Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования

Росновский, Иван Николаевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования"

На правах рукописи

РОСНОВСКИЙ Иван Николаевич

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ В ЭКОГ 1СТЕМАХ КАК ОСНОВА ЭКОЛОГИЧГ ОГО НОРМИРОВАНИЯ

специальность 0*5.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ .

диссертации на соискание учёной степени }

доктора биологических паук

НОВОСИБИРСК - 1998г.

Работа выполнена в Филиале института леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделен«« Российской Академии Наук.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук А.А.Танасиенко доктор биологических наук Л.М.Татаринцев доктор биологических наук А.И.Южаков

Ведущее учреждение: Томский государственный университет им. В. В. Куйбышева.

Защита состоится "16_" декабря 1996 г. на заседании Специализированного совета Д-002.15.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАЩ630099. Новосибирск, 99, ул. Советская, 18, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

еяКд) [90 £ ••нитеХм] ЛФ ЭЧ105М

оюнжоко ио<Кгя№а » 30X01

^ ш'мою плЭ :иииэбв

'эшлАЦ «оннвИ Л '-8С

ивда ЭЖявх йог -г н<ш1 ,.1МЬ0

.ветоношСд] „Нин»11 аожа '9ЙГ В0Ж!5

.-цат и -т :ит ми

<ион«иоээа9 олонжою АИнЯ*"'"1

___г —

латшл.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Современное развитие общественного производства обнажило не только ограниченность природных ресурсов, ио уязвимость всей среды обитания человека, противоречивость целей его деятельности. Постоянно расширяются противоречия между социальными и хозяйственным» требованиями увеличения прибыли и количества продукции от вовлечённых в производство экосистем и устойчивостью их существования, что ещё больше обостряет важнейшую группу глобальных проблем современности, смысл которых в общем виде можно обозначить как несоответствие способа общественного производства способу существования природных систем, как несоответствие целей хозяйственной деятельности человеческого общества "целям" природных систем всех уровнен иерархии. Несомненно, дальнейшее развитие процессов природопользования немыслимо без определения устойчивости биосферы как системы в целом, так и входящих в неё экосистем более низкого уровня иерархии и составляющих их компонентов. Определение устойчивости экосистем всех уровней весьма важно при решении вопросов нормативного характера: составлении ГОСТов, выработке экологических нормативов и законов, регламентирующих природопользование.

Почвенный покров Земли, определяя многие процессы и свойства биосферы, является важнейшим её компонентом. Особые свойства <1 функции почвенного покрова проявляются в плодородии почв - важнейшим условием существования жизни на Земле. Выполняя ряд общебносферных функций и являясь связующим звеном между биологическим и геологическим круговоротами веществ и энергии, почвы с полным на то основанием могут быть названы фокусом биосферы, в котором преломляются происходящие в нём как позитивные, так и негативные процессы. Поэтому-то и решение проблемы оптимизации устойчивого природопользования должно начинаться с организации рационального использования и сохранения плодородия почв, с изучения и прогнозирования их устойчивости в условиях всё усиливающегося антропогенного пресса. Однако не смотря на чрезвычайную значимость проблемы устойчивости почв и связанной с неё проблемы экологического нормирования как для научных, так и для народнохозяйственных целей в целом они ещё только поставлены. Это и послужило основным побудительным мотивом для написания предлагаемой вниманию докторской диссертации.

Цели и задачи исследования. Основным» целями предлагаемой работы являлись создание методологических подходов к общей теории устойчивости почв к внешним воздействиям различной природы и на этой основе разработка методологии нормирования экологического состояния почв в экосистемах. Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

- разработать классификацию типов внешних воздействий на экосистемы различного уровня иерархии и составляющие их компоненты;

- разработать и обосновать основной терминологический аппарат общей теории устойчивости почв и экосистем в целом;

- изучить основные физико-механические свойства основных типов почв Западной Сибири и выявить их взаимосвязи с другими их свойствами;

- разработать физические основы теории устойчивости почв к воздействию лесозаготовительной и сельскохозяйственной техники и обосновать пределы допустимых механических нагрузок на них;

- разработать физические подходы к обоснованию устойчивости почв к гидрологическим и тепловым воздействиям и прогнозу изменения водного режима лочв при лесозаготовительной и сельскохозяйственной деятельности; -разработать серию физико-математических моделей прогноза устойчивости почв к внешним воздействиям;

- обосновать общую методология экологического нормирования состояния почв на основе общебиологических и экологических принципов экологического оптимума и зон толерантности экосистем и сельскохозяйственных культур.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования послужили почвы основных типов экосистем Томской, Новосибирской, Тюменской областей, Алтайского края и горные почвы республики Горный Алтай. Агрохимические и общефизические исследования проводились общепринятыми в агрохимии и почвоведении методами (Агрохимические методы...., 1976; Ари-нушкина, 1976; Вадюнина, Корчагина, 1986; Глобус, 1969; Воронин, 1986). Физико-механические свойства почв изучались методами инженерной геологии, механики почв и грунтов (Бахтин, 1966, 1969; ГОСТ 12248-78; ГОСТ 23908-79; ГОСТ 25584-83; Ломтадзе, 1990) с некоторой нашей модификацией (Росновский, 1990, 1991, 1993, 1997). Полевые определения рН и ЕЬ проводились с помощью разработанного нами совместно с СКБ "Оптика" ТНЦ СО РАН измерителя потенциала почвы ИПП-10 (Огородников и др, 1989; Пер-ченко, Росновский, 1990а, б). Полевые опыты по испытанию сельскохозяйственной и лесозаготовительной техники проводились по общепринятым методикам (Программа и методика...., 1979; ГОСТ 26955-86). Все получаемые экспериментальные данные обрабатывались общепринятыми методами статистики (Дмитриев, 1972; Денис, 1990) с использованием ПЭВМ. При обработке данных определения физико-механических свойств почв н распределения напряжений в их профиле использовались специально разработанные автором для таких целей прикладные программы (Росновский, 1990, 1991,1997).

Научная новизна. Автором представлена к рассмотрению целостная концепция устойчивости почв как компонента экосистемы и количественные методы её комплексной оценки. Кроме того разработана классификация типов внешних воздействий, типов устойчивости экосистем и составляющих их компонентов, чётко ограничено применение терминов устойчивости, стабильности и гомеостаза. Представленные модели прогноза устойчивости почв к механическим воздействиям являются теоретической основой развиваемого автором направления - инженерно-экологического почвоведения, как составной части инженерной экологии. Выявлены географические закономерности особенностей физико-механических свойств почв Западной Сибири и впервые показана роль их структурной прочности (Рстр) как экологически безопасного предела внешних механических нагрузок. Обоснованы пределы допустимых нагрузок на почвы Западной Сибири и предложены способы их теоретического расчёта. Автором также обоснованы теоретические подходы к прогнозу учета влияния хидрологических и тепловых воздействий на почвы, а также их взаимосвязь с механическими воздействиями, сведением лесов, бессистемным выпасом скота. В работе предлагается и теоретически обосновывается оригинальная общая методология оценки экологического состояния почв и экологического нормирования, основанная на общих биологических принципах экологического оптимума и зон толерантности, которая может явиться основой при проведении природоохранных ме-

роприятин, экологического мониторинга и выработке ГОСТов, регламентирующих природопользование в целом и землепользование в частности.

Практическая значимость работы. Предлагаемые в работе теория устойчивости почв (особенно её часть, касающаяся устойчивости к механическим воздействиям) и общая методология оценки экологического состояния почв и экологического нормирования являются основой при проведении природоохранных мероприятий, экологического мониторинга и выработке ГОСТов, регламентирующих природопользование в целом и землепользование в частности. Излагаемые в работе материалы необходимы при проектировании новых типов сельскохозяйственной и лесозаготовительной техники, экологически безопасных технологий проведения работ, приспособленных к конкретным почвенио-климатическим условиям.

Автор настоящей работы являлся руководителем гранта РФФИ (№ 96 -04- - 48249) по теме " Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования" (1996 - 1998 гг.), руководителем задания "Разработать экологические требования к основным видам сельскохозяйственной техники с учётом зонально-региональных особенностей" ГНТП "Экологическая безопасность России". Кроме того, автор диссертации является соисполнителем задания "Разработать экологические требования к лесозаготовительной и ле-сохозяйствеиной технике к проведению работ" выше названной программы, а также ГНТП "Российский лес" по заданию 2.3.5. "Изучить влияние лесозаготовок на основные физические свойства и режимы лесных почв"(1996 - 1998 гг). Автор также являлся ответственным исполнителем задания "Прогноз изменения свойств почв лесных экосистем Западной Сибири при летних лесозаготовках" ГНТП "Сибирь" (1994 - 1996 гг.). Результаты работы используются НИИЭМ СО РАСХН при разработке движителей сельскохозяйственной техники, в АО "Поименный" при оценке проходимости и степени агротехнической деградации пойменных почв, а также на кафедре почвоведения и аг-рохимиии Томского госуниверситета при чтении курса лекций по физике почв. Автором разработана программа и написан 36 -часовой курс лекций "Физико-механические свойства и устойчивость почв к: внешним воздействиям", который читается почвоведам БПФ Томского госуниверситета.

На защиту выносится:

- конкретизация понятий гомеостаза, устойчивости, стабильности позволяет создать классификацию внешних воздействий на почвы и экосистемы и провести типизацию устойчивости почв и экосистем;

- физико-механические свойства почв, являясь основой их структурной организации, являются и основой 'теории устойчивости почв к механическим внешним воздействиям как части инженерно-экологического почвоведения;

- знание основных физико-механических свойств и их связи с общими физическими свойствами иочв позволяет построить модели прогноза влияния мо-б!шьной техники на плодородие и биосферные функции почв, а также установить пределы упругости и пластичности почв;

- на основе общих биологических принципов экологического оптимума и зон толерантности, закономерностей агрофизики возможна научно обоснованная процедура нормирования оценки экологического состояния почв.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VII съезде ВОП (Новосибирск, 1989 г.), на 11 съезде РОП им. В.В. Докучаева; на конференциях по проблемам пойм северных рек (Сывтывкар, 1986 г.), по земельно-оценочным проблемам Западной Сибири и Дальнего Востока

(Барнаул, 1986 г.), по применению математических методов и ЭВМ в агрохимии, земледелии и почвоведении { Барнаул, 1992 г.), по экологического картографированию и мониторингу (Иркутск, 1992 г.), посвященной памяти Р.В. Ильина (Томск, 1991 г.), посвященной памяти Ю.А. Львова (Томск, 1995, 1998), на ежегодных региональных конференциях в Томском госуниверситете ( 1988 - 1998 гг.); на семинаре " Экология урбанизированных территорий" (Новосибирск, 1996), на семинаре по земельной реформе в России с участием американских специалистов (Томск, 1996).

Структура работы и публикации. Диссертация представляет собой рукопись объёмом 357 страниц машинописного текста, содержащую 38 таблиц, 38 рисунков и библиографию из 380 наименований, из которых 67 на иногтранных языках. Она состоит из введения, шести основных глав, заключения и приложений.

По теме диссертации опубликовано и принято к печати 45 научных работ, из лик одна монография, две коллективные монографии и две практические рекомендации.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ.

В первой главе обосновывается общее определение устойчивости экосистем и её типизация, проводится разделение понятий гомеостаза, устойчивости и стабильности лриродных систем. Приведена схема надти-пового разделения экосистем по направлению в них процессов обмена энергией, массой и информацией (Росиовский, 1997, 1998), проведена классификация внешних воздействия на системы природы (рис. 1). В связи с тем, что конечным итогом изучения устойчивости экосистем является нормирование внешних воздействий, при проведении которого наиболее важны способы её количественной оценки, в работе предлагаются возможные методы такой оценки, определены наиболее перспективные из них и проведена их классификация.

ВОЗДЕЙСТВИЕ

ЛОКАЛЬНОЕ

РЕГИОНАЛЬНОЕ

ГЛОБАЛЬНОЕ

Механи- Гндроло- Химиче- Тепловое Биолога -

ческое пмсское ское ческое

Направленное ~1 | Общего дсйсгвш |

Слабое (меиыис П[ч: дета упругости сп_<1-.мм I_

Умеренное (меньше предела лластач-пости спсгеыы)

Сильное (больше предела олзспршосш _системы)_

[ Краиковременпое

| Периодачсское (

1 Долговременное ~|

Естественное

3 ) Амропогеппое ]

Рпе.К Обшая схема классификации внешних ноадспсгвий па экосисгемтл и их компоисп-

Наиболее острые дискуссии вызывает применение к системам природы терминов гомеостаз, устойчивость, стабильность. Одни авторы считают их синонимами (Недорезов, Сидько, 1995; Свирежев, Логофет, 1978) - другие склонны различать области их применения (Бсх, 1992; Голубець, Царик, 1992; Емельянов, 1994). Автором обосновывается, что термин гомеостаз, введённый в своё время в физиологию У.Кенноном (1929) относится к конкретному организму и формулируется как регулируемое постоянство внутренней среды и совокупность механизмов и связей организма определяющих это постоянство. Устойчивость - это тоже конкретное понятие, имеющее смысл при определении конкретного воздействия на исследуемый объект природы (Гродзинский, 1987; Росновский, 1993, 1997). Причём устойчивость природных объектов подразделяется на две взаимодополняющие категории: упругость - как свойство объекта возвращаться в исходное состояние после после прекращения действия нагрузки; и пластичность - способность накапливать результаты внешних воздействий до некоторых пределов, не меняя при этом кардинально своих свойств и структуры (Росновский, 1993, 1997). Упругость - это первый барьер устойчивости, причём барьер экологически безопасный, гак как экосистема в данном случае через некоторое время полностью возвращается в исходное состояние. Пластичность же - это последний (конечный) барьер устойчивости, переходя который экосистема необратимо изменяется, полностью разрушаясь или переходя в новое устойчивое состояние. Устойчивость характерна элементарным экосистемам (биогеоценозам) и их компонентам. Термин стабильность, на наш взгляд, следует относить к системам природы более высокого уровня иерархии. В процессе своего развития система высокого уровня иерархии (СВИ) отбирает элементарные экосистемы наиболее приспособленные к данным условиям её существования и функционирования (системный дарвинизм). На каждом этапе развития экосистемный состав СВИ будет различен.

В работе показано, что популяция и биогеоценоз таким образом является системами не разного уровня иерархии, а разного типа интеграции; видового (биологического) и бногеоценотического, что в принципе соответствует имеющимся в литературе данным (Гладышев, 1990; Тимофеев-Ресовский, 1975). Об этом же свидетельствует различие целей этих систем. Основная цель систем видовой интеграции - максимализация продолжительности жизни и репродукции (Войтенко, 1982), что достигается популяционным разнообразием, охватывающим как можно более широкий диапазон колебаний внешних факторов. Главной целью систем биогеоценотической интеграции является оптимизация процессов энерго- и массообмена в каждой точке географического пространства. Однако и эта цель также достигается оптимизацией энерго- и массообмена организма с окружающей средой. Таким образом именно экерго- и массообмен является связующим (интегрирующим) звеном обеих вышеназванных систем.

Определение устойчивости экосистемы, как и любой другой системы, приобретает конкретность, если указан фактор, по отношению к воздействию которого она анализируется (Гродзинский, 1987; Росновский, 1993, 1997). Анализируя имеющиеся литературные и практические данные мы предлагаем проводить разделение внешних воздействий прежде всего по их географическим масштабам, то есть на локальные, региональные и глобальные. Судя по естественной природе основных действующих на экосистемы факторов можно выделить следующие типы воздействий: механические, гидрологические, хи-

мические, тепловые и биологические. Каждый из приведённых типов воздействий может иметь как естественное, так и антропогенное происхождение, поэтому мы не выделяем антропогенные воздействия на таком высоком таксономическом уровне (рис.1). Судя по внешним воздействиям устойчивость экосистем к ним можно разделить на следующие типы: устойчивость к механическим воздействиям; устойчивость к гидрологическим воздействиям; устойчивость к химическим воздействиям; устойчивость к тепловым воздействиям; устойчивость к биологическим воздействиям. Дальнейшее разделение типов устойчивости проводится аналогично выше приведённой схемы разделения внешних воздействий. ГЛАВА 11. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ В ЭКОСИСТЕМАХ.

Рассмотрев общую проблему устойчивости экосистем и возможные методы её исследования, мы имеем возможность перейти на более конкретный и, естественно, более низкий иерархический уровень - на уровень почвы, как равноправного компонента экосистемы, рассматривая её как квазисамостоятельную систему. В работе показано, что несмотря на кажущуюся простоту определения обьекта исследования, точного, корректного и общепринятого определения понятия "почва" в настоящее время не существует, что справедливо отмечают ряд современных исследователей (Годельман, 1991; Дмитриев, 1991; Соколов, 1993). Все существующие подходы к определению данного понятия И.А. Соколов (1993) сводит к трём основным: субстантивным, функциональным и смешанным. К этим подходам, вероятно, следует добавить ещё два: системный и структурный. В главе подробно анализируются основные положения всех выделенных подходов к определению понятия почвы. Результат этого анализа свидетельствует, что на современном этапе наиболее приемлемыми являются определения понятия почвы, основанные на системном подходе, которые в свою очередь можно разделить на две подгруппы:

- определения, основанные на чисто системном подходе (Зольников, 1970; Ивлев, 1981, 1988; Джеррард, 1984; Гаджиев, 1988; Соколов, 1993; Керженцев, 1995; Росновский, 1996);

- определения, основанные на системно-термодинамическом подходе (Волобуев, 1964, 1983; Ковда, 1973; Розанов, 1977; Роде, 1976; Корсунов, Кра-сеха, 1990; Чичулин, 1991; Трофимов, Седов, 1997).

При применении системного подхода для определения понятия "почва" следует помнить о иерархии систем, свидетельствующей, что в природе практически нет абсолютно независимых систем, не входящих в системы более высокого иерархического уровня. Так почва интегрирована по крайней мере в две системы более высокого уровня иерархии: в ландшафтно-геохимическую -как компонент (подсистема) почвенного покрова; и в биоценотическую - как компонент экосистемы. Это ещё раз свидетельствует о сложности определения нашего обьекта исследования. Не вдаваясь в подробный анализ всех определений понятия почвы мы в нашей работе примем за основу следующее её определение. Почва - это поликомпонентная и многофазная структуированная целенаправленная адаптивная подсистема открытого типа наземной целенаправленной самовоспроизводящейся системы более высокого иерархического уровня (экосистемы), в каждой точке гомогенности которой, на границе раздела фаз и на границах с другими системами происходит непрерывный процесс обмена энергией, массой и информацией (ЭМИ - обмен), цель которого -соответствие "целям" экосистемы и геосистемы, в которую она (экосистема) включена как составная часть. Исходя из данного определения проблема

устойчивости почв в экосистемах откосится к разделу экологии почв (Волобуеп, 1964;Эвальд, 1972; Соколов, 1993)

Проблема устойчивости почв относительно новая для традиционного почвоведения, однако её истоки начинаются с трудов В.В.Докучаева. Его учение о факторах почвообразования, их равноценности и соответствия им образующихся ночи и развитии их во времени - это та фундаментальная база, с которой и следует начинать изучение выше названной проблемы. Именно реакция почв на изменение факторов почвообразования как естественной так и антропогенной природы и есть одна из центральных задач, которую должна решить теория устойчивости почв и почвенного покрова в целом. Много полезного в дальнейшем внесла в прояснение проблемы устойчивости - изменчивости почв прошедшая в 30 - 50 гг. известная бурная дискуссия по поводу климаксного состояния почв (Nikiforoff, 1942 ; Иенни, 1948; Ковда, 1946; Роде, 1945,1947 и др.). Если принять термин "климакс" как синоним устойчивого состояния, авторы вплотную подошли к разрешению сложной проблемы устойчивости почв как в пространстве так и во времени.

Наиболее активно понятие устойчивости используется в почвоведении при анализе структуры почвенного покрова (СПП), причём здесь также как и при анализе экосистем различаются внутренняя и внешняя устойчивость (Фридланд, 1972). Внутренняя устойчивость СПП определяется изменениями, происходящими в структуре почвенного покрова в условиях нормальной динамики факторов почвообразования; внешняя же устойчивость определяется способностью СПП сохранять свои параметры при значительных изменениях внешних факторов или антропогенных воздействиях (Фридланд, 1972).

