Компоненты агроэкологического мониторинга

Основными блок-компонентами агроэкосистем являются атмосфера, вода, почва, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенные особенности (рис. 19.2).

Почвенный мониторинг состоит из трех последовательных взаимосвязанных частей:

- контроль (наблюдения) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменений;

-прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова;

-научно обоснованные рекомендации по направленному регулированию основных средств и режимов в почвах, непосредственно определяющих их плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.

Под состоянием почв и почвенного покрова во времени и пространстве понимают комплекс измеряемых показателей свойств, состава и плодородия почвы в пределах ее элементарного ареала в конкретный период.

Состояние почвенного покрова – это соотношение находящихся в его структуре в определенном состоянии элементарных почвенных ареалов или их комбинаций в данное время.

Получаемая на базе мониторинга информация об изменении свойств почвы, почвенных режимов и процессов под воздействием естественных факторов почвообразования и антропогенных нагрузок служит основой для моделирования почвенного плодородия.

Задача мониторинга состояния почвенного покрова - обеспечение регулярного контроля за:

-использованием земель (соответствие природного потенциала земель их производственному назначению);

- однородностью почвенного покрова полей (контурность, пятнистость, образование микрорельефа);

- эрозионными процессами (увеличение числа оврагов. Дефляция поверхности, перемещение барханов, дюн и др.);

- оползневыми и селевыми наносами;

- подсклоновым заилением, заболачиванием, засолением, опустыниванием и другими негативными процессами.

Управление состоянием почвенного покрова включает такие мероприятия, как рациональная организация территории, приведение в соответствие использование земель их природному потенциалу, почвенно-мелиоративные, агротехнические и противоэрозионные приемы.

Усиление негативных антропогенных воздействий, обусловливающих нарушение почв и снижение их плодородия, требует включения в программы почвенно-экологического мониторинга следующих задач:

- определение потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;

- контроль за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего в районах с повышенными дозами внесения минеральных удобрений при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов в окрестностях крупных промышленных центров, которые характеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);

- контроль за изменением водно-солевого режима и водно-солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким-либо другим способом изменяемых почв;

- выявление регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружение и оценки скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора;

- контроль за загрязнением почв тяжелыми металлами, выпадающими с атмосферными осадками, и за локальным загрязнением их тяжелыми металлами в зонах влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей;

- контроль за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования (например, на рисовых полях);

· контроль за загрязнением почв детергентами и бытовыми отходами, особенно на территориях с высокой плотностью населения;

- сезонный и долгосрочный контроль за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод;

- экспертная оценка вероятности изменения свойств почв при сооружении гидромелиоративных систем, внедрении новых систем земледелия и технологий, строительстве крупных промышленных предприятий и других объектов.

Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обусловливают необходимость разработки дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга.

Начальный этап мониторинга (первая форма) позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воздействия антропогенных факторов, направленность и интенсивность развития негативных процессов и выбрать (в соответствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.

Стационарная форма почвенно-экологического мониторинга (вторая форма) реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.

Для длительных и комплексных наблюдений стационарный участок должен включать группу достаточных по размерам площадок, которые охватывали бы все виды почв, различающихся по степени проявления тех или иных процессов, например, при гидроморфизме мезоморфные почвы вершин повышений, глееватые почвы склонов, глеевые понижения рельефа. То же относится и к немелиорированным массивам. Размеры экспериментальных участков (площадок) трудно определить заранее. Их устанавливают с учетом размеров и состояния элементарных почвенных ареалов, длительности исследований, видов режимных исследований и периодичности наблюдений.

Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяют репрезентативным диагностическим показателям, наиболее динамично меняющимся во времени (кислотность, ОВП, плотность и структурное состояние почвы, впитывание УГВ и т.д.). Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.

По своему содержанию маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоянием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, агроэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (частота) маршрутов 1-3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подтопление площадей, утечка воды из дрен, изреженность и вымокание посевов, засоление, подкисление, осолонцевание, эрозия и т.д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, специальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на таких участках (территориях).

Четвертая форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные материалы при этой форме мониторинга составляют в первую очередь инвентаризационные картографические характеристики, а также картограммы агрохимических обследований и разработанные на этой основе рекомендации по рационализации землепользования.

Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (содержание гумуса, эродированность, рН, засоленность, солонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводственная группировка почв и «почвенные очерки», характеризующие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми предпосылками для последующих теоретических обобщений и практических рекомендаций. Последние же должны отражать трансформацию сельскохозяйственных угодий; охрану почв от водной и ветровой эрозии; осушение, орошение и проведение культуртехнических работ; химическую мелиорацию земель (известкование, гипсование и т.д.); рациональные размещения и набор сельскохозяйственных культур; особенности агротехнических приемов и систем применения удобрений с учетом почвенных условий; улучшение сенокосов и пастбищ.

Обязательное условие при осуществлении рассматриваемой формы мониторинга - использование методов картографирования. При этом набор приемов получения исходных данных (от визуальных до космических) должен быть максимально полным.

В зависимости от сложности почвенного покрова для проведения съемок, оценки специализации хозяйств и интенсивности использования земель устанавливают различные масштабы почвенных исследований (лесостепь - 1:10 000 – 1:25 000; пастбищные угодья в полупустыне - 1:50 000; орошаемые и осушенные земли - 1:2000 – 1:5000). Одновременно дифференцируют точность проводимых обследований и составляемых картографических материалов.

В результате длительной распашки, применения удобрений, химических мелиорантов, орошения, осушения и других агротехнических и мелиоративных мероприятий компонентный состав комплексных почвенных контуров изменяется. На это обстоятельство в процессе мониторинга следует обращать серьезное внимание.

Для достижения репрезентативности наблюдений и объективности оценок состояния и изменений почвенно-агрохимических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью 1 раз в 10-15 лет, а агрохимические - каждые 5 лет. Проведение таких работ повторно, с одной стороны, позволяет устранять недостатки и восполнять пробелы прежних наблюдений, а с другой (что наиболее существенно) - выявлять и фиксировать происшедшие изменения свойств почв и почвенного покрова вследствие природных и антропогенных воздействий.

Объекты мониторинга закладываются во всех земледельческих зонах. Они должны отражать типичные природные и сельскохозяйственные ландшафты и быть приурочены к местам наиболее интенсивного антропогенного воздействия. Параллельно выбирают фоновые территории (участки), представленные природными ландшафтами, почвы которых за последние 40-50 лет не испытывали или испытывали незначительные антропогенные нагрузки. Фоновыми территориями могут служить заповедники.

При выборе объектов мониторинга учитывают специализацию хозяйства, систему земледелия, способы обработки почв, систему севооборотов. Целесообразно выбирать объекты исследования (хозяйства) с разным экономическим уровнем.

Вид и степень антропогенного воздействия на почвы и структуру почвенного покрова также существенно влияют на выбор объектов мониторинга и объекты соответствующих работ. Например, при организации почвенного мониторинга распространения вторичного засоления число наблюдательных участков помимо прочих условий будет зависеть от степени (и, возможно, вида) засоления, уровня грунтовых вод и других специфических факторов. Предположим, что в зоне засоления почв имеются эрозионно опасные земли и источники техногенного загрязнения (к примеру, тяжелыми металлами), тогда в схему объектов мониторинга включают участки, позволяющие учитывать различные масштабы смытости, а также особенности аккумуляции почвой техногенных веществ в зависимости от расстояния до источников загрязнения, вида ценозов и других экологических факторов.

На мелиорированных землях необходимо принимать во внимание способ орошения, тип дренажа, сроки функционирования оросительной или осушительной системы, состав оросительных и дренажных вод.

