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
= 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:
) разработка методов контроля за наиболее уязвимыми свойствами почв, изменение которых может вызвать потерю плодородия, ухудшение качества растительной продукции, деградацию почвенного покрова;
) постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия;
) ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств;
) 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;
) 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:
. Локальный и региональный почвенный экологический мониторинг делится на следующие виды:
.1. Специфический мониторинг почв: а) мониторинг почв, подверженных загрязнению, 6) мониторинг агрохимический.
.2. Комплексный мониторинг почв: а) мониторинг опустынивания, б) мониторинг пастбищ, в) ирригационно-мелиоративный.
.3. Универсальный мониторинг почв: а) контроль микробиологического состояния почв, б) контроль качества почв (бонитировка), в) дистанционный мониторинг почв.
. 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:
. Характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;
. Определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;
. Установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;
. Определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;
. Оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;
. Рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;
. 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;