Уплотнение почвы (сельское хозяйство) - Soil compaction (agriculture)
Уплотнение почвы , также известное как ухудшение структуры почвы , представляет собой увеличение объемной плотности или уменьшение пористости почвы из-за внешних или внутренних нагрузок. Уплотнение может отрицательно повлиять практически на все физические, химические и биологические свойства и функции почвы . Наряду с эрозией почвы она считается «самой дорогостоящей и самой серьезной экологической проблемой, вызванной традиционным сельским хозяйством ».
В сельском хозяйстве уплотнение почвы - сложная проблема, в которой взаимодействуют почва, посевы, погодные условия и техника . Внешнее давление из-за использования тяжелой техники и неправильного управления почвой может привести к уплотнению подпочвы , создавая в ней непроницаемые слои, ограничивающие круговорот воды и питательных веществ. Этот процесс может вызвать локальные эффекты, такие как снижение роста, урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также эффекты за пределами площадки, такие как повышенный сток поверхностных вод , эрозия почвы , выбросы парниковых газов , эвтрофикация , сокращение пополнения подземных вод и потеря биоразнообразия. .
В отличие от засоления или эрозии, уплотнение почвы в основном является проблемой подповерхностного слоя и, следовательно, невидимым явлением. Необходимы специальные методы идентификации, чтобы правильно определять местонахождение, отслеживать и устранять проблему.
История и текущее состояние
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 повышают риск опасного уплотнения почвы.
База исторических данных для глобального уплотнения почвы, как правило, очень слабая, поскольку существуют только измерения или оценки для определенных регионов / стран в определенные моменты времени. В 1991 году было подсчитано, что на уплотнение почвы приходилось 4% (68,3 миллиона гектаров) антропогенной деградации почв 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.
В частности, в Европе примерно 32% и 18% грунтов сильно и умеренно уязвимы к уплотнению соответственно.
Механизм
В здоровых, хорошо структурированных почвах частицы взаимодействуют друг с другом, образуя почвенные агрегаты. 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 на почву уравновешивается увеличением взаимодействия частиц почвы. Это подразумевает 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:
- Текстура почвы : мелкозернистые почвы (с высоким содержанием глины) более подвержены уплотнению, чем почвы с крупной структурой.
- Структура почвы с угловатыми неоднородными структурами более устойчива.
- Содержание влаги в почве , высокое содержание воды увеличивает склонность к уплотнению, поскольку слой воды на поверхности частиц почвы экранирует взаимодействие между частицами почвы.
- Исходная насыпная плотность, плотные грунты более устойчивы к уплотнению, поскольку количество взаимодействий частиц выше.
- Содержание органических веществ повышает устойчивость к уплотнению, поскольку органические вещества действуют как буфер, связывая минералы и воду
- pH , влияет на чистые заряды молекул
Причины
Уплотнение почвы может происходить естественным образом в результате процесса высыхания и увлажнения, называемого уплотнением почвы , или при приложении к ней внешнего давления. Наиболее важными антропогенными причинами уплотнения почвы в сельском хозяйстве являются использование тяжелой техники, сама практика обработки почвы , неправильный выбор систем обработки почвы, а также вытаптывание скота .
Использование крупной и тяжелой техники в сельском хозяйстве часто вызывает не только уплотнение верхнего слоя почвы, но и ее уплотнение. Восстановить уплотнение грунта труднее, чем уплотнение верхнего слоя почвы. На интенсивность уплотнения почвы может влиять не только вес оборудования, то есть нагрузка на ось, но также скорость и количество проходов. 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, нельзя пренебрегать влиянием уплотнения на верхний слой почвы от более легкого оборудования и животных. 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 животноводства на лугах и сельскохозяйственных угодьях также считается основной причиной уплотнения почвы. Это не влияет на то, является ли выпас постоянным или краткосрочным, однако на него влияет интенсивность выпаса.
Эффекты
Эффекты на месте
Основное влияние на свойства почвы из-за ее уплотнения - снижение воздухопроницаемости и уменьшение проникновения воды . Основными физическими отрицательными эффектами для растений являются ограничение роста корней растений в ответ на накопление растительного гормона этилена и доступность питательных веществ из-за увеличения объемной плотности и уменьшения размера пор почвы . Это может привести к очень сухому верхнему слою почвы и, в конечном итоге, к растрескиванию почвы, потому что корни поглощают воду, необходимую для транспирации, из верхней части почвы, куда растения могут проникать с их ограниченной глубиной корней.
На химические свойства почвы влияет изменение 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 , снижение доступного азота в почве и снижение эффективности использования азота растениями. Это может привести к увеличению использования удобрений.
На биоразнообразие почв также влияет снижение аэрации почвы. Сильное уплотнение почвы может привести к снижению 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 уменьшения крупных пор.
Все эти факторы негативно влияют на рост растений и, таким образом, в большинстве случаев приводят к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Поскольку уплотнение почвы является постоянным, потеря урожая как одна из «затрат на уплотнение почвы» может привести к долгосрочным экономическим потерям.
Внешние эффекты
Уплотнение почвы и его прямые эффекты тесно взаимосвязаны с косвенными эффектами за пределами площадки, которые имеют глобальное влияние, видимое только в долгосрочной перспективе. Накапливающиеся эффекты могут привести к сложным экологическим воздействиям, способствующим текущим глобальным экологическим проблемам, таким как эрозия, наводнения , изменение климата и потеря биоразнообразия в почве.
Продовольственная безопасность
Уплотнение почвы приводит к снижению роста урожая, урожайности и качества. На местном уровне эти эффекты могут иметь незначительное влияние на продовольственную безопасность . Однако, если суммировать потери продовольствия из-за уплотнения почвы, уплотнение может поставить под угрозу продовольственную безопасность. Особенно это 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 увеличить риск засух и наводнений, а также дренажных систем.
Изменение климата и использование энергии
Почва - это хранилище 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 изменения 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 закиси азота (N2O) парниковых газов также происходит в результате микробиологических процессов в почве и усиливается за счет использования азотных удобрений на пахотных землях.
Кроме того, уплотненная почва требует дополнительных затрат энергии. Для выращивания 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, наводнения и поверхностные воды
Пониженная проницаемость уплотненного грунта может привести к локальному затоплению. Когда вода не может проникать, образование прудов и заболачивание представляет собой 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 могло 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, так как, например, он перераспределяет «отложения, питательные вещества и пестициды внутри поля 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.
Грунтовые 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 стать сокращение 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, используемых на уплотненных почвах, больше, чем растения могут усвоить. Таким образом, избыток нитратов в почве имеет тенденцию вымываться в грунтовые воды, вызывая загрязнение . Из - за снижения фильтрующей способности почвы, микробное разложение по пестицидам сдерживается , а также пестициды, скорее всего, достигнет грунтовых вод.
Методы идентификации
Уплотнение почвы можно определить в полевых условиях, в лаборатории или с помощью дистанционного зондирования. Для получения надежных данных и результатов необходимо сочетание различных методов, поскольку «не существует единого универсального метода для определения плотных почв».
В поле
Такие явления, как переувлажнение поверхности или в подповерхностных 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 почвы можно измерить с помощью пенетрометра, который в основном представляет собой устройство для измерения сопротивления почвы. 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
Объемная плотность грунта, распределение пор по размерам, водопроницаемость и относительный кажущийся коэффициент диффузии газа дают хорошее представление о проницаемости грунта для воздуха и воды и, следовательно, о степени уплотнения. Поскольку крупные поры наиболее важны для проникновения воды, газообмена и транспорта, рекомендуется сосредоточить внимание на них при измерении пористости и коэффициента диффузии. Данные, полученные в лаборатории, являются надежными, 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 склонности почв к 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.
Избежание и смягчение последствий
Для частичного восстановления уплотненного грунта требуется несколько десятилетий, поэтому крайне важно принять активные меры для восстановления функций почвы. Так как уплотнение почвы очень трудно выявить и обратить вспять, особое внимание следует уделять предотвращению и смягчению последствий.
Ответы государственной политики
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 почвы посредством Седьмой программы действий ЕС по охране окружающей среды, которая вступила в силу в 2014 году. В ней признается, что деградация почвы является серьезной проблемой, и говорится, что к 2020 году предполагается, что землей будет рационально управлять во всем Союзе.
Национальные правительства регулируют методы ведения сельского хозяйства, чтобы смягчить эффект уплотнения 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.
Биологические 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, которые затем засеваются после первого дождя в сезоне. Этот метод сохраняет почву, улавливает воду и постепенно восстанавливает структуру и здоровье подстилающей почвы. Систематический способ регенерации 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]
Химические методы
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 гуано . 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 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 повышенной активности почвенной фауны должно быть достигнуто разрыхление почвы, а также более высокая пористость и улучшенная водопроницаемость и воздухопроницаемость.
Технические методы
Технические методы в основном направлены на снижение и контроль давления, оказываемого на почву тяжелой техникой. Во-первых, идея контролируемого движения колес заключается в разделении колесных гусениц 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, чтобы лучше отслеживать и контролировать пути движения.
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, так как она позволяет экономить больше воды, чем традиционная обработка почвы, однако, поскольку обработка почвы - это подготовка двора для посева или посевного процесса, никакая обработка почвы не обязательно дает положительный результат во всех случаях. Разрыхление уже уплотненных слоев почвы путем глубокого рыхления может быть полезно для роста растений и состояния почвы.