Наблюдение за состоянием растений и фитомониторинг (неповреждающий, длительный, непрерывный мониторинг за изменением физиологических параметров растений при помощи этих датчиков и датчиков температуры различных органов растения)

Одним из основных блок-компонентов агроэкосистем являются растения. В процессе агроэкологического мониторинга фиксируют не только количество и качество урожая в конце вегетации, но данные по всем динамическим показателям его формирования (накопление биомассы; формирование листовой поверхности для последующего расчета использования фотосинтетического потенциала, развитие ассимиляционной поверхности листьев; изменение структуры агрофитоценоза и его оптико-биологическая характеристика с оценкой КПД использования лучистой энергии; закладка и реализация элементов продуктивности растений).

Проведение таких наблюдений позволит уточнить сроки агротехнических и агрохимических мероприятий, контролировать развитие процессов формирования урожая. Зная оптимальные параметры отдельных элементов, можно регулировать их.

При интенсивных технологиях возделывания зерновых культур для целесообразного внедрения различных агротехнических мероприятий, направленных на увеличение урожайности, важен учет не только фаз, но и этапов развития растений.

Для характеристики фотосинтетической деятельности растений оперируют площадью листовой поверхности, которую можно измерять с помощью фитопланиметра или рассчитывать по формуле

S=LDK,

где L - длина листьев; D - ширина листьев; К- постоянный поправочный коэффициент, равный для пшеницы и ячменя 0,67; для кукурузы 0,75.

Площадь листьев определяют в те же периоды, что и биомассу растений. По полученным данным строят кривые нарастания площади листьев в онтогенезе.

Морфофизиологический метод контроля позволяет в течение онтогенеза наблюдать за формированием основных элементов продуктивности, оценивать фото- и биосинтетическую активность посевов. Метод позволяет не только грамотно определять сроки агроэкологических мероприятий, но и объективно оценивать потенциальные возможности растений и степень реализации этих возможностей в зависимости как от применяемой системы удобрений, так и от абиотических факторов.

По полученным динамическим показателям устанавливают корреляционные зависимости между состоянием факторов внешней среды и развитием растений, формированием элементов продуктивности и конечным урожаем.

Для осуществления непрерывного мониторинга состояния и развития растений можно применять автоматизированные системы. Сегодня на рынке представлен широкий диапазон сенсоров для измерения как внешних изменений окружающей среды, таких как влажность почвы, температура и относительная влажность воздуха, уровень радиации, сила ветра, расход и уровень воды, так и для получения таких данных о растении, как размер плода, диаметр ствола или стебля, температура листьев и поток сока в растениях. Существуют датчики микроизменений размеров различных органов растений (диаметра стебля, ствола, толщины листа и т.д.), позволяющие судить о росте и тургоре, а так же датчики – индикаторы водного потока (в черешках листа, стеблях, стволах и т.д.), позволяющие судить о динамике водного потока в этих органах.

Датчик роста плода на томате

Одним из лидеров в области разработки приборов для фитомониторинга является Израиль. Учеными Израиля был разработан ряд сверхточных датчиков предназначен для контроля за микроизменениями в диаметре ствола или стебля растения. Серия измерительных датчиков позволяет записывать размеры и ежедневную динамику роста плода диаметром от 3 до 160 мм. Для измерения относительного потока сока растений разработаны три модели сенсоров — для листьев, стеблей и стволов. Микросенсоры для измерения температуры листьев обеспечивают высокую точность полученных данных с минимальным влиянием на тепловые режимы листьев. Благодаря динамическому и относительному характеру наблюдения системы фитомониторинга, обычно достаточно всего несколько экземпляров растений для высокой степени репрезентативности и мониторинга крупных плантаций. Система с помощью современных датчиков собирает физиологические и климатические данные непосредственно с листьев и стеблей растений и передает полученные данные программе, которая анализирует и представляет их в удобном для пользователя формате. Информация собираемая датчиками поступает через сотовые сети на сервер обслуживающей компании и компьютеры пользователей, обрабатывается специальной программой и легко может быть просмотрена в виде как графиков так и таблиц, для анализа состояния растений и принятия решений.

Датчик диаметра стебля

В условиях интенсификации земледелия, особенно при нарушении правил обработки почвы и посевов сельскохозяйственных культур, наблюдается вынос из агроэкосистем биогенных элементов, остаточных количеств пестицидов и агрохимикатов и т.д., загрязняющих окружающую среду.

