Технологическая схема специальных съемок при деградации почв
Основные явления деградации почв
Для выбора рациональных методов специальных съемок цифрового картографирования местности необходимы глубокие знания о процессе деградации почв. Деградация почв – постепенное ухудшение качества почвы в результате изменений, разрушающих ее структуру, ведущих к появлению негативных химических свойств и утрате ее плодородия. Деградация почвы может происходить как в результате стихийных природных явлений (землетрясение, извержение вулканов, ураганы), так и в результате нерегулируемой хозяйственной деятельности человека.
Явления деградации почв можно разделить на следующие семь основных групп, связанных с различными направлениями разрушений почвенного покрова и процессов, происходящих в почвах и экосистемах [1, 2, 23].
Нарушение биоэнергетического режима почв и экосистем:
девегетация почв – потери почвами лесного, кустарникового, травянистого растительного покрова, ведущие к постепенному омертвению почв, снижению биопродуктивности и утрате экологических функций. Ухудшение и отсутствие растительного покрова почв приводит к негативным изменениям в климатическом, газовом и водном режимах биосферы;
дегумификация почв – потеря почвами главного носителя плодородия – гумуса;
почвоутомление и истощение – процессы, происходящие в почвах в результате длительного бессменного возделывания одного и того же вида сельхозкультур.
Патологическое состояние почвенных горизонтов и профиля почв:
отчуждение и выключение почв из действующих экосистем – городами, поселками, дорогами, ВЛ, трубопроводами, карьерами, каналами, водохранилищами, шахтами. На этих территориях поверхностный гумусный слой уничтожается или утрамбовывается, закрывается асфальтом и т. п.; растительность, почвенная фауна, микроорганизмы, биоэнергетика сведены к минимуму;
эрозия – многообразное явление разрушения и сноса почв и рыхлых пород потоками воды. Среди разнообразных форм деградации почв водная и ветровая эрозии остаются наиболее масштабными, охватывая практически все зоны земледелия страны.
Различают два типа эрозий – современная (ускоренная), связанная с деятельностью человека, и геологическая. В свою очередь, ускоренная эрозия подразделяется на поверхностную (плоскостную) и линейную (овражную).
Поверхностная эрозия развивается на пологих склонах при стекании по ним талых и дождевых вод слоем малой и однородной толщины, поэтому характеризуется равномерным смывом почвы. Она наиболее опасна и коварна из всех видов эрозии.
Овражная эрозия появляется в тех местах, где рельеф способствует скоплению поверхностно стекающей воды, особенно там, где резкое увеличение крутизны склона вызывает образование быстрин.
Основными факторами, определяющими интенсивность проявления водной эрозии, является климат, рельеф, почвообразующие породы, степень покрытия растительностью, хозяйственная деятельность человека.
Ветровая эрозия (дефляция) распространена в районе недостаточного увлажнения (испаряется влаги больше, чем выпадает осадков). Усилению разрушительного действия ветров способствует рельеф с древними ложбинами стока вдоль направления господствующих ветров.
Тип ветровой эрозии делят на два подтипа: пыльные бури и повседневная (местная) ветровая эрозия.
На характер и развитие пыльных бурь оказывают большое влияние механический и структурный составы почвы. Пыльные бури наносят большой вред, сильно разрушая почвы и вынося вместе с посевами от 12 до 20 см поверхностного слоя.
Повседневная эрозия проявляется на склонах, испытывающих удары ветра. Этот подтип эрозии медленно, но методично разрушает почвы. По степени нарушенности выделяют слабо, средне и сильно дефлированные почвы. Показатели дефлированности почв включают величину мощности гумусового горизонта, процент гибели растений, содержание запасов гумуса, азота, фосфора и других элементов пищи растений. В результате дефляции почвенное плодородие снижается на 5–30 %.
Горная эрозия развивается в горных районах, местах, не защищенных растительностью. Формой проявления горной эрозии являются сели и ветровалы.
Сели-валы из воды, грязи и камней, несущиеся со скоростью 10–15 км/ч. Ими выносится масса 100 кг на 1 м² воды, вес отдельных глыб достигает 10 т.
На горных склонах и на террасах распространена ветровая эрозия с образованием ветровалов (бугры, ямы).
Промышленная эрозия – нарушение земель промышленностью, транспортом, строительством. Промышленная эрозия в наибольшей степени проявляется в местах, где имеются залежи полезных ископаемых. Электростанции, работающие на твердом топливе, предприятия, перерабатывающие минеральное сырье, ответственны за нарушение почвенного покрова из-за необходимости размещения твердых отходов производства. Проложение автомагистралей, ВЛ, ЛЭС, трубопроводов по плодородным землям часто неоправданно.
Среди современных процессов деградации почвенного покрова следует назвать процесс затопления или подтопления сельхозугодий при строительстве гидроэлектростанций и создании водохранилищ. Значительное нарушение почвенного покрова вызывают карьеры по добыче нерудного дорожного и строительного материала, промышленное и гражданское строительство.
Система приемов восстановления нарушенных ландшафтов и их оптимизация называется рекультивацией.
Нарушение водного и химического режимов почв:
сухость и опустынивание почв – результат как общеземного последовательного процесса опустынивания, так и непродуманной хозяйственной деятельности человека. Опустынивание возникает из-за сведения к минимуму лесов и кустарников, чрезмерно высокого поголовья скота. Песчаные пустыни – пример разрушения биосферы и ее локальных экосистем;
селевые разливы и оползни – причиной этих процессов является непродуманное уничтожение растительности в горных районах. Почвы склонов без растительности смываются очень интенсивно – через 3–5 лет на поверхность выходит черная порода;
вторичное засоление почв – происходит в результате неправильного орошения почв как минерализованными, так и пресными водами. Этот процесс усиливается тем, что оросительные каналы не соответствуют экологическим требованиям, нормы полива не соблюдаются;
природная и вторичная кислотность почв – оптимальная реакция почв для многих сельхозрастений находится в интервале рН 5,5–8; плодородие и общая биопродуктивность кислых почв тем ниже, чем выше их кислотность;
переосушение почв – следствие неправильно проводимых осушительных мелиораций. При осушении часто необходимо установить и обеспечить оптимальный уровень залегания грунтовых вод на полях. На почвах разного гранулометрического состава оптимальная глубина подпочвенных вод различная (на песках и супесях – 70–80 см, на суглинках 100–180 см).
Затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ. Создание водохранилищ при строительстве гидроэлектростанций приводит к изменениям всего природного комплекса и почвенно-экологических условий в том числе. Антропогенное воздействие на почвенно-экологическую систему состоит из затопления, инфильтрации, подъема грунтовых вод, эрозии, абразии, испарения и других факторов риска. Степень воздействия этих факторов определяется размерами водохранилищ, высотой подпора воды, ее химическим составом, степенью изменения климата.
Кроме того, водохранилища превращают реку в систему стоячих и полу стоячих озер. При ослаблении стока происходит загрязнение водоемов химическими загрязняющими веществами, а приток неочищенных промышленных и дренажных вод приводит к засолению почв. Деградационные изменения, вызываемые переохлаждением и вторичной мерзлотностью почв. Деградация ландшафтов и почв районов с распространением многолетней мерзлоты происходит от любого воздействия, ведущего к уничтожению почвенно-растительного покрова, что обусловливает протаивание мерзлых грунтов и развитие деградационных, эрозионных и других процессов.
Разрушение почв военными действиями и атомной радиацией. При обычных войнах интенсивное передвижение армий, транспорта, рытье рвов, окопов, взрывы бомб ведут к полному уничтожению экосистем и почв. На многих полях военных действий почвенный покров и поныне не восстановлен. Взрывы атомных бомб разрушают продуктивные ландшафты огромных территорий на несколько десятков лет, образуются регионы почв с высоким радиоактивным заражением. К источникам радиации и загрязнения радиоактивными изотопами экосистем относятся: испытательные взрывы атомных бомб, утечки и аварии на АЭС, рудники урановых руд, предприятия, изготовляющие радиоактивные препараты, медицинские специализированные препараты, золы и дым некоторых видов каменного угля, примеси к фосфорным удобрениям и другое.
Мелиорация, техногенные и агрогенные загрязнения почв. Водная мелиорация, устраняя недостаток или избыток влаги в почве, одновременно может ухудшить другие агрономические важные свойства. Являясь причинами негативных изменений при орошении, избыточные поливные нормы, потери воды в инженерных сетях приводят к подъему грунтовых вод при осушении и вторичному засолению, заболачиванию, осолондевению. При проведении мелиоративных работ (даже с закрытым дренажем) физически нарушается гумусовый горизонт. Площади с интенсивными свойствами требуют проведения тщательного учета и оценки.
В последующие годы к разрушающему воздействию на почвенный покров эрозии, переуплотнения, засоления и другого добавляется новый мощный фактор деградации плодородия – техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами: марганцем, хромом, свинцом, цинком, медью, никелем, кобальтом, кадмием, фтором, мышьяком, серой, азотом. Когда некоторых из этих элементов в почве оказывается очень много, они становятся ядами.
Токсичным считается уровень содержания тяжелых металлов, при котором происходит снижение урожайности на 5–10 %. Источниками загрязнения почв являются:
- отходы металлообрабатывающей промышленности;
- промышленные выбросы;
- продукты сгорания топлива;
- автомобильные выхлопы отработанных газов;
- средства химизации сельского хозяйства.
Агрогенное загрязнение почв и окружающей среды по масштабам и последствиям сопоставимо с их техногенным загрязнением.
Пестициды, т. е. ядохимикаты для борьбы с сорняками (гербициды), вредителями (зооциды, инсектициды и др.), болезнями (фунгициды и др.) сельскохозяйственных растений, кустарников и деревьев, защищая полезные растения, сохраняют большие объемы продукции, но они же, накапливаясь в ландшафтах, повреждают и уничтожают сообщества животных.
С продуктами они поступают в организм человека, накапливаются в нем, вызывая болезни, которые могут передаваться по наследству. Эти негативные последствия не всегда учитываются при оценке стоимости земли.
Существует специальная балльная шкала, состоящая из 3 групп для оценки токсичности и классификации пестицидов как возможных загрязнителей. В группу наиболее опасных загрязнителей вошли зооциды и протравители (гранозан, форфид цинка и др.); во вторую – среднетоксичные (хлорофос, симазин, атразин); в третью группу входят слаботоксичные гербициды (дихлорэтан, диурон, цинеб). Химизация земледелия высокоэффективна при условии грамотного и рационального использования удобрений. В настоящее время в связи с реальной угрозой загрязнения почв и грунтовых вод особенно важно научно обосновать применение химических средств в сельском хозяйстве и давать им экологическую оценку.
Земля как природный ресурс является главным элементом единой производительной силы природы, причем каждый вид земельных угодий уникален по своим природным условиям, что определяет их дифференцированное использование.
Развитие научно-технического прогресса привело к появлению таких сложных проблем, как рациональное использование природных ресурсов, освоение новых источников энергии, сохранение окружающей среды.
По данным государственного учета земель земельный фонд Российской Федерации на январь 1998 г. составил 1 708 млн. га, в том числе сельхозугодия занимают 220,8 млн. га, из них пашня – 127,5 млн. га, сенокосы – 23,2 млн. га и пастбища – 65,3 млн. га.
Огромный ущерб народному хозяйству наносят такие явления, как: деградация почв, чрезмерная мелиорация, природно-техногенные и аграрное загрязнения почв. Все они относятся к лимитирующим факторам почвенного плодородия, приводящим в конечном итоге к обесцениванию почв земельных угодий.
Борьба с этими явлениями многопланова в силу многообразия факторов деградации почв. Поэтому без системных научных исследований как небольших районов загрязнений почв, так и больших площадей (экосистем), нельзя получить правильных и достоверных оценок о степени опасности, риска ущерба и уязвимости почв. Эту оценку хорошо сформулировали в своей работе Г. Л. Кофф и др. При оценке степени опасности и риска ущерба от природных и природно-техногенных процессов необходимо оценить подверженность объектов воздействию этих процессов, т. е. уязвимость объектов. Таким образом, уязвимость характеризует защищенность объектов, их способность сопротивляться опасному воздействию, наносящему определенный ущерб.
Поэтому при оценке степени риска ущерба от воздействия опасных процессов важно оценить восприимчивость почвы и оценить ее состояние.
Технология специальных съемок
Основой при исследованиях, проектировании и эксплуатации почв являются топографические карты всех масштабов, издаваемые Федеральным агентством Роскартографии согласно классификации ГОСТ.
Геоботанические карты, в зависимости от целевого назначения и принципов построения, делятся на универсальные (УГК) и специализированные (СГК). Универсальные геоботанические карты показывают распределение естественных единиц растительности, сложившейся в процессе исторического развития, и коренных растительных сообществ, например, еловых лесов, ковыльных степей. Специализированные геоботанические карты отображают черты растительности, наиболее существенные для того или иного направления хозяйствования, ее использования. Карты СГК подразделяются на прикладные планы – кормовые, лесные, индикационные.
УГК в зависимости от масштаба подразделяются на детальные крупномасштабные (1: 5 000–1: 25 000), обобщенные крупномасштабные (1: 50 000–1: 100 000), среднемасштабные (1: 300 000–1: 1 000 000) и мелкомасштабные информационные (1: 1 500 000–1: 4 000 000) и мелкомасштабные обзорные (1: 5 000 000 и меньше).
СГК могут иметь различные масштабы – детальные крупномасштабные карты и планы (1: 2 000–1: 10 000).
Специальные методы съемок, применяемые при создании топографических карт (рис. 2.9), могут и должны использоваться для создания планов (карт) деградации почв. С помощью специальных съемок наносится на топографические карты дополнительная информация о факторах почвообразовании, имеющая трехмерную пространственную модель (Х, Y, Н). Технологические схемы выполнения специальных съемок отличаются от важнейших (традиционных) методов топографических съемок не только в принципе, но и в подходе, который включает следующее:
- подготовительные работы и рекогносцировка района работ;
- методика геологической съемки (отбор образцов грунта и почвы);
- бурение инженерно-геологических скважин (до глубины залегания -грунтовых вод);
- описание грунтов и почвы с отбором проб грунта для определения физических и химических свойств грунта и почвы (удельный объемный вес, гранулометрический состав, коэффициент фильтрации и т. п.);
- инженерно-геодезическая привязка мест отбора проб почвы и грунта,
- определение и привязка границ зоны подтопления (затопление поймы), 10 % и 1 % обеспеченности;
- лабораторные исследования грунтов и почв;
- топографические съемки (в эрозионных, селевых, оползневых и других районах);
- камеральная обработка полевых и лабораторных материалов;
- составление и оформление технического отчета.
Одними из основных видов инженерно-геодезических работ в данном случае являются определение координат и высот выработок (места отбора проб) и топографические съемки с помощью современных технологий (электронные тахеометры, GPS-приемники и ЭВМ).
Содержание и технологию проведения таких работ регламентируют: СНиП 11-01-95, СНиП 11-02-96 и СП 11-102-97, СП 11-101-97, СП 11-103-97, СП 11-104-97 и СП 11-105-97, СНиП 2.06.15-85 и ГОСТ 25100-95, ГОСТ 21.302-96, ГОСТ 30108-94, ГОСТ 21.101-93, ГОСТ 12071-84 и др.
Рис 1. Важнейшие методы съемок, применяющиеся для картографирования деградационных факторов почв (земель)
Кроме того, для заключения договора на выполнение вышеуказанных работ необходимо получить от заказчика техническое задание и согласованную с ним (заказчиком) программу (проект) работ.
В настоящее время схема организации проектных и изыскательских работ (рис. 2.) по техническим нормативам выполняется в три стадии [34, 36]:
- предпроектная стадия;
- стадия проектной документации;
- рабочий проект.
Рис. 2. Схема организации проектно-изыскательских работ по СНиП 11-01-95 и СП 11-101-97
По результатам выполненных инженерно-геодезических, инженерно-гидрологических и инженерно-геологических изысканий в соответствии с требованиями СНиП 11-02-96 по каждому объекту должен быть составлен технический отчет [33].