Почвоведение И Смягчение Последствий Деградации Почвы

Почва является основой всех процессов производства продуктов питания — от нее зависит почти 95% мирового производства продовольствия.

В интервью, Василий Черлинка, Почвовед EOS Data Analytics, обсуждает проблему рационального использования почвы, деградацию почвы, ее причины и последствия для глобальной продовольственной безопасности. Специалист также рассказывает о цифровом картировании и моделировании почв и их роли в мониторинге и поддержании здоровья земель и максимизации урожайности.

Что Такое Деградация Почвы?

Деградация почвы — это ухудшение ее физических, физико-химических, или биологических характеристик в результате естественных или антропогенных процессов. Существуют четыре основные причины деградации почвы.

Первая причина — это патология почвенного профиля и генетических горизонтов. Генетические горизонты — это слои почвы с определенными характеристиками (например, текстура, цвет, структура, толщина, наличие природных сообществ, содержание химических и минеральных веществ). Свойства каждого слоя указывают на то, что он подвергался воздействию определенных почвообразующих процессов. Почвенный профиль, в свою очередь, отображает последовательность генетических горизонтов.

Эрозия почвы — это отделение, перенос и отложение верхнего слоя почвы, чаще всего в результате воздействия ветра или воды. Хотя причины эрозии почвы естественны, люди могут усугублять их интенсивность, например, во время сельскохозяйственных работ, таких как вспашка или размещение и выращивание культур на склонах.

Уплотнение почвы происходит, когда ее частицы спрессовываются, и пространство между ними уменьшается. В результате в почву проникает меньше воды и воздуха, что негативно сказывается на развитии растений и корневой системы. Причиной уплотнения почвы могут стать массивные тракторы (особенно колесные) — их уплотняющее действие на почву распространяется до глубины полутора метров.

Загрязнение и химическое отравление также угрожают здоровью почвы. В первую очередь это касается бесконтрольного использования минеральных удобрений, которые могут изменить pH почвы. Вторая проблема заключается в том, что избыточное количество удобрений не только стимулирует рост сельскохозяйственных культур, но и делает их токсичными для человека. Все, наверное, слышали о нитратах: употребление пищи содержащей большое количество нитратов может привести к параличу сердечной мышцы.

Следует быть осторожным и с пестицидами. Эти популярные среди аграриев химикаты могут использоваться для борьбы с сорняками (гербициды), профилактики грибковых заболеваний растений (фунгициды) и борьбы с вредителями (зооциды, инсектициды, и другие). При правильном применении они позволяют сохранить более 30% урожая, но излишки пестицидов могут мигрировать и попадать в грунтовые воды. Накапливаясь в почве, они могут передаваться по пищевым цепочкам и вызывать заболевания у животных и людей.

Наконец, большие дозы удобрений могут попасть в близлежащие водоемы с непрерывным течением, а чрезмерная концентрация химических элементов в воде приводит к такому явлению, как эвтрофикация водных бассейнов. Именно это происходит летом с рекой Днепр в Украине: ее воды становятся зелеными из-за растущих водорослей, которые потребляют много кислорода из воды, из-за чего рыба погибает. Таким образом, неправильное использование удобрений вызывает целую цепь неблагоприятных событий.

Третья причина деградации почвы — нарушение ее водного и химического режимов. Это может проявляться в виде опустынивания, оползнях, селях, и вторичном засолении, среди прочего.

К опустыниванию приводит ряд экологических изменений. Изменение климата приводит к уменьшению количества осадков. Границы климатических зон смещаются (изменения в фауне и флоре также свидетельствуют об этом), поэтому плодородная почва теряет свои свойства, а территория превращается в пустыню.

Оползни и сели, характерные для горных и холмистых районов, могут быть спровоцированы сильными дождями, извержениями вулканов, землетрясениями, прокладкой дорог, добычей полезных ископаемых, или вырубкой лесов.

Антропогенное уничтожение лесов (одно дерево может удерживать до 500 литров воды во время дождя) и кустарниковой растительности приводит к существенным изменениям водного режима территорий. В этих условиях, почвенные массы начинают смещаться по размокшим глинистым породам, сползая вниз по склону, и почвенный покров полностью разрушается.