Выращивание экологически безопасной продукции в условиях накопления тяжелых металлов в почве требует изучения баланса их в целом, а также его расходных статей (вымывание фильтрующимися и поверхностными водами, вынос растениями и др.). Процессы накопления тяжелых металлов в почве, их подвижность и вертикальная миграция по профилю изучены пока недостаточно. Поэтому наряду с исследованиями миграции биогенных элементов из почвы с фильтрующимися водами необходимо изучать миграцию тяжелых металлов (Cd, Zn, Pb, Cr, Cu, Ni и др.) и факторы, влияющие на этот процесс (тип почвы и гранулометрический состав, содержание органического вещества, физико-химические свойства, известкование, применение минеральных и органических удобрений).

Мониторинг состояния вод

Факторами формирования качества воды являются химические процессы трансформации и биохимические, биологические, физико-химические, а также гидрологические взаимодействия веществ.

В химическом составе природных вод можно выделить следующие группы соединений.

1. Ионы, определяющие степень минерализации воды (С1^-, SO₄²-, HCO3-, СО32-, Са²⁺, Mg²⁺, К⁺);

2. Биогенные вещества: нитраты (NO^-₃), нитриты (NO^-₂), аммоний (NH⁺₄), фосфаты (РО^3-₄), кремний (Si), органические соединения азота и фосфора;

3. Органические вещества - комплекс истинно растворимых и коллоидных органических соединений;

4. Растворенные газы (0_2, С0_2, Н₂ и др.);

5. Микроэлементы (Li⁺, Pb²⁺, Cs⁺, Ве²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺, Cr²⁺, Mo, V, Mn, Br^--, J^-, F^-, B);

6. Ионы водорода, определяющие кислотно-щелочное равновесие водных растворов (рН);

7. Радиоактивные элементы.

Качество природных вод, контактирующих и взаимодействующих с почвой, тесно связано с почвенными процессами и техногенным воздействием на почву.

Под влиянием антропогенных факторов в природных водах могут содержаться различные загрязняющие вещества: нитраты, нитриты, пестициды, фенольные соединения, синтетические поверхностно-активные вещества, тяжелые металлы и т.д.

Поступающие с поверхности почвы загрязняющие вещества с фильтрующим током воды через зону аэрации проходят в грунтовые воды. Последние, в свою очередь, загрязняют подземные реки и водоемы. Основным методом исследования вод внутрипочвенного стока является лизиметрический метод. Принцип его заключается в исследовании почвенного раствора, вытесненного просачивающимся через почву избытком дождевой и снеговой воды. Изучение методом лизиметрии особенностей изменений концентрации элементов в инфильтратах из почв под влиянием различных факторов позволяет установить, что внесение минеральных удобрений (особенно в повышенных дозах) многократно увеличивает вымывание оснований поглощающего почвенного комплекса. Они вытесняются катионами удобрений и в эквивалентных количествах увлекаются легкоподвижными не сорбируемыми почвой анионами (SO₄²-, NO^-₃, С1^-).

Внутрипочвенный сток не только снижает почвенное плодородие, но и приводит к загрязнению грунтовых и более глубоко залегающих горизонтов подземных вод.

Поверхностные воды при развитии эрозионных процессов обусловливают смыв почвы, потерю элементов питания, загрязнение окружающей среды. Основной метод изучения поверхностного и внутрипочвенного стоков склонов, а также смыва почв с поверхности – комплексные полевые наблюдения на специально оборудованных стоковых площадках, позволяющих собирать сток талых и дождевых вод. Установка приемников воды на различных глубинах почвенного профиля дает возможность измерять также внутрипочвенный горизонтальный сток.

Атмосферные осадки, вынося из атмосферы вещества-загрязнители, являются фактором экологического риска. Так, наличие в атмосфере окислов серы и азота создает опасность выпадения кислотных дождей. Анализ химического состава атмосферных осадков необходим для учета поступления элементов на единицу площади при балансовых расчетах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: