Ґрунтознавство Та Пом’якшення Наслідків Ерозії Ґрунту

Ґрунт є основою всіх процесів виробництва продуктів харчування – від нього залежить майже 95% світового виробництва продовольства.

В інтерв’ю, Василь Черлінка, Ґрунтознавець EOS Data Analytics, обговорює проблему раціонального використання ґрунту, деградацію ґрунту, її причини та наслідки для глобальної продовольчої безпеки. Фахівець також розповідає про цифрове картування та моделювання ґрунтів та їх роль у моніторингу та підтримці здоров’я земель та максимізації врожайності.

Що Таке Деградація Ґрунту?

Деградація ґрунту — це погіршення його фізичних, фізико-хімічних, або біологічних характеристик внаслідок природних чи антропогенних процесів. Існують чотири основні причини деградації ґрунту.

Перша причина – це патологія ґрунтового профілю та генетичних горизонтів. Генетичні горизонти — це шари ґрунту з певними характеристиками (наприклад, текстура, колір, структура, товщина, наявність природних угруповань, вміст хімічних та мінеральних речовин). Властивості кожного шару вказують на те, що він зазнав впливу певних ґрунтоутворювальних процесів. Ґрунтовий профіль, своєю чергою, відображає послідовність генетичних горизонтів.

Ерозія ґрунту — це відділення, перенесення та відкладення верхнього шару ґрунту, найчастіше внаслідок впливу вітру або води. Хоча причини ерозії ґрунту є природними, люди можуть посилювати їх інтенсивність, наприклад, під час сільськогосподарських робіт, таких як оранка або розміщення та вирощування культур на схилах.

Ущільнення ґрунту відбувається, коли його частинки спресовуються, і простір між ними зменшується. В результаті в ґрунт проникає менше води та повітря, що негативно позначається на розвитку рослин та кореневої системи. Причиною ущільнення ґрунту можуть стати масивні трактори (особливо колісні) — їхня ущільнювальна дія на ґрунт поширюється до глибини півтора метра.

Забруднення та хімічне отруєння також загрожують здоров’ю ґрунту. Насамперед це стосується безконтрольного використання мінеральних добрив, які можуть змінити pH ґрунту. Друга проблема полягає в тому, що надмірна кількість добрив не лише стимулює зростання сільськогосподарських культур, а й робить їх токсичними для людини. Всі, напевно, чули про нітрати: вживання їжі, що містить велику кількість нітратів, може призвести до паралічу серцевого м’яза.

Слід бути обережним і з пестицидами. Ці популярні серед аграріїв хімікати можуть використовуватися для боротьби з бур’янами (гербіциди), профілактики грибкових захворювань рослин (фунгіциди) та боротьби зі шкідниками (зооциди, інсектициди, та інші). При правильному застосуванні вони дозволяють зберегти понад 30% урожаю, але надлишки пестицидів можуть мігрувати та потрапляти у ґрунтові води. Нагромаджуючись у ґрунті, вони можуть передаватися харчовими ланцюгами та викликати захворювання у тварин і людей.

Нарешті, великі дози добрив можуть потрапити у прилеглі водойми з безперервною течією, а надмірна концентрація хімічних елементів у воді призводить до такого явища, як евтрофікація водних басейнів. Саме це відбувається влітку з річкою Дніпро в Україні: її води стають зеленими через водорості, які в процесі росту споживають багато кисню з води, через що гине риба. Таким чином, неправильне використання добрив викликає цілу низку несприятливих подій.

Третя причина деградації ґрунту — порушення його водного та хімічного режимів. Це може проявлятися у вигляді опустелювання, зсувах, селях, і вторинному засоленні, серед іншого.

До опустелювання призводить ряд екологічних змін. Зміна клімату призводить до зменшення кількості опадів. Кордони кліматичних зон зміщуються (зміни у фауні та флорі також свідчать про це), тому родючий ґрунт втрачає свої властивості, а територія перетворюється на пустелю.

Зсуви та селі, характерні для гірських і горбистих районів, можуть бути спровоковані сильними дощами, виверженнями вулканів, землетрусами, прокладанням доріг, видобутком корисних копалин або вирубуванням лісів.

Антропогенне знищення лісів (одне дерево може утримувати до 500 літрів води під час дощу) та чагарникової рослинності призводить до суттєвих змін водного режиму територій. У цих умовах ґрунтові маси починають зміщуватися по розмоклих глинистих породах, сповзаючи вниз по схилу, і ґрунтовий покрив повністю руйнується.

Ґрунти оголених схилів (без рослинності) змиваються настільки інтенсивно, що за 3-5 років усі генетичні горизонти зникають, залишаючи на поверхні лише каміння. Водний потік, який спочатку змив значну частину верхнього шару ґрунтів схилів, набравши швидкість, змітає в гірських долинах все на своєму шляху: мости, поля, сади, череди тварин та населені пункти. Це явище отримало назву сель.

Можливі також вторинне засолення (вихід солей з нижніх шарів ґрунту на поверхню через неправильний режим іригації), прояв вторинної кислотності (порушення кислотного балансу, яке може бути спричинене неправильним вибором культур або добрив), та зневоднення ґрунту.

Четверта причина — порушення біоенергетичного режиму ґрунтів та екосистем — може виражатися у девегетації та дегуміфікації (розкладанні органічної речовини). Перше означає в’янення рослинності і може відбуватися через порушення водного балансу ґрунту на цій території. Девегетація може бути викликана вітром, що здуває ґрунт, на якому ще залишаються рослини. У ґрунтах, що втратили рослинний покрив неприродним шляхом, практично відсутня коренева біомаса, а значить виснажуються запаси цінних мінералів, органічної речовини та біоенергетичних ресурсів. Такі ґрунти стають неродючими, втрачають здатність структуруватися, і більш схильні до ерозії. Так відбувається, наприклад, на півдні України.

Дегуміфікація — це втрата ґрунтом органічної речовини внаслідок тривалого нехтування мінеральними та органічними добривами, впливу ерозійних процесів та інших факторів. Відбувається мікробне розкладання складових органічної речовини ґрунту. Органічна речовина стабілізує ґрунт, діючи як клей, що утримує її частинки разом. Чим менший відсоток гумусу в ґрунті, тим вищий ризик деградації ґрунту з природних чи антропогенних причин.

Інтенсивні методи ведення сільського господарства також відповідальні за деградацію ґрунту. Наприклад, ті, хто вирощує одні й ті самі рослини кожного сезону без перерви, поступово виснажують ґрунт. Це явище відоме давно і називається втомою ґрунту. Добрива у цьому випадку не допоможуть відновити родючість земель.

Експерти Вважають, Що Деградація Ґрунтів Загрожує Глобальній Продовольчій Безпеці. Чи Згодні Ви з Цією Думкою?

Я змушений з ними погодитись, бо населення планети зростає, а кількість природних ресурсів — ні: земельні ресурси обмежені через географічні особливості нашої планети. Близько 71% поверхні Землі вкрито водою, при цьому океани містять майже 96,5% усієї води. Гірські системи становлять близько 40% поверхні суші. Значна площа знаходиться в полярних областях та інших районах, непридатних для сільського господарства (пустелі, напівпустелі, звалища, та інші). З роками все менше і менше земель залишаються доступними для землеробства. Великі території виводяться з сільськогосподарського обороту на тлі урбанізації, а високі темпи опустелювання ще більше ускладнюють ситуацію. Враховуючи, що понад 95% виробництва продуктів харчування залежить від ґрунту, люди повинні зберегти його, щоб мати можливість прогодувати себе в майбутньому.

Викликає тривогу неефективне та нестійке використання ґрунту, особливо в країнах Африки та Латинської Америки. Наприклад, ґрунт на орних землях у Бразилії схильний до водної ерозії, оскільки в окрузі щорічно випадає близько 2000 міліметрів опадів та відбувається систематична вирубка лісів.

Але не тільки деградація ґрунту ставить під загрозу продовольчу безпеку (я знаю, це не стосується теми). Військові конфлікти також становлять загрозу, призводячи до порушення ланцюгів постачання сільськогосподарської продукції. У 2022 році світ бачить, як російське вторгнення в Україну викликає дефіцит продовольства. Зараз два порти України, які використовуються для експорту зерна, Маріуполь і Херсон, заблоковані Росією. Роль України у підтримці продовольчої безпеки деяких країн важко переоцінити: 2021 року внесок країни у світовий експорт пшениці становив 10%. Трьома найбільшими покупцями стали Китай, Єгипет та Туреччина.

Важко навіть оцінити збитки, завдані ґрунту війною. Достатньо перерахувати основні негативні наслідки, які доповнюють раніше згадану деградацію.

Ґрунт фізично пошкоджений внаслідок:

• порушення чи перенесення ґрунтового покриву внаслідок спроб контрнаступу
• ракет, бомб, снарядів, установки протитанкових та протипіхотних мін
• руху військового транспорту, у тому числі маневрів важкої колісної та гусеничної техніки
• спровокованих обстрілом пожеж на землях сільськогосподарського чи лісового призначення.

Існує також хімічна дія воєнних дій на ґрунт: забруднення потенційно токсичними елементами, забруднення енергетичними сполуками, вплив бойових хімікатів.

Отже, Щоб Зберегти Ґрунти, Фермери І Сільськогосподарські Підприємства Повинні Підтримувати Здоров’я Ґрунту Шляхом Використання Оптимальної Кількості Добрив, Управління Іригацією, Або Планування Сівозміни. Державні Установи Повинні Контролювати Використання Природних Ресурсів Приватними Особами Та Підприємствами. А У Чому Полягає Роль Науковців?

Сільськогосподарське виробництво ділиться на два основні сектори — вирощування сільськогосподарських культур та тваринництво. У різних країнах один із цих секторів переважає над іншим. Але обидві галузі безпосередньо впливають на ґрунт. Вирощування сільськогосподарських культур передбачає перетворення енергії сонячного випромінювання на енергію органічної речовини, тобто різних видів сільськогосподарських культур. Основою успішного розвитку тваринництва є міцна кормова база, створення якої неможливе без вирощування сільськогосподарських культур. Тому взаємодія цих двох секторів є основою раціональної організації та ефективного керування сільськогосподарським виробництвом.

Оскільки ґрунт є основою всіх виробничих процесів, вчені приділяють велику увагу пошуку методів максимального використання його корисних властивостей (підвищення родючості) та мінімізації шкоди (запобігання деградації різних типів ґрунтів). Таким чином, ґрунт є основним засобом виробництва, оскільки він одночасно є і предметом і засобом праці.

Завдяки зусиллям дослідників з’явилося сільське господарство як наука. Сільське господарство дозволяє виробляти продукти харчування для людей, корми для тваринництва та сировину для харчової промисловості.

Сільське господарство має безліч напрямків: вирощування сільськогосподарських культур, овочівництво, плодівництво, виноградарство, селекція, луківництво, та інші.

Слід зазначити, що хоча ґрунтознавство не входить до згаданого списку, сільське господарство користується його благами.

Існує тісна взаємодія цілого ряду наук задля досягнення максимального ефекту від ґрунтів щодо врожайності сільськогосподарських культур. Ще на початку минулого століття врожай пшениці 15-20 центнерів з гектара вважався відмінним. Сьогодні, 50-60 центнерів з гектара — це середній результат, адже деякі ферми досягають урожаю в 100 і навіть 120 центнерів з гектара. Причому таке масове зростання спостерігається майже серед усіх культур. Заслуга вчених тут неоціненна!

Існує кілька методів підвищення родючості ґрунту: хімічний (наприклад, внесення добрив, що досліджуються в рамках агрохімії), фізичний та біологічний. У сільському господарстві основну увагу приділяють двом останнім. Раціональне використання орних земель та підвищення родючості ґрунту передбачає комплекс біологічних, хімічних та фізичних методів впливу на землю.

Всі ці дії впливають на довкілля, якість продукції, здоров’я людини та все живе на Землі. Тому дуже важливо контролювати їхню правильність і вивчати можливі наслідки. Цим і займаються вчені.

Крім впровадження систем контролю та моніторингу, розв’язанню цієї проблеми сприяє вдосконалення зональних систем землеробства та впровадження ґрунтозахисних технологій вирощування рослин на основі сучасних методологічних принципів управління родючістю ґрунтів.

Наша сьогоднішня реальність багато в чому така завдяки зусиллям вчених, які вивчають та розробляють методи регулювання водно-повітряного, теплового та поживного режимів ґрунту. Вони прагнуть визначити оптимальні умови росту та розвитку рослин, розробляють заходи боротьби з бур’янами, оптимальні сівозміни та системи обробітку ґрунту. Вони також досліджують методи раціонального використання землі, її захисту від ерозії, отримання високих та стійких врожаїв за постійного підвищення родючості ґрунту.

Будь Ласка, Розкажіть Про Цифрове Картування Ґрунтів

Моделювання означає аналіз наземних, супутникових або повітряних даних з використанням широкого спектра алгоритмів або програмного забезпечення (GIS, R, Python та інші), яке використовує ці алгоритми для створення карти типів або характеристик ґрунту. При цьому, залежно від завдання, можна створювати статичні (поточний, минулий або майбутній стан) або динамічні карти.

Які Переваги Цифрових Карт Ґрунтів?

Перевага цифрових карт ґрунтів полягає в їхній неперевершеній точності. Карти, складені вручну офлайн, сильно поступаються точно картам, змодельованим на основі математичного підходу.

Як вчені традиційно складають карти типів ґрунтів? Вони виїжджають на місце і найбільш характерному рельєфі беруть зразки поперечного зрізу ґрунту, який виглядає як яма зі сходами. Вони копають її до тих пір, поки всі шари ґрунту (генетичні горизонти) не стануть помітними за кольором та іншими візуальними ознаками при природному освітленні. Як тільки у дослідників є кілька таких ґрунтових зрізів з уже визначеними типами ґрунтів, вони можуть використовувати їх для створення карт вручну. Якби ми дали один і той же набір даних 10 ґрунтознавцям, вони б склали 10 схожих карт, які трохи відрізняються в деталях.

При математичному підході різниця більш відчутна. Аналізуючи дані ґрунтового профілю за допомогою алгоритму, що враховує похідні цифрової моделі рельєфу (ЦМР) та кліматичні характеристики, ми отримаємо карту вищої точності, ніж за звичайного підходу. Цей підхід також дозволяє отримати карту так званих похибок або карту помилок, яка показує ймовірність знаходження того чи іншого ґрунту в конкретній точці.

Які Найпоширеніші Приклади Використання Цифрового Картування Ґрунтів?

Перший варіант — створення карт властивостей ґрунту — карт, що ілюструють кількісні характеристики ґрунту (наприклад, гумус, вміст азоту, pH) і показують просторовий розподіл цих властивостей. Ці властивості можуть бути визначені навіть у межах одного типу ґрунту.

Другий варіант — створення точних карт типів ґрунтів. Тип ґрунту (або клас ґрунту) — це приклад категоріальної характеристики. Він описується не кількісно (числом), а якісно (словами: чорноземи, підзоли, каштаноземи). Створення таких карт є індивідуальним підходом і передбачає використання спеціальних адаптованих алгоритмів.

Створення карт типів ґрунтів належить до найширшого рівня класифікації земель. Класифікація включає такі таксономічні одиниці: тип, підтип, рід, літологічна будова, вид, розряд, різновид. Ми можемо здійснювати моделювання ґрунтів на основі різних рівнів класифікації, від найширшого (тип ґрунту) до найвужчого, якщо нам потрібно отримати більш детальні карти. Моделювання ґрунтового покриву на різних рівнях належить до складання карт таксономічних одиниць ґрунту.

У 2019 році ми картували агропромислові групи ґрунтів України, і це приклад такого підходу. Агропромислові групи ґрунтів — це штучна класифікація, створена для сільського господарства. Вона поєднує рівні таксономічних одиниць ґрунтів. Українські ґрунти належать до 222 класів, кожен з яких має специфічні сільськогосподарські характеристики. Ми дуже пишаємося цим проєктом, оскільки для створення попередньої (первісної) версії цієї картки фахівцям знадобилося 40 років польових досліджень, і ця карта охоплювала лише дві третини території країни. Ми завершили роботу для всієї країни за 14 місяців. Цей термін був обумовлений розробкою необхідних інструментів для такого роду моделювання, але карти для інших країн вже можуть бути змодельовані набагато швидше.

Технологія побудови карт властивостей ґрунту є основою для складання агрохімічних картограм (вони відображають кількість поживних елементів для рослин), що використовуються для планування врожайності та розрахунку доз внесення мінеральних добрив. А карта внесення добрив, своєю чергою, будується на основі карти продуктивності, що відображає продуктивність різних зон поля шляхом його аналізу за допомогою вегетаційних індексів.

Ви Говорили Про Шари Ґрунту, Маючи На Увазі, Що Кожен З Них Має Свої Фізичні, Хімічні Та Біологічні Властивості. Цифрові Карти Відображають Якісь Ще Шари Ґрунту, Окрім Верхнього?

Карти, про які я говорив раніше, ілюструють лише верхній шар ґрунту. Однак можна вивчати та описувати шари ґрунту, розташовані глибше 30 см (це глибина залягання верхнього шару ґрунту), створюючи об’ємні карти. На відміну від двовимірних карт, де кожен піксель відповідає певній ділянці землі, ці карти складено у вокселях — об’ємних пікселях.

Морфометрія ґрунту — це новий напрямок досліджень, основним завданням якого є моделювання змін властивостей ґрунту в межах його обсягу та візуалізація цих результатів у вигляді тривимірних карток.

Коріння рослин може проростати на глибину до 1-3 метрів (наприклад, соняшник, люцерна, люпин), тому інформація про співвідношення елементів у всій товщі ґрунту дозволяє фермерам значно покращити живлення культур за допомогою добрив. Існує спеціальне програмне забезпечення (наприклад SimRoot, SPACSYS, R-SWMS, ROOTMAP, RootTyp) для моделювання кореневих систем сільськогосподарських культур у масштабі поля з використанням воксельних даних. Таким чином, дослідники можуть сформулювати рекомендації щодо часу та глибини внесення добрив (можливе внесення добрив на глибину 60 см).

Розробка воксельної моделі території із заболоченим ґрунтом та дренажною системою також може допомогти фермерам оптимізувати водний баланс.

Ґрунтознавці Можуть Візуалізувати Інформацію Про Ґрунти У Вигляді 2D і 3D Карт. Для Чого Ще Може Бути Використано Моделювання В Цій Галузі?

Воно може використовуватись для розрахунків деградації ґрунту. Наприклад, дослідники можуть моделювати процеси водної ерозії, щоб визначити, скільки ґрунту буде змито під час дощу залежно від рослинного покриву (трава, кукурудза, гречка). Це допоможе їм оцінити ризики пошкодження ґрунту за умови вирощування конкретної культури, визначити найбільш схильні до водної ерозії ділянки, і скласти план дій на випадок її виникнення.

На цьому слайді з цифровою картою потоків наносів показані місця змитих частинок та місця їхньої максимальної концентрації. Ви можете бачити, що модель, кількість опадів, та їх розподіл практично ідентичні фотографії у правому кутку.

Розрахунок вітрової ерозії вимагає врахування більшої кількості змінних, наприклад, сили та інтенсивності вітру, ґрунтового покриву (посівна або покривна культура), наявності або відсутності вітрозахисної смуги, та інших.

Чи Існують Нові Методи Дослідження Ґрунту, Про Які Варто Згадати І Які Ви Хотіли Б Почати Використовувати У Своїй Роботі? І Якщо Так, То Що Заважає Їх Використовувати?

Так, такі методи є. Крім воксельного моделювання властивостей ґрунтів, яке зараз використовується тільки в наукових публікаціях, я вважаю дуже перспективним напрямок, що стосується моделювання/картування таксономічних одиниць ґрунту, а саме дезагрегування традиційних ґрунтових карт. Ґрунт на великих територіях багатьох країн не досліджувався (це фінансово витратно), тому наявні карти ґрунтів базуються на відносно неповній інформації. Водночас, вони були побудовані ґрунтознавцями з великим практичним досвідом.

Використовуючи можливості сучасних алгоритмів та геоінформаційних технологій, фахівці можуть проаналізувати ці до певної міри схематичні карти. А потім, спираючись на додаткові дані (дистанційне зондування, значення індексів рослинності, цифрову модель рельєфу та її похідні), можна побудувати максимально детальну модель ґрунтового покриву. Проте тим, хто працює в цьому напрямку досліджень, буває важко знайти відскановані історичні карти тих чи інших країн та регіонів достатньої роздільної здатності.

Я також бачу великі перспективи у розробці технології прогнозування та вимірювання накопичення органічного вуглецю в сільськогосподарських ґрунтах та його динаміки за допомогою багатоспектральних оптичних супутників та біполярних датчиків SAR. Накопичення органічного вуглецю у ґрунтах відбувається шляхом захоплення (поглинання) вуглекислого газу з атмосфери рослинами.

Цей підхід дуже цінний не лише з погляду користі для ґрунту, а й у боротьбі з глобальним потеплінням. Для розробки таких моделей необхідно кількісно оцінити зв’язок між вимірами ґрунту та цілим рядом додаткових даних. Створення такої технології, що дозволяє отримувати досить точні результати, я вважаю одним із найважливіших і складних завдань. Складність алгоритмів та нестача лабораторних даних про ґрунт робить проблему практично нерозв’язною.