Войти
Во время уборки урожая сахарной свеклы поздней осенью в условиях очень влажной почвы полосы сельскохозяйственной техники вызывают уплотнение почвы глинистая почва. уплотнение почвы, также известное как структура почвы деградация, представляет собой увеличение объемной плотности или уменьшение пористости почвы из-за для внешних или внутренних нагрузок. Уплотнение может отрицательно повлиять почти на все физические, химические и биологические свойства и функции почвы. Вместе с эрозией почвы она рассматривается как «самая дорогостоящая и наиболее серьезная экологическая проблема, вызванная традиционным сельским хозяйством."
. В сельском хозяйстве уплотнение почвы представляет собой сложную проблему, в которой почва, посевы, погода и машины взаимодействуют. Внешнее давление из-за использования тяжелой техники и неправильного управления почвой может привести к уплотнению недр, создавая в почве непроницаемые слои, ограничивающие воду и круговорот питательных веществ. Этот процесс может вызвать эффекты на месте, такие как снижение роста, урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также эффекты за пределами площадки, такие как усиление поверхностного стока стока, эрозия почвы, выбросы парниковых газов, эвтрофикация, сокращение пополнения подземных вод и потеря биоразнообразия.
В отличие от засоления или эрозия, уплотнение почвы - это в основном проблема подповерхностного слоя и, следовательно, невидимое явление. Необходимы специальные методы идентификации, чтобы определять местонахождение, отслеживать и использовать Решите проблему соответствующим образом.
Уплотнение почвы - не недавняя проблема. До начала механизированного земледелия использование плугов было связано с уплотнением почвы. Однако многочисленные исследования показали, что современные методы ведения сельского хозяйства увеличивают риск опасного уплотнения почвы.
Историческая база данных для глобального уплотнения почвы, как правило, очень слабая, поскольку для определенных регионов / стран имеются только измерения или оценки. моменты времени. В 1991 году было подсчитано, что на уплотнение почвы приходилось 4% (68,3 миллиона гектаров) антропогенной деградации почвы во всем мире. В 2013 году уплотнение почвы считалось основной причиной деградации почв в Европе (затронуто около 33 млн га), Африке (18 млн га), Азии (10 млн га), Австралии (4 млн га) и некоторых районах Севера. Америка.
Точнее, в Европе примерно 32% и 18% недр подвержены уплотнению соответственно высокой и средней степени.
В здоровых, хорошо структурированных почвы, частицы взаимодействуют между собой, образуя агрегаты почвы. Результирующая структура почвы становится более стабильной с увеличением числа взаимодействий между частицами почвы. Вода и воздух заполняют пустоты между частицами почвы, где вода взаимодействует с частицами почвы, образуя вокруг них тонкий слой. Этот слой может экранировать взаимодействие частиц с частицами, тем самым снижая стабильность структуры почвы.
Механическое давление, оказываемое на почву, уравновешивается увеличением взаимодействия частиц почвы. Это означает уменьшение объема почвы за счет уменьшения пустот между частицами почвы.
Как следствие, вода и воздух вытесняются, а объемная плотность почвы увеличивается, что приводит к снижению проницаемости для воды и воздуха.
Восприимчивость почвы к уплотнению зависит от нескольких факторов, которые влияют на взаимодействие частиц почвы:
Уплотнение почвы может происходить естественным образом в результате процесса высыхания и увлажнения, называемого уплотнение почвы, или когда на почву действует внешнее давление. Наиболее важными антропогенными причинами уплотнения почвы в сельском хозяйстве являются использование тяжелой техники, обработка почвы сама по себе, неправильный выбор систем обработки почвы, а также вытаптывание скота.
Использование крупной и тяжелой техники в сельском хозяйстве часто вызывает не только верхний слой почвы, но и уплотнение грунта. Восстановить уплотнение грунта труднее, чем уплотнение верхнего слоя почвы. Не только вес оборудования, то есть нагрузка на ось, но также скорость и количество проходов могут влиять на интенсивность уплотнения почвы. Давление воздуха в колесах и шинах также играет важную роль в степени уплотнения почвы.
Независимо от того, используется ли тяжелая техника или нет, сама практика обработки почвы может вызвать уплотнение почвы. В то время как основная причина уплотнения почвы при обработке почвы в настоящее время связана с оборудованием, не следует пренебрегать влиянием уплотнения, вызванного более легким оборудованием и животными, на верхний слой почвы. Более того, неправильный выбор систем обработки почвы может вызвать ненужное уплотнение почвы. Однако следует отметить, что обработка почвы может снизить уплотнение верхнего слоя почвы по сравнению с отсутствием обработки почвы в долгосрочной перспективе.
Значительное вытаптывание скота в результате разведения домашнего скота на лугах и сельскохозяйственных угодьях также считается основной причиной уплотнения почвы. На это не влияет, является ли выпас постоянным или краткосрочным, однако на него влияет интенсивность выпаса.
Основные воздействия на почву свойства из-за уплотнения почвы уменьшаются воздухопроницаемость и снижается проникновение воды. Основными физическими отрицательными эффектами для растений являются ограничение роста корней растений и доступность питательных веществ из-за увеличения насыпной плотности и уменьшения размера пор почвы. Это может привести к чрезвычайно сухому верхнему слою почвы и, в конечном итоге, к ее растрескиванию, поскольку корни поглощают воду, необходимую для транспирации, из верхней части почвы, куда растения могут проникать с их ограниченной глубиной корней.
На химические свойства почвы влияют изменением физических свойств почвы. Одним из возможных эффектов является уменьшение диффузии кислорода, вызывающее анаэробное состояние. Вместе с анаэробными условиями увеличение водонасыщенности почвы может усилить процессы денитрификации в почве. Возможные последствия - увеличение выбросов N2O, уменьшение доступного азота в почве и снижение эффективности использования азота растениями. Это может привести к увеличению использования удобрений.
Биоразнообразие почвы также зависит от снижения аэрации почвы. Сильное уплотнение почвы может привести к уменьшению микробной биомассы. Уплотнение почвы может не влиять на количество, но на распределение макрофауны, которая имеет жизненно важное значение для структуры почвы, включая дождевых червей, из-за сокращения крупных пор.
Все эти факторы отрицательно влияют на рост растений, и таким образом, в большинстве случаев приводят к снижению урожайности. Поскольку уплотнение почвы является постоянным, потеря урожая как одна из «затрат на уплотнение почвы» может привести к долгосрочным экономическим потерям.
Уплотнение почвы и его прямые эффекты тесно взаимосвязаны с косвенными эффектами за пределами площадки, которые имеют глобальное воздействие, видимое только в долгосрочной перспективе. Накапливающиеся эффекты могут привести к комплексным воздействиям на окружающую среду, способствующим постоянным глобальным экологическим проблемам, таким как эрозия, наводнение, изменение климата и потеря биоразнообразия в почве.
Продовольственная безопасность
Уплотнение почвы приводит к снижению роста урожая, урожайности и снижению качества. На местном уровне эти эффекты могут иметь незначительное влияние на продовольственную безопасность. Однако, если суммировать потери продовольствия из-за уплотнения почвы, уплотнение может угрожать продовольственной безопасности. Это особенно актуально для регионов, подверженных засухам и наводнениям. Здесь уплотненная почва может способствовать сухому верхнему слою почвы и увеличению поверхностного стока. Кроме того, изменение климата может ухудшить уплотнение почвы. Это связано с тем, что изменение климата связано с такими явлениями, как периоды сильной жары и штормы, которые могут увеличивать риск засух и наводнений, а также дренажных систем.
Изменение климата и использование энергии
Почва является хранилищем парниковых газов (ПГ). Он считается основным земным резервуаром углерода. Обеспечивая круговорот питательных веществ и фильтрацию, почва регулирует потоки парниковых газов. Потери газов из почвы в атмосферу часто усиливаются влиянием уплотнения почвы на проницаемость и изменениями в росте сельскохозяйственных культур. Когда уплотненные почвы заболочены или имеют повышенное содержание воды, они, как правило, вызывают потери метана (CH4) в атмосферу из-за повышенной активности бактерий. Выделение парниковых газов закиси азота (N2O) также является результатом микробиологических процессов в почве и усиливается за счет использования азотных удобрений на пахотных землях.
Кроме того, уплотненная почва требует дополнительных затрат энергии. Для культивации используется больше топлива и удобрений по сравнению с неуплотненной почвой из-за ограничений в росте сельскохозяйственных культур в результате снижения эффективности использования азота. Производство азотных удобрений требует больших затрат энергии.
Эрозия, затопление и поверхностные воды
Пониженная проницаемость уплотненной почвы может привести к локальному затоплению. Когда вода не может проникать, образование прудов и заболачивание создают общий риск эрозии почвы водой. На уплотненных почвах следы колес часто являются отправной точкой для стока и эрозии. Эрозия почвы может появиться на полях с уклоном или особенно на холмистой местности. Это может привести к переносу отложений [56]. За исключением прямых негативных последствий для фермеров, риск поверхностного стока вблизи колесных колей косвенно влияет на окружающую среду вне фермы, например, перераспределяя «отложения, питательные вещества и пестициды на поле и за его пределами». Особенно когда повышается риск поверхностной эрозии почвы, эвтрофикация поверхностных вод становится большой проблемой из-за повышенного количества питательных веществ. На участках повышенного риска, таких как влажная почва на склонах, внесенный жидкий навоз может легко стекать. Это приводит к потере аммиака, который загрязняет поверхностные воды, поскольку создает недостаток кислорода. Эрозия почвы, вызванная уплотнением, приводит к гибели многих видов и приводит к ухудшению качества среды обитания и, следовательно, к потере видов.
Подземные воды
Другой эффект за пределами площадки можно увидеть в отношении грунтовых вод. Скорость инфильтрации луговых почв без движения транспорта в пять раз выше, чем на почвах с интенсивным движением. Следствием этого может быть уменьшение пополнения подземных вод. Это представляет серьезный риск, особенно в засушливых регионах, страдающих от нехватки воды. Эта опасность уплотнения наиболее высока в регионах, где «недра обеспечивает значительную часть воды, необходимой для сельскохозяйственных культур для удовлетворения требований транспирации», часто зависимых от сельского хозяйства.
Более того, количество удобрений, которые используются на уплотненных почвах, больше, чем растения могут усвоить. Таким образом, избыток нитратов в почве имеет тенденцию попадать в грунтовые воды, что приводит к загрязнению. Из-за снижающейся фильтрующей способности почвы микробное разложение сдерживается пестицидов, а также пестициды с большей вероятностью попадут в грунтовые воды.
Уплотнение почвы можно определить в полевых условиях, в лаборатории или с помощью дистанционного зондирования. Для получения надежных данных и результатов необходима комбинация различных методов, поскольку «не существует единого универсального метода для определения плотных грунтов».
В области
такие явления, как заболачивание на поверхности или в подземных слоях, видимое уменьшение пористости и изменения структуры почвы, влажности и цвета почвы являются показателями уплотнения почвы в поле. Сине-серый цвет почвы и запах сероводорода могут возникать в верхнем слое почвы из-за повышенной аэрации. Увеличение прочности грунта можно измерить с помощью пенетрометра, который в основном представляет собой устройство для измерения сопротивления грунта. Еще один важный показатель уплотнения почвы - это сама растительность. По моделям роста растений, бледной окраске листьев и росту корней можно сделать выводы о степени уплотнения. Особенно при попытке определить уплотнение почвы в поле с помощью упомянутых выше измерений было сочтено особенно важным провести сравнение между потенциально уплотненной почвой и неуплотненной почвой поблизости.
В лаборатории
Насыпная плотность грунта, распределение пор по размерам, водопроницаемость и относительный кажущийся коэффициент диффузии газа дают хорошее представление о проницаемости почвы для воздуха и воды и, следовательно, о степени уплотнения. Поскольку крупные поры наиболее важны для инфильтрации воды, газообмена и транспорта, рекомендуется сосредоточить внимание на них при измерении пористости и коэффициента диффузии. Данные, полученные в лаборатории, надежны, если было проанализировано определенное количество образцов. Поэтому необходимо отобрать большое количество образцов почвы по всей представляющей интерес пробной площади.
Дистанционное зондирование
Дистанционное зондирование помогает распознавать изменения в структуре почвы, росте корней, способности удерживать воду и биологической активности. «Обнаружение этих особенностей непосредственно на поверхности голой почвы или косвенно растительностью приводит к идентификации этого типа деградации». Это особенно полезно для больших площадей. В качестве предотвращения уплотнения почвы дистанционное зондирование может моделировать восприимчивость почв с учетом текстуры почвы, величины уклона, водного режима и экономических факторов, таких как тип сельского хозяйства или используемая техника.
Ограничения
Уплотнение почвы часто бывает локальным и зависит от многих факторов, которые могут варьироваться в пределах нескольких квадратных метров. Это затрудняет оценку подверженности почв уплотнению в больших масштабах. Поскольку методы дистанционного зондирования не могут напрямую идентифицировать уплотнение почвы, существуют ограничения на идентификацию, мониторинг и количественную оценку, особенно в глобальном масштабе. Упомянутые выше методы идентификации недостаточны для больших территорий, поскольку невозможно получить достаточно большой размер выборки без нанесения ущерба почве и сохранения финансовых средств на разумном уровне.
Для частичного восстановления уплотненного грунта требуется несколько десятилетий, и поэтому чрезвычайно важно принимать активные меры для восстановления функций почвы. Так как уплотнение почвы очень трудно идентифицировать и обратить вспять, особое внимание следует уделять предотвращению и смягчению последствий.
Генеральная Ассамблея Организации Объединенных Наций согласилась совместно бороться с деградацией земель. В частности, государства-члены обязались «использовать и распространять современные технологии для сбора, передачи и оценки данных о деградации земель».
Европейский Союз решает проблему уплотнения почв с помощью Седьмой программы действий ЕС по окружающей среде, в которую вошли вступил в силу в 2014 году. В нем признается, что деградация почвы представляет собой серьезную проблему, и говорится, что к 2020 году предполагается, что к 2020 году землей будет управлять устойчиво во всем Союзе.
Национальные правительства регулируют методы ведения сельского хозяйства, чтобы смягчить последствия уплотнение почвы. Например, в Германии фермеры действуют в соответствии с Федеральным законом о сохранении почв. Закон гласит, что фермеры обязаны соблюдать меры предосторожности в отношении уплотнения почвы в соответствии с признанной передовой практикой. Передовая практика может варьироваться от случая к случаю, включая различные биологические, химические и технические методы.
Внедрение глубоко укоренившихся растений - естественный способ регенерации уплотненных почв. Глубоко укоренившиеся культуры обеспечивают индуцированные культурой циклы увлажнения и сушки, которые растрескивают почву, разрушают непроницаемые слои почвы за счет проникновения корней и увеличивают содержание органических веществ [80]. Техника заи описывает систему посадочных ям, выкапываемых в бедную почву. Эти ямы со средним диаметром 20–40 см и глубиной 10–20 см заполняются органическими веществами, засеянными после первого дождя сезона. Этот метод сохраняет почву, улавливает воду и постепенно восстанавливает структуру и здоровье подстилающей почвы. Систематический способ восстановления деградированной почвы (например, уплотненной почвы) в долгосрочной перспективе - это преобразование традиционного сельского хозяйства в агролесоводство. Системы агролесоводства нацелены на стабилизацию годовой урожайности, а также на поддержание здорового состояния экосистемы путем сочетания выращивания сельскохозяйственных культур и деревьев на одном участке [81]
Поскольку Уплотнение почвы может привести к замедлению роста сельскохозяйственных культур и, следовательно, к снижению экономической урожайности, использование удобрений, особенно азота и фосфора, увеличивается. Этот растущий спрос вызывает несколько проблем. Фосфор встречается в морских отложениях, магматических отложениях или в Гуане, которые представляют собой недавние отложения экскрементов морских птиц. Добываемый из морских месторождений люминофор содержит кадмий и уран. Оба элемента могут оказывать токсическое воздействие на почву, растения и, следовательно, на людей или животных как потребителей.
Еще одна возможность повысить плодородие почвы помимо использования минеральных удобрений - известкование. Посредством известкования уровень pH и насыщение основанием следует поднять до уровня, более подходящего для микроорганизмов и особенно дождевых червей в верхнем слое почвы. За счет увеличения активности почвенной фауны должно быть достигнуто разрыхление почвы и, следовательно, более высокая пористость и улучшенная водопроницаемость и воздухопроницаемость.
Технические методы в основном нацелены на снижение и контроль давление на почву тяжелой техникой. Во-первых, идея управляемого движения колес заключается в разделении колесных колей и зоны укоренения растений. Ожидается уменьшение площади, уплотняемой шинами, что снизит негативное влияние на рост сельскохозяйственных культур. В некоторых областях была внедрена технология на основе ГИС для лучшего мониторинга и контроля транспортных путей.
Низкое давление в шинах - еще один способ распределить давление, оказываемое на большую поверхность, и смягчить общее давление. Для комплексного управления рекомендуется компьютерное моделирование поля для сбора урожая на предмет уязвимости к уплотнению, чтобы избежать проезда по уязвимой почве.
Никакая обработка почвы не может способствовать улучшению состояния почвы, поскольку она экономит больше воды, чем традиционная обработка почвы, однако, поскольку обработка почвы - это подготовка двора к предстоящему посеву или посеву, никакая обработка почвы не обязательно дает положительный результат во всех случаях. Разрыхление уже уплотненных слоев почвы глубоким рыхлением может быть полезно для роста растений и состояния почвы.
