещества

По И. В. Тюрину

Внесение навоза; биологические мелиорации

Окислительно-восстановительный процесс

Почвы

Потенциометрический

2...3 раза в год

Агротехнические мероприятия; регулирование водного режима почв с помощью дренажа

Дыхание почвы

Выделение

СО2

Дистанционные наблюдения

Тоже

Органические и минеральные удобрения

Содержание доступных растениям соединений NPK

Нитраты, фосфаты, К,О

Анализ почвы и вытяжек; ионоселективные электроды

Внесение органических и минеральных удобрений; агротехнические приемы

Загрязнение почв тяжелыми металла

ми

Содержание подвижных форм соединений

Атомно адсорбционный анализ

Химические мелиорации; агротехнические приемы; удаление загрязненного слоя почвы или запахивание на большую глубину

Уплотнение почвы

Объемная масса почвы

Объемный бур; гаммаскопический плотномер

Внесение органических удобрений; агротехнические приемы

Динамика грунтовых вод

Уровень грунтовых вод

Электрометрический;

-

Дренаж

Минерализация грунтовых и дренажных вод

Катионный и анионный состав макроэлементов; микроэлементы

Химические методы анализа; ионоселективные электроды

3...4 раза в год

Оптимизация норм удобрений и сроков их внесения; агротехнические мероприятия

Одним из основных компонентов агроэкосистем являются растения. В процессе агроэкологического мониторинга фиксируется не только величина и качество урожая в конце вегетации, но и по другим показателям (накопление биомассы, формирование листовой поверхности и др.) (таблица 3).

Проведение таких наблюдений, позволит уточнит сроки агротехнических и агрохимических мероприятий, контролировать развитие процессов формирования урожая и зная оптимальные параметры отдельных элементов, регулировать их, мобилизуя тем самым потенциальное кущение, число развивающихся зерновок в колосе, массу 1000 зёрен - показатели, дающие высокую корреляцию с урожаем.

В условиях интенсификации земледелия, особенно при нарушении правил обработки почвы и посевов сельскохозяйственных культур, наблюдается вынос из агроэкосистем биогенных элементов, остаточных количеств средств химизации и т.д., загрязняющих окружающую среду.

В число загрязнителей входят и тяжелые металлы, содержащиеся в удобрениях, выбросах и отходах промышленности, осадках сточных вод, используемых в сельском хозяйстве.

Загрязнение почв тяжёлыми металлами представляет значительную опасность для почвенного покрова, вызывает деградацию почв и снижает их плодородие.

Для выращивания экологически-безопасной продукции в условиях накопления тяжелых металлов в почве необходимо изучение баланса их в целом, а также его расходных статей (вымывание фильтрующимися и поверхностными водами, вынос растениями и др.).

Факторами формирования качества воды являются химические процессы трансформации и взаимодействия веществ, биохимические, биологические, физико-химические, а также гидрологические.

Качество природных вод, контактирующих и взаимодействующих с почвой, тесно связано с почвенными процессами и техногенным воздействием на почву.

Под влиянием антропогенных факторов в природных водах могут содержаться вещества: нитраты, нитриты, пестициды, фенольные соединения, синтетические поверхностно-активные вещества, тяжелые металлы и т.д.

Таблица 7 - Перечень обязательных показателей качества продукции растениеводства для исследований в агроэкологическом мониторинге

Показатель

Характеризуемые свойства

Содержание клейковины в зерне

Технологические

Качество клейковины зерна

То же

Активность амилазы

-

Сахаристость

-

Доброкачественность очищенного кормового сока

Содержание вредного азота

-

Масличность семян

-

Количество лузги

-

Выход и качество длинного и короткого волокна

-

Выход и качество чесального волокна

-

Крахмалистость

-

Объёмный выход хлеба

Хлебопекарные

Масса 1000 зерен

Физические

Натура зерна

То же

Стекловидность зерна

-

Товарность клубней картофеля

-

Содержание азота

Химические

Содержание сырого белка:

То же

в зерне

-

в кормах

-

Содержание фосфора

-

Содержание калия

-

Содержание кальция

-

Содержание магния

-

В химическом составе природных вод можно выделить следующие группы соединений:

ионы, определяющие степень минерализации воды. Это анионы -СГ, 80з2' и катионы - Са2+, Mg2+, К+.

биогенные вещества: нитраты (NO3), нитриты (NC>2+), аммоний (NH4 ), фосфаты (РО43‘), кремний (Si), органические соединения азота и фосфора.

органические вещества.

растворенные газы (О2, СО2 и др).

микроэлементы (литий, бериллий, стронций, хром, барий, молибден, йод, железо, бор и др.).

ионы водорода, определяющие кислотно-щелочное равновесие водных растворов (pH).

радиоактивные элементы.

Поступающие с поверхности почвы загрязнители с фильтрующимся током воды проходят в грунтовые воды. Накаливаясь в зоне аэрации, они являются вторичным источником загрязнения грунтовых вод. Грунтовые воды в свою очередь загрязняют подземные реки и водоёмы (важнейший источник питьевой воды).

Качество грунтовых вод является своеобразным интегральным показателем интенсивности не только естественных процессов, связанных с почвообразованием и круговоротом элементов в природе, но и антропогенных воздействий.

Основной метод исследования внутрипочвенного стока. Принцип его заключается в исследовании почвенного раствора, вытесненного просачивающимся через почву избытком дождевой и снеговой воды.

В практике лизиметрических исследований чаще всего применяют три типа лизиметров: - лизиметры-монолиты с ненарушенным строением почвы, насыпные лизиметры с сохранением естественной последовательности в 38

расположении генетических горизонтов почвы; - насыпные лизиметры с сохранением естественной последовательности в расположении генетических горизонтов почвы; - лизиметрические воронки модификации Шиловой, устанавливаемые на различной глубине и пригодные главным образом для изучения концентрации внутрипочвенного стока по профилю почвы.

Основной недостаток лизиметрии - изолированность почвы в установках от грунтовых вод и отсутствие по этой причине капиллярного подъёма воды с растворёнными веществами, а также ограничение поверхности почвы стенками лизиметра, что задерживает поверхностный сток воды, который в естественных условиях составляет 20 - 25 % воды от суммы выпавших осадков. Данный метод позволяет моделировать такие процессы, как миграция элементов по профилю и обеднение корнеобитаемого слоя основными элементами питания в зависимости от количества атмосферных осадков, типа и гранулометрического состава почвы, её окультуренности, физикохимических свойств, форм и доз удобрений, вида возделываемых культур и их продуктивности.

Внутрипочвенный сток не только снижает почвенное плодородие, но и приводит к загрязнению грунтовых и более глубоко залегающих горизонтов подземных вод.

Грунтовые воды - это воды первого от поверхности земли водоносного пласта, залегающего на водоупоре. Поверхность грунтовых вод называется «зеркалом». Поровое пространство - заполненное водой и находящееся ниже «зеркала» - зона насыщения. Поровое пространство выше «зеркала», содержащее атмосферный воздух, - зона аэрации. Степень загрязненности почвенного слоя и зоны аэрации - показатель загрязнения грунтовых вод. таким образом, анализ водных вытяжек из почвы и пород зоны аэрации является достаточно объективным методом исследования уровня загрязнения грунтовых вод.

Создание специализированной сети наблюдений требует бурения скважин, поэтому целесообразно максимально использовать уже имеющиеся наблюдательные скважины, колодцы, родники. При бурении скважин для отбора проб грунтовых вод глубиной до 10 м пользуются ручным (глубиной до 50 м ) шнековым буром.

Поверхностные воды при развитии эрозионных процессов обусловливают такие процессы, как смыв почвы, потерю элементов питания, загрязнение окружающей среды. Основные методы изучения поверхностного и внут-рипочвенного стока склонов, а также смыва почв с поверхности - комплексные полевые наблюдения на специально оборудованных стоковых площадках, позволяющих собирать сток талых и дождевых вод. Установка приёмников воды на различных глубинах почвенного профиля даёт возможность измерять также внутрипочвенный горизонтальный сток. Для учёта вертикальной миграции оды и растворённых в ней химических веществ на склоновых землях можно использовать блок лизиметров. Конструкция представляет сочетание лизиметров поддонов, оснащённых разделительными боковыми щитами высотой соответствующей глубине размещения их в почве. Устройство лизиметров обеспечивает беспрепятственное поверхностное и внутрипочвенное горизонтальное передвижение воды вниз по склону. Лизиметры, благодаря их ступенчатому размещению о глубине почвенного профиля позволяют фиксировать определённый объём почвы и оценивать величину инфильтрации воды.

Атмосферные осадки, вынося вещества-загрязнители из атмосферы, являются фактором экологического риска. Наличие в атмосфере окислов серы и азота создает опасность выпадения кислотных дождей. Анализ химического состава атмосферных осадков необходим для учёта поступления элементов на единицу площади при балансовых расчетах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >