Transcript Posudin_Environmental monitoring_14a
Ю. Посудін. Моніторинг довкілля з основами метрології Лекція 14a
МОНІТОРИНГ ЯКОСТІ ҐРУНТУ
Yuriy Posudin Environmental Monitoring with Fundamentals of Metrology Lecture 14a SOIL QUALITY MONITORING
• • • •
Земле, моja всеплодьучаjа мати!
Сили, шчо в твоjij движель глубині, Краплоу, шчоб в боjу сміліjше стоjaти, Даj і міні!
І. Франко
Ґрунт
СКЛАД ҐРУНТУ
• • •
Неорганічні мінеральнi частини
, якi складаються з алюмiнiю, кремнiю та iнших мiнералiв, розмiри яких коливаються вiд маленьких частинок глини (0,002 мм) до бiльших гранул пiску, гальки та гравiю.
Органічні залишки
.
Рештки стабiльну субстанцiю - гумус.
рослин і тварин переходять через декілька стадій розкладання в
Вода
мiкроорганiзмiв. Кiлькiсть води в ґрунтi залежить вiд опадiв, є необхiдним компонентом для активностi структури ґрунту та населеностi мiкроорганiзмiв.
розчиняються мiкроорганiзмам.
у Рiзноманiтнi водi i поживні стають речовини доступними
СКЛАД ҐРУНТУ
• •
Гази,
основними з яких є кисень i азот, а також двоокис вуглецю, заповнюють пори ґрунту, що не зайняті водою. В насиченому ґрунтi невелика кiлькiсть газiв може бути розчинена у водi.
Бiологiчнi системи
включають коріння рослин, дрiбні тварини та мiкроорганiзми.
Один грам ґрунту мiстить 2,5 млн бактерiй, 500000 грибiв, 50000 водоростей та 30000 найпростiших.
ЯКІСТЬ ҐРУНТУ
Якість ґрунту –
типу ґрунту це здатність певного функціонувати в межах природних або керованих людиною екосистем, забезпечувати продуктивність рослин та тварин, підвищувати якість води і повітря, підтримувати здоров’я людини та умови його мешкання.
Soil Quality
• Soil quality, or soil health, can be defined in simplest terms as
"the fitness of soil for use
".
ЯКІСТЬ ҐРУНТУ
• Якість ґрунту визначається взаємодією його фізичних, хімічних та мікробіологічних властивостей.
• Ґрунти високої якості забезпечують поживну пригідність, біологічну активність.
аерацію, проникнення та затримання води, структурну стабільність та високу
Причини втрат ґрунтів
Розорювання.
повторне На Великих рівнинах США колись жили індіанці, які займалися полюванням.
Наприкінці XVIII ст. «білі» почали розорювати степи, що давали багаті врожаї протягом 100 років. Посуха наприкінці XIX ст. знищила всі посіви, 90% фермерів залишили ці землі й їх освоєння почалося лише після Першої світової війни. Однак сильні вітри, що віяли два роки поспіль (1934-1935 pp.), знесли родючий шар ґрунту, перетворивши
Великі рівнини на пустелю
.
Причини втрат ґрунтів
• Те саме сталося й після освоєння цілини в 50-х роках XX ст. у Казахстані.
• В Ісландії вівці перетворили місцевість на кам'янисту пустелю.
Причини втрат ґрунтів
Важко повірити, що в пустелі чотири тисячоліття тому вирощували хліб, а
Лівійська пустеля Гобі
була житницею могутнього Риму.
Зрошення
•
Зрошення
зумовлює в посушливих місцевостях часто вимивання солей з глибин у верхні горизонти ґрунту та засолення внаслідок швидкого випаровування води. •
Засолення
перетворює землі на пустелю (якщо в ґрунті є 1% солей, то урожайність більшості сільськогосподарських культур знижується на третину, якщо 2-3%, — то повністю зникає).
Зрошення
• Зрошення на півдні забрудненими водами Південно-Кримського каналу земель України спричинило
забруднення
їх важкими металами, пестицидами, радіонуклідами.
нафтопродуктами, • Нераціональний призвів до заболочення значних територій.
полив у Криму
Зрошення
• Нині у світі засолено
близько 30%
зрошуваних земель.
ПАРАМЕТРИ ЯКОСТІ ҐРУНТУ
•
ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ҐРУНТУ
• текстура, • структура, • об’ємна густина, поруватість, • аерація, • колір, • вологість, • температура
Текстура ґрунту
•
Текстура ґрунту
характеризує відносні пропорції піску, мулу і глини.
• Залежно від вмісту цих компонентів відрізняють 12 текстурних класів ґрунту
Текстурний трикутник для класифікації грунтів
: ОМС – опіщанений мулуватий суглинок; ОГ – опіщанена глина; ОС – опіщанений суглинок; МС – мулуватий суглинок; ПС – пилуватий суглинок; ПМС – пилувато-мулуватий суглинок; ПГ – пилувата глина
Текстурні компоненти ґрунту
Гравій > 2,0 мм Пісок 0,05 – 2,0 мм
Дуже великий пісок 1,0 – 2,0 мм Великий пісок 0,5 – 1,0 мм Середній пісок 0,25 – 0,5 мм Дрібний пісок 0,1 – 0,25 мм Дуже дрібний пісок 0,05 – 0,1 мм
Мул 0,002 – 0.05 мм Глина < 0,002 мм
Структура ґрунту
• •
Структура ґрунту
визначається як розміри, форма і упаковка агрегатів та порожнини між ними.
Агрегати
являють собою первинні ґрунтові частинки, які здатні зв’язуватися одна з одною міцніше, ніж з іншими частинками. • Системи ідентифікації ґрунтової структури передбачають врахування форми і упаковки (тип), розмірів (клас) та виразність (ранг) частинок ґрунту та пор.
Структурні типи
• Гранульовані • Пластинчаті • Блочні • Призматичні • Сферичні
Структура ґрунту
Густина ґрунту
•
•
Густина твердої речовини
тр
= М
гр
/ V
гр
• Для більшості ґрунтів середня об’ємна густина становить 2600 –2700 кг/м 3
Об
’
ємна густина сухого ґрунту
Об
’
ємна густина сухого ґрунту
визначається за виразом:
М гр
гр = М гр /( V гр / V заг + V а = + V в ),
де
V а
– об’єм пор,
V в
– об’єм води у ґрунті.
Об
’
ємна густина сухого ґрунту
Оскільки близько 50% сухого ґрунту становить близько ґрунту приходиться на пори, об’ємна густина 1550 1300 –1350 кг/м 3 .
Якщо об’ємна густина ґрунту досягає –1600 кг/м рослин обмежений; якщо 1800 кг/м процес інгібується.
росту 3 , ріст кореневої системи кореневої 3 – системи
Об’ємна густина ґрунту
Об’ємна густина ґрунту
Пористість ґрунту
Пористість ґрунту
об’єму ґрунту.
дорівнює відношенню сумарного об’єму всіх пор та проміжків між структурними агрегатами до загального
f = V
п
/V
заг
= = (V
a
+ V
в
) /(V
гр
+ V
а
+ V
в
)
Пористість ґрунту
Пористість ґрунту
• Пористість ґрунту варіює від 0 10 % для сланцю, скелі до 20 40 % для гравію.
Седиментація ґрунтових частинок
F s
V
= F гр - F 0
0 g =
V
g ( =
V
g -
-
0 ).
F
= 6
rV = [18V d = 2r =
/g(
-
0 )] 1/2
Лазерна дифрактометрія частинок ґрунту
Теплофізичні властивості ґрунту
Теплопровідність 0,125 –0,209 Вт
м -1
К -1 Величина коефіцієнта теплопровідності ґрунту залежить від вологості, текстури, об’ємної густини, температури.
Конвекція
•
Конвекція
ґрунту. в ґрунті відбувається, коли потік води має температуру, що відрізняється від температури • В цьому разі густина потоку теплоти визначається за виразом:
J = с V V( T гр – Т в )
, де
с V
– об’ємна питома теплоємність ґрунту,
V
– швидкість руху води,
T гр
і
Т в
– температура ґрунту і води відповідно .
Теплове випромінювання
•
Теплове випромінювання
ґрунту - це електромагнітне випромінювання, що утворюється ґрунтом і виникає за рахунок її внутрішньої енергії . • Густина потоку теплового випромінювання визначається за виразом:
Т 4
,
J ТВ =
де
–
випромінювальна здатність ґрунтової поверхні (0,95
–
0,97),
–
стала Стефана Больцмана,
Т –
абсолютна температура ґрунту.
Оптичні параметри
• За колір ґрунту відповідають вміст гумусу, оксидів заліза та різноманітних світлозабарвлених речовин – сполук кремнію і алюмінію, карбонатів кальцію тощо.
Колір ґрунту
Параметри кольору
рН ґрунту
Електропровідність ґрунту
Електропровідність грунтів та класи соленості для 1:1 грует-вода суспензій
Електропровідність (dСі/м, 25 0 С) Клас соленості Відгук врожаю Відгук мікрофлори 0 - 0.98
0.98- 1.71
Non saline Almost negligible effects Few organisms affected Very slightly saline Yields of very sensitive crops restricted Selected microbial processes altered (nitrification/denitrification) 1.71 -3.16
Slightly saline Yields of most crops restricted Major microbial processes influenced (respiration/ammonification) 3.16-6.07
>6.07
Moderately saline Strongly saline Only tolerant crops yield sati factor і ly Only very tolerant crops yield satisfactorily Salt tolerant microorganisms predominate (fungi, actinomycetes, some A select few bacteria) halophilic organisms are active Adapted from Soil Survey Staff (1993), Janzen (1993), and Smith and Doran (1996). Conversions from the saturation paste extract to the 1:1 soil:water suspensions were perfomed using the regression equation (y = 2.75 x -0.69) developed by Hogg and Henry (1984).
Електропровідність
• Електропровідність визначає кількість іонів, які пов’язані з соленістю, таких як Ca 2+, H + Mg 2+ , K + , Na + , (катіони), або NO 3-, HCO SO 4 , Cl , 3-, OH (аніони).
• В цілому, діапазон електропровідності від
0 до 0,8 дСі/м
є придатним для врожаю.
Моніторинг ґрунту засоленість
Нітрати
•
Нітрати
в ґрунті (NO 3 ) є та форма азоту, що споживається рослинами.
• Кількість нітратів залежить від швидкості, з якою мікроорганізми розкладають органічну речовину в ґрунті. Ця швидкість залежить від температури, аерації, вологості, типу органічних залишків, рН ґрунту.
Нітрати в ґрунті
БІОЛОГІЧНІ ПАРАМЕТРИ ҐРУНТУ
•
Дощові черв’яки
. Популяція черв’яків змінюється від 10 до 10000 на 1 м 2 . Населеність 100 черв’яків на квадратний метр вважається оптимальною для сільськогосподарських угідь. • В культивованих системах кількість черв’яків досягає 200, а під трав’яним покривом – 500 на 1 м 2 .
Біологічні параметри ґрунту
Дихання ґрунту
• Респіраторні процеси системи.
в ґрунті пов’язані з продукцією СО 2 ґрунтових завдяки біологічній активності мікроорганізмів та кореневої • Для кількісного оцінювання респіраторних процесів в ґрунті використовують трубки Драгера (Draeger), які містять хімічні реагенти, здатні змінювати колір під час взаємодії з СО 2
Дихання ґрунту
Дихання ґрунту Трубки Драгера
ЗБИРАННЯ ҐРУНТОВИХ ЗРАЗКІВ
• Для збирання зразків ґрунту обирають однорідні ділянки земної поверхні; маса зразків дорівнює 300 1000 г.
ЗБИРАННЯ ҐРУНТОВИХ ЗРАЗКІВ
• Метод “сітки” вимагає більших витрат та ігнорує топографічні особливості регіону; • поперечний метод надає інформацію щодо границь певних ділянок і є більш дешевим.
Збирання зразків ґрунту
Пристрої для збирання зразків ґрунту
Збирання зразків ґрунту
Джерела хімічного забруднення ґрунту
• Серед основних джерел забруднення ґрунтів можна виділити промислові викиди в атмосферу, стічні води, радіоактивні відходи, автотранспорт, побутові відходи, військова техніка й арсенали. • В сільськогосподарському виробництві до забруднень ґрунту призводять стоки із залишками пестицидів і добрив, нафтопродукти, важкі метали, поверхнево активні речовини
Забруднення ґрунту
Хімічні забруднення ґрунту
• • • • •
Вуглеводні, Важкі метали, Гербіциди, Пестициди, Хлоровані вуглеводні
.
• • • • • • • • • • • • • •
Тверді відходи
покидьки або сміття, харчові залишки, текстиль, скло, метал, цегла, будівельні уламки, листя, вуличне сміття, покинуті автомобілі, стара побутова техніка, попіл, бруд з очисних споруд, гній з ферм, порода з шахт.
ЕРОЗІЯ ҐРУНТІВ
Ерозія ґрунтів
латинського
erosio
– це руйнування ґрунтів і підстилаючої породи за рахунок природних та антропогенних процесів, які призводять до переміщення продуктів руйнування з одного місця в інше (від – роз’їдати, вигризати).
Природна ерозія
• Ерозія, яка супроводжується руйнуванням поверхні землі, формуванням долин річок, схилів, межиріч, називається
природною
Природна ерозія
•
Вітрова ерозія
викликає перенесення найдрібніших частинок ґрунту, що містять найважливіші для родючості компоненти – гумус, хімічні речовини •
Водна ерозія
викликається талими, дощовими та зливовими водами на пересіченій місцевості.
Природна ерозія
• Температурні коливання утворення розколин в скельних породах і відшарування.
викликають • Швидка зміна дня і ночі впливає тільки на поверхневий шар скелі, тоді як перехід від літа до зими – на значно глибші шари.
Прискорена
(
антропогенна
) ерозія
Прискорена
викликається вирубки лісів, тваринництвом (
антропогенна
) одночасним ерозія впливом гіперінтенсивним і неправильним використанням ґрунтів під сільськогосподарські потреби.
Ерозія ґрунтів в Україні
• Аналіз матеріалів ґрунтового обстеження, виконаного “Укрземпроектом”, показує, що за останні 20 років кількість еродованих ґрунтів в Україні збільшилась в різних регіонах на 3-26%; площа еродованих чорноземів звичайних збільшилася на 15 26%.
• В Україні
еродовано 12,9 сільськогосподарських угідь млн.
(30,8 %)
га
Водна ерозія
Інтенсивність дощу в Україні
Так, для України середня інтенсивність дощу змінюється від 1 мм/хв для дрібного дощу до 9–12 мм/хв для дуже сильної зливи
Запобігання водній ерозії
Запобігання водній ерозії
Контроль за ерозією ґрунту
Моніторинг ґрунту вологість
Моніторинг ґрунту рівень рН
Фактори, що впливають на якість ґрунту
Покращити якість ґрунту можна завдяки: додаванню органічних речовин, запобіганню надмірного розорюванню, обережному застосуванню добрив та пестицидів, покращенню ґрунтового покриву, застосуванню рослинного кругообігу та різноманіття.
Застосування добрив
МОНІТОРИНГ ҐРУНТУ В УКРАЇНІ Ґрунтовий покрив України
• Земельний фонд України становить
млн
.
60,4
га; сільськогосподарські угіддя – 69,3%.
• З усіх типів ґрунтів найродючішими є чорноземи угідь України (еталон і родючості), розташовані в вони займають до 60% усіх сільськогосподарських межах лісостепу і степу. Вміст гумусу в цих ґрунтах становить 4–9 %, їх товщина сягає 1–1,5 м.
Висока розораність території
України
• За останні тридцять років площа продуктивних земель в Україні зменшилася на 30%.
• Для України характерна
території (57,1%),
обґрунтовані межі.
висока розораність
яка перевищує екологічно • Для порівняння розораність території США – 15,8%, Великої Британії, Франції, Німеччини – від 28,1 до 31,8%.
• Екстенсивне ведення сільського господарства спричинило деградацію ґрунтового покриву, порушення природних процесів ґрунтоутворення.
Моделювання ерозії
• Два підходи: • 1. Оцінювання деградації або вичерпання шару ґрунту у полі; • 2. Оцінювання кількості седиментів, що покидають поле
Математичні емпіричні моделі
•
Universal Soil Loss Equation (Wischmeier and Smith, 1960, 1965, 1978).
•
The USLE was originally based on statistical analyses of more than 10,000 plot-years of data collected from natural runoff plots located at 49 erosion research stations in the United States
,
Revised Universal Soil Loss Equation Універсальне рівняння втрат ґрунту ( Revised Universal Soil Loss Equation RUSLE) має вигляд:
А
= 2,24
R∙K∙LS∙C∙P,
де R- ерозійний індекс опадів;
K LS-
фактор ерозійності ґрунту; топографічний фактор;
C-
фактор покриву;
P-
фактор контролю за ерозією. А вимірюється в т/га.
•
Моделі, що базуються на оцінюванні процесів ерозії
Ці моделі використовують диференційні рівняння балансу маси. Для одномірного простору ерозія ґрунту з нахиленого поля має вигляд:
d(cq)/dx + d(ch)/dt + S = 0,
де c (кг/м 3 ) є концентрація седиментів;
q
(м 2 /с) – одиниця витрат дощу; h (м) – глибина потоку; x (m) відстань, яку проходить потік; t (с) – час; S [кг/(м поглинання седиментів.
2 с)] є термін, що характеризує утворення або
ВИСНОВКИ
Комплексний моніторинг ґрунтів є необхідною умовою збереження родючості ґрунтів.