Почвы оголенных склонов (без растительности) смываются настолько интенсивно, что за 3-5 лет все генетические горизонты исчезают, оставляя на поверхности лишь камни. Водный поток, который сначала смыл значительную часть верхнего слоя почв склонов, набрав скорость, сметает в горных долинах все на своем пути: мосты, поля, сады, стада животных, и населенные пункты. Это явление получило название сель.

Возможны также вторичное засоление (выход солей из нижних слоев почвы на поверхность из-за неправильного режима ирригации), проявление вторичной кислотности (нарушение кислотного баланса, которое может быть вызвано неправильным выбором культур или удобрений), и обезвоживание почвы.

Четвертая причина — нарушение биоэнергетического режима почв и экосистем — может выражаться в девегетации и дегумификации (разложении органического вещества). Первое означает увядание растительности и может происходить из-за нарушения водного баланса почвы на данной территории. Девегетация может быть вызвана ветром, сдувающим почву, на которой растут оставшиеся растения. В почвах, потерявших растительный покров неестественным путем, практически отсутствует корневая биомасса, а значит истощаются запасы ценных минералов, органического вещества, и биоэнергетических ресурсов. Такие почвы становятся неплодородными, теряют способность структурироваться, и более подвержены эрозии. Так происходит, например, на юге Украины.

Дегумификация — это потеря почвой органического вещества вследствие длительного пренебрежения минеральными и органическими удобрениями, влияния эрозионных процессов, и других факторов. Происходит микробное разложение составляющих органического вещества почвы. Органическое вещество стабилизирует почву, действуя как клей, удерживающий ее частицы вместе. Чем меньше процент гумуса в почве, тем выше риск деградации почвы по естественным или антропогенным причинам.

Интенсивные методы ведения сельского хозяйства также в ответе за деградацию почвы. Например, те, кто выращивает одни и те же растения из сезона в сезон без перерыва, постепенно истощают почву. Это явление известно давно и называется усталостью почвы. Удобрения в этом случае не помогут восстановить плодородие земель.

Эксперты Считают, Что Деградация Почв Угрожает Глобальной Продовольственной Безопасности. Согласны Ли Вы С Этим Мнением?

Я вынужден с ними согласиться, потому что население планеты растет, а количество природных ресурсов — нет: земельные ресурсы ограничены из-за географических особенностей планеты Земля. Около 71% поверхности планеты покрыто водой, при этом океаны содержат почти 96,5% всей воды. Горные системы составляют около 40% поверхности суши. Значительная площадь находится в полярных областях и других районах, непригодных для сельского хозяйства (пустыни, полупустыни, свалки, и другие). С годами, все меньше и меньше земель остаются доступными для земледелия. Большие территории выводятся из сельскохозяйственного оборота на фоне урбанизации, а растущее опустынивание еще больше усугубляет ситуацию. Учитывая, что более 95% производства продуктов питания зависит от почвы, люди должны сохранить ее, чтобы иметь возможность прокормить себя в будущем.

Вызывает тревогу неэффективное и неустойчивое использование почвы, особенно в странах Африки и Латинской Америки. Например, почва на пахотных землях в Бразилии подвержена водной эрозии, поскольку в округе ежегодно выпадает около 2000 миллиметров осадков и происходит систематическая вырубка лесов.

Но не только деградация почвы ставит под угрозу продовольственную безопасность (я знаю, это не относится к теме). Военные конфликты также представляют угрозу, приводя к нарушению цепочек поставок сельскохозяйственной продукции. В 2022 году мир видит, как российское вторжение в Украину вызывает дефицит продовольствия. В настоящее время, два порта Украины, используемые для экспорта зерна, Мариуполь и Херсон, заблокированы Россией. Роль Украины в поддержании продовольственной безопасности некоторых стран трудно переоценить: в 2021 году вклад страны в мировой экспорт пшеницы составил 10%. Тремя крупнейшими покупателями стали Китай, Египет и Турция.

Трудно даже оценить ущерб, нанесенный почве войной. Достаточно перечислить основные негативные последствия, которые дополняют ранее упомянутую деградацию.

Почва физически повреждена вследствие:

• нарушения или переноса почвенного покрова в результате попыток контрнаступления
• ракет, бомб, снарядов, установки противотанковых и противопехотных мин
• движения военного транспорта, в том числе маневров тяжелой колесной и гусеничной техники
• спровоцированных обстрелами пожаров на землях сельскохозяйственного или лесного назначения.

Существует также химическое воздействие военных действий на почву: загрязнение потенциально токсичными элементами, загрязнение энергетическими соединениями, воздействие боевых химикатов.

Итак, Чтобы Сохранить Почвы, Фермеры И Сельскохозяйственные Предприятия Должны Поддерживать Здоровье Почвы Путем Использования Оптимального Количества Удобрений, Управления Ирригацией, Или Планирования Севооборота. Государственные Учреждения Должны Контролировать Использование Природных Ресурсов Частными Лицами И Предприятиями. А В Чем Заключается Роль Ученых?

Сельскохозяйственное производство делится на два основных сектора — выращивание сельскохозяйственных культур и животноводство. В разных странах один из этих секторов преобладает над другим. Но обе отрасли непосредственно влияют на почву. Выращивание сельскохозяйственных культур подразумевает преобразование энергии солнечного излучения в энергию органического вещества, то есть различных видов сельскохозяйственных культур. Основой успешного развития животноводства является прочная кормовая база, создание которой невозможно без выращивания сельскохозяйственных культур. Поэтому взаимодействие этих двух секторов является основой рациональной организации и эффективного управления сельскохозяйственным производством.

Поскольку почва является основой всех производственных процессов, ученые уделяют большое внимание поиску методов максимального использования ее полезных свойств (повышение плодородия) и минимизации вреда (предотвращение деградации различных типов почв). Таким образом, почва является основным средством производства, поскольку она одновременно является и предметом и средством труда.

Благодаря усилиям исследователей, появилось сельское хозяйство как наука. Сельское хозяйство позволяет производить продукты питания для людей, корма для животноводства, и сырье для пищевой промышленности.

Сельское хозяйство имеет множество направлений: выращивание сельскохозяйственных культур, овощеводство, плодоводство, виноградарство, селекция, луговодство и другие.

Следует отметить, что хотя почвоведение не входит в упомянутый список, сельское хозяйство пользуется его благами.

Существует тесное взаимодействие целого ряда наук для достижения максимального эффекта от почв в отношении урожайности сельскохозяйственных культур. Еще в начале прошлого века урожай пшеницы в 15-20 центнеров с гектара считался отличным. Сегодня, 50-60 центнеров с гектара — это средний результат, ведь некоторые фермы добиваются урожая в 100 и даже 120 центнеров с гектара. Причем такой массовый рост наблюдается практически по всем культурам. Заслуга ученых здесь неоценима!

Существует несколько методов повышения плодородия почвы: химический (например, внесение удобрений, исследуемых в рамках агрохимии), физический, и биологический. В сельском хозяйстве основное внимание уделяется двум последним. Рациональное использование пахотных земель и повышение плодородия почвы подразумевает комплекс биологических, химических, и физических методов воздействия на землю.

Все эти действия влияют на окружающую среду, качество продукции, здоровье человека, и все живое на Земле. Поэтому крайне важно контролировать их правильность и изучать возможные последствия. Этим и занимаются ученые.

Помимо внедрения систем контроля и мониторинга, решению этой проблемы способствует совершенствование зональных систем земледелия и внедрение почвозащищающих технологий выращивания растений на основе современных методологических принципах управления плодородием почв.

Наша сегодняшняя реальность во многом такова благодаря усилиям ученых, которые изучают и разрабатывают методы регулирования водно-воздушного, теплового, и питательного режимов почвы. Они стремятся определить оптимальные условия роста и развития растений, разрабатывают меры борьбы с сорняками, оптимальные севообороты и системы обработки почвы. Они также исследуют методы рационального использования земли, ее защиты от эрозии, получения высоких и устойчивых урожаев при постоянном повышении плодородия почвы.

Пожалуйста, Расскажите О Цифровом Картировании Почв

Моделирование означает анализ наземных, спутниковых, или воздушных данных с использованием широкого спектра алгоритмов или программного обеспечения (GIS, R, Python и другие), которое использует эти алгоритмы для создания карты типов или характеристик почвы. При этом, в зависимости от задачи, можно создавать статические (текущее, прошлое, или будущее состояние) или динамические карты.

Каковы Преимущества Цифровых Карт Почв?

Преимущество цифровых карт почв заключается в их непревзойденной точности. Карты, составленные вручную оффлайн, сильно уступают в точности картам, смоделированным на основе математического подхода.

Как ученые традиционно составляют карты типов почв? Они выезжают на место и на наиболее характерном рельефе берут образцы поперечного среза почвы, который выглядит как яма со ступеньками. Они копают ее до тех пор, пока все слои почвы (генетические горизонты) не станут различимы по цвету и другим визуальным признакам при естественном освещении. Как только у исследователей есть несколько таких почвенных срезов с уже определенными типами почв, они могут использовать их для создать карт вручную. Если бы мы дали один и тот же набор данных 10 почвоведам, они бы составили 10 похожих карт, слегка отличающихся в деталях.

При математическом подходе, разница более ощутима. Анализируя данные почвенного профиля с помощью алгоритма, учитывающего производные цифровой модели рельефа (ЦМР) и климатические характеристики, мы получим карту более высокой точности, чем при обычном подходе. Этот подход также позволяет получить карту так называемых погрешностей или карту ошибок, которая показывает вероятность нахождения той или иной почвы в конкретной точке.

Какие Самый Распространенные Примеры Использования Цифрового Картирования Почв?

Первый вариант — создание карт свойств почвы — карт, иллюстрирующих количественные характеристики почвы (например, гумус, содержание азота, pH) и показывающих пространственное распределение этих свойств. Причем эти свойства могут быть определены даже в пределах одного типа почвы.

Второй вариант — создание точных карт типов почв. Тип почвы (или класс почвы) — это пример категориальной характеристики. Он описывается не количественно (числом), а качественно (словами: черноземы, подзолы, каштаноземы). Создание таких карт является индивидуальным подходом и предполагает использование специальных адаптированных алгоритмов.

Создание карт типов почв относится к самому широкому уровню классификации земель. Классификация включает следующие таксономические единицы: тип, подтип, род, литологическое строение, вид, разряд, разновидность. Мы можем осуществлять моделирование почв на основе разных уровней классификации, от самого широкого (тип почвы) до самого узкого, если нам нужно получить более детальные карты. Моделирование почвенного покрова на разных уровнях относится к составлению карт таксономических единиц почвы.

В 2019 году мы картировали агропромышленные группы почв Украины, и это пример такого подхода. Агропромышленные группы почв — это искусственная классификация, созданная для сельского хозяйства. Она объединяет уровни таксономических единиц почв. Украинские почвы относятся к 222 классам, каждый из которых имеет специфические сельскохозяйственные характеристики. Мы очень гордимся этим проектом, поскольку для создания предыдущей (первоначальной) версии этой карты специалистам потребовалось 40 лет полевых исследований, и эта карта охватывала только две трети территории страны. Мы завершили работу для всей страны за 14 месяцев. Данный срок был обусловлен разработкой необходимых инструментов для такого рода моделирования, но карты для других стран уже могут быть смоделированы во много раз быстрее.

Технология построения карт свойств почвы является основой для составления агрохимических картограмм (они отображают количество питательных элементов для растений), используемых для планирования урожайности и расчета доз внесения минеральных удобрений. А карта внесения удобрений в свою очередь строится на основе карты продуктивности, отображающей продуктивность разных зон поля путем его анализа с помощью вегетационных индексов.

Вы Говорили О Слоях Почвы, Подразумевая, Что Каждый Из Них Имеет Свои Физические, Химические И Биологические Свойства. Цифровые Карты Отображают Какие-то Еще Слои Почвы, Помимо Верхнего?

Карты, о которых я говорил ранее, иллюстрируют только верхний слой почвы. Однако можно изучать и описывать слои почвы, расположенные глубже 30 см (это глубина залегания верхнего слоя почвы), создавая объемные карты. В отличие от двумерных карт, где каждый пиксель соответствует определенному участку земли, эти карты составлены в вокселях — объемных пикселях.

Морфометрия почвы — это новое направление исследований, основной задачей которого является моделирование изменений свойств почвы в пределах ее объема и визуализация этих результатов в виде трехмерных карт.

Корни растений могут прорастать на глубину до 1-3 метров (например, подсолнечник, люцерна, люпин), поэтому информация о соотношении элементов во всей толще почвы позволяет фермерам значительно улучшить питание культур с помощью удобрений. Существует специальное программное обеспечение (например, SimRoot, SPACSYS, R-SWMS, ROOTMAP, RootTyp) для моделирования корневых систем сельскохозяйственных культур в масштабе поля с использованием воксельных данных. Таким образом, исследователи могут сформулировать рекомендации по времени и глубине внесения удобрений (возможно внесение удобрений на глубину 60 см).

Разработка воксельной модели территории с заболоченной почвой и дренажной системой также может помочь фермерам оптимизировать водный баланс.

Почвоведы Могут Визуализировать Информацию О Почвах В Виде 2D И 3D Карт. Для Чего Еще Может Быть Использовано Моделирование В Этой Области?

Оно может использоваться для расчетов деградации почвы. Например, исследователи могут моделировать процессы водной эрозии, чтобы определить, сколько почвы будет смыто во время дождя в зависимости от растительного покрова (трава, кукуруза, гречиха). Это поможет им оценить риски повреждения почвы при условии выращивания конкретной культуры, определить наиболее подверженные водной эрозии участки, и составить план действий на случай ее возникновения.

На этом слайде с цифровой картой потоков наносов показаны места смытых частиц и места их максимальной концентрации. Вы можете видеть, что модель, количество осадков, и их распределение практически идентичны фотографии в правом углу.

Расчет ветровой эрозии требует учета большего количества переменных, например, силы и интенсивности ветра, почвенного покрова (посевная или покровная культура), наличия или отсутствия ветрозащитной полосы, и прочих.

Существуют Ли Новые Методы Исследования Почвы, О Которых Стоит Упомянуть И Которые Вы Хотели Бы Начать Использовать В Своей Работе? И Если Да, То Что Мешает Их Использовать?

Да, такие методы существуют. Помимо воксельного моделирования свойств почв, используемого в настоящее время только в научных публикациях, я считаю очень перспективным направление, относящееся к моделированию/картированию таксономических единиц почвы, а именно дезагрегирование традиционных почвенных карт. Почва на больших территориях многих стран не исследовалась (это финансово затратно), поэтому существующие карты почв основаны на относительно неполной информации. В то же время, они были построены почвоведами с большим практическим опытом.

Используя возможности современных алгоритмов и геоинформационных технологий, специалисты могут проанализировать эти в некотором роде схематичные карты. А затем, опираясь на дополнительные данные (дистанционного зондирования, значения индексов растительности, цифровую модель рельефа и ее производные), можно построить максимально детальную модель почвенного покрова. Однако тем, кто работает в этом направлении исследований, бывает трудно найти отсканированные исторические карты тех или иных стран и регионов в достаточно высоком разрешении.

Я также вижу большие перспективы в разработке технологии прогнозирования и измерения накопления органического углерода в сельскохозяйственных почвах и его динамики с помощью многоспектральных оптических спутников и биполярных датчиков SAR. Накопление органического углерода в почвах происходит путем захвата (поглощения) углекислого газа из атмосферы растениями.

Этот подход очень ценен не только с точки зрения пользы для почвы, но и в борьбе с глобальным потеплением. Для разработки таких моделей необходимо количественно оценить связь между измерениями почвы и целым рядом дополнительных данных. Создание такой технологии, позволяющей получать достаточно точные результаты, я считаю одной из самых важных и сложных задач. Сложность алгоритмов и недостаток лабораторных данных о почве делает проблему практически неразрешимой.