Ещё одно понятие, близкое по смыслу устойчивости и часто используемое в почвоведении - это понятие буферности или буферной ёмкости почв (Beckett, White, 1964; van Breemen et ;il., 1983; Трускавецкий, 1983; Барбер, 1988; Росповский, Герасько, 1988; Филеп, Рэдли, 1989; Богданова, 1994; Гла-зовская, 1994, 1997; Мотузова, 1994). Г. В. Мотузова (1994) определяет буфер-ность почв как их способность сохранять собственную организацию , то есть перечень, уровни, соотношения составляющих почву компонентов за счёт постоянного поддержания процессов, обусловливающих взаимосвязь между этими компонентами. В понимании М.А.Глазовской (1994, 1997) устойчивость - это запас буферности исходных почв и ландшафтов. Нами также ранее обосновывалось необходимость введения понятия буферной ёмкости почв по отношению к любым воздействующим факторам, выводящим их из состояния подвижного равновесия, а также понятия общей буферной ёмкости почв, как суммы составляющих её ёмкостей по каждому воздействующему фактору (Росновский, Герасько, 1988). В последние 5 - 7 лет появилась серия работ, посвященных выше названной проблеме. Здесь особо следует отметить работы Ф.И. Козловского (1991, 1992), выделившего структурный и функциональный тип устойчивости почв. Причём устойчивость морфологической организации почв автор разделил на два типа: пассивную - в некотором смысле соответствующую "почве - памяти" В.И. Соколова и В.О. Таргу.тьяна (1976); и активную - соответствующую понятшо "почва - момент" тех же авторов. В работах A.B. Смагина (1994) и И. М. Рыжовой, А. А. Шамшина (1997) показана возможность плодотворного применения теории линейных дифференциальных уравнений при решении проблемы устойчивости почв в целом и круговорота гумуса в частности. Причём авторы справедливо не рассматривают поч-

ву в отрыве от экосистемы, а как её равноправный компонент, что мы также отмечали ранее (Росновский, 1993, 1997).

Учитывая всё изложенное выше, мы в нашей работе примем за основу следующее определение устойчивости почвы: устойчивость - это свойство почвы как компонента экосистемы сохранять собственные свойства, параметры режимов, соотношение фаз и структурную организацию в некоторых пределах, определяемых естественной вариабельностью в границах её классификационного выдела в условиях действующих внешних возмущений различной (в том числе и антропогенной) природы (Росновский, 1993, 1996). Из данного определения следует, что устойчивость почвы будет зависеть от других компонентов экосистемы (факторов почвоообразованил). В тоже время и состояние устойчивости почвы будет влиять на устойчивость остальных компонентов экосистемы, а следовательно, и на её устойчивость в целом. Такой уровень организации систем, пользуясь классификацией Дж. Клира (1990), позволяет отнести почву к классу целенаправленных открытых адаптивных систем, рассматривая при этом "цель" почвы как её устойчивое равновесие с экосистемой или соответствие "цели" экосистемы (Росновский, 1996). При такой общей постановке вопроса теория устойчивости почв к внешним воздействиям является частью биогеофизики ландшафта в том смысле как её понимал Г.Ф. Хильми (1966, 1976). Кроме того, теория устойчивости почв является основой для экологического нормирования внешних воздействий на почвы и экосистемы.

Следуя за В.М. Фридландом (1972), необходимо и для почвы как компонента почвенного покрова и экосистемы выделить внутреннюю и внешнюю устойчивость. В таком случае внутренняя устойчивость почвы будет определяться почвенными процессами, а внешняя устойчивость - процессами почвообразования (в том числе и антропогенной природы). Здесь во избежание терминологической путаницы необходимо строго различать почвенные процессы - как процессы, происходящие в почве - относительно самостоятельном теле природы, и процессы почвообразования - как процессы, происходящие в экосистеме и в зависимости от их параметров приводящие к образованию почвы той или иной классификационной принадлежноста. Внешняя устойчивость почвы как компонента экосистемы в таком случае будет определяться внутренними связями экосистемы. Кроме того, внеппшя устойчивость почвы также определяется и её каналами связи с сопряжёнными по катене другими почвами, то есть её устойчивостью в структуре почвенного покрова. То есть мы имеем два уровня интеграции, определяющих устойчивость почвы в природных системах: геохимический (ландшафтный) - определяющийся в основном геологическим круговоротом; биогеоценотическнй - определяющийся в основном биологическим круговоротом веществ и энергии. Собственно такое разделение уровней интеграции близко по смыслу представлениям сибирских почвоведов об уровнях организации почвы и почвенного покрова (Ивлев, 1981; Гаджиев, 1988; Корсунов, Красеха, 1990). Исходя из надтипового разделения экосистем (Росновский, 1998) наиболее устойчивыми будут почвы наземных энергетически, информационно и позиционно стабильных экосистем.

В работе подробно анализируются и обосновываются определения понятий чувствительности, периода релаксации, предела устойчивости (верхнего и нижнего). Анализ приведённых выше понятий позволяет вывести несколько важных следствий (Росновский, 1993):

1. Ко:гичество воздействующего фактора от верхнего до нижнего пределов устойчивости есть ёмкость устойчивости или буферная ёмкость почвы по данному воздействующему фактору.

2. Если период воздействия возмущающего фактора меньше периода релаксации почвы, то она необратимо изменяется.

3. Промежуток между нижним и верхним пределами устойчивости почвы есть сё область определения, а эти пределы являются пределами существования существования того или иного типа почв. Этот вывод перекликается с положением Б.Ф. Апарина (1992) о том, что разработка прикладных и теоретических вопросов устойчивости БГЦФ (биогеоценотнческнх функций) или их оптимизации упирается в конечном счёте в оценку устойчивости типа почвообразовательного процесса. Кроме того этот же вывод даёт основание для количественной оценки биогеоценотических функций почв и типов почвообразования.

Возвращаясь к определению понятия устойчивости почв будет справедливым разделить её по механизмам реализации на две взаимодополняющие категории - упругость и пластичность (Росновский, 1993). Упругость - свойство почвы как компонента экосистемы полностью возвращаться в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия. Пластичность - способность почвы накапливать результаты внешних воздействий, не изменяя при этом (до некоторого предела) кардинально свою структур но-функ пи о наш, ную организацию и экологические функции в экосистеме. Упругость - первый барьер устойчивости почвы, причём барьер экологически безопасный, так как она при этом способна через некоторое время (зависящее от её периода релаксации) возвращаться в исходное состояние. Пластичность же почвы - это конечный барьер её устойчивости, превосходя который она необратимо изменяется, переходя в новое качественно-классификационное состояние (Росновский, 1993). Признание у почв той или иной степени устойчивости к внешним воздействиям не отрицает их способности к развитию и эволюции. Своеобразным связующим звеном между устойчивостью и эволюцией почв служит их пластичность - способность накапливать результаты воздействий.

Как и для экосистем определение устойчивости почв приобретает конкретность лишь в том случае, когда укачан фактор, по отношению к которому она анализируется. Сложность анализа и здесь заключается в большом количестве и чрезвычайном разнообразии по своему происхождению и физической природе действующих на почвы воздействий. В связи с тем что почва является компонентом экосисгемы, мы предлагаем проводить разделение внешних воздействий на них аналогично приведённому в первой главе работы разделению их для экосистем, то есть прежде всего по их географическим масштабам: на локальные, региональные и глобальные. Судя по естественной природе основных действующих на почву как компонент экосистемы факторов можно выделить следующие типы воздействий: механические, гидрологические, химические, тепловые и биологические. Каждый из приведённых типов воздействий может иметь как естественное, так и антропогенное происхождение, поэтому мы здесь также не выделяем антропогенные воздействия (в том числе и техногенные) на таком высоком таксономическом уровне. Дальнейшее разделение воздействий было показано нами ранее (см. рис.1). Исходя из такой предпосылки устойчивость почв можно подразделить на следующие типы (Росновский, 1993):

- устойчивость к механическим воздействиям (уплотнение и разрушение почв движителями техники, выпас скота, строительство и т.д.);

- устойчивость почв к гидрологическим воздействиям (различного рода мелиорации, изменение водности климата, изменение стока и т.д.);

- устойчивость к химическим и радиохимическим воздействиям (удобрения, пестициды, тяжёлые металлы, нефтепродукты и т.д.);

- устойчивость к тепловым воздействиям (тепловые мелиорации, изменение радиационной составляющей климата, пирогенез, мерзлота и т. д.)

- устойчивость к биологическим воздействиям (смена ценозов, монокультура, биологические средства защиты, бактериальные удобрения).

Количественные методы определения степени устойчивости и её пределов для таких сложных природных объектов, как почвы, до настоящего времени ещё весьма слабо проработаны. Однако важность именно количественного определения устойчивости почв возрастает в настоящее время в связи с внедрением систем социально-экологического мониторинга, систем разработкой районирования и классификации почв по степени устойчивости к техногенным нагрузкам (Глазовская, 1983, 1994; Израэль, 1990), с необходимостью оценки влияния техники на почву и её свойства (Бондарев, 1990, 1994; Роснов-ский, 1990, 1992, 1993, 1997). Несмотря на то, что при исследовании устойчивости почв к внешним воздействиям возможно применение всех тех же групп методов, показанных нами ранее при анализе устойчивости экосистем (Ростовский, 1997), в настоящее время за исключением работ A.B. Смагина (1994) и И. М. Рыжовой, А. А. Шамшина (1997) при решении данной проблемы в основном применяется лишь группа эмпирических методов, которую также можно условно разделить на четыре подгруппы (Росновский, 1993):

1. В качестве критерия устойчивости экосистем используется скорость (или продолжительность периода) возвращения их в исходное равновесное состояние (Арманд, 1983; Куприянова, 1983).

2. Степень устойчивости оценивается по пределу устойчивости системы к данному воздействующему фактору в единицах его измерения (Глазовская, 1983, 1997; Исаченко, 1980; Росновский, 1993).

3. Степень устойчивости экосистемы и входящих в неё почв оценивается по её буферной ёмкости к данному воздействующему фактору (Росновский, Герасько, 1988; Трускавецкнй, 1983; Van Brememen et al., 1983; Филеп, Редли, 1989; Богданова, 1994).

4. Подгруппа подходов, основанная на попытке отыскания интегральных показателей устойчивости почв и природных систем в целом (Дьяконов, 1974; Крауклис, 1979; Чертов, Чуков, 1994; Снакин и др, 1995).

В работе показано, что наиболее эффективны из этой подгруппы методов как в практическом так и теоретическом плане являются подходы, практикующие разработку комплекса показателей устойчивости почвы по отношению к каждому конкретному типу внешних воздействий. Таким образом вполне очевидно, что наиболее справедливы вторая и третья подгруппы эмпирических подходов к оценке устойчивости почв и экосистем в целом экосистем. Кроме того, такие подходы позволяют более объективно подойти и к интегральной оценке устойчивости конкретной почвы. Но даже при таких статистически верных способах получения интегрального показателя устойчивости почвы информативность его будет не велика. Полученные таким образом его значения могут служить лишь для самой общей оценки изменения почвенной ситуации при проведении

мероприятий, предполагающих многофакторное воздействие на почвенный покров территории. Кроме того, эти значения можно использовать при решении в самом общем виде проблемы устойчивости плодородия почвы как-важнейшей составляющей понятия биопродуктипности экосистем (БПЭ). Причём мы здесь намеренно разделяем понятия пюдородия почвы и бштро-дуктштости экосистемы - её способности (эмерджентого свойства) поддерживать биологический круговорот вещества и энергии той или иной интенсивности с той или иной степенью накопления биомассы (Росновский, 1993, 1997). Другими словами, БПЭ - это эмерджеитное свойство экосистемы в той или иной мере способствовать реализации биологического потенциала живых организмов. При этом следует различать потенциальную БПЭ, лимитированную лишь биологическим потенциалом живых организмов и не регулируемым внешним фактором (радиационной составляющей климата), а также реальную БПЭ - зависящую от соотношения и уровня остальных компонентов экосистемы и внешних факторов. Отсюда следует, что плодородие почвы как компонента экосистемы - это её свойство способствовать тому или иному уровню реализации потенциальной БПЭ. Следовательно и устойчивость БПЭ будет во многом зависеть от устойчивости плодородия почвы.

Таким образом, конкретизация понятий гомеостаза, устойчивости и стабильности позволяет создать классификацию внешних воздействий на экосистемы и почвы и типизацию устойчивостей почв и экосистем, что соответствует первому защищаемому положению. ГЛАВА 3. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

В третьей главе работы рассматривается один из выделенных типов устойчивости почв - их устойчивость к механическим воздействиям. Актуальность этой темы определяется всё более усиливающимся уплотняющим действием разнообразной сельскохозяйственной, лесозаготовительной и автомобильной техники на почвы практически всех типов экосистем Западной Сибири. При длительном использовании тяжёлой техники переуплотнение почв реализуется в виде значительной текстурной дифференциации их профиля антропогенной природы (АТД - процесс). Усиливающаяся при уплотнении почв напряжённость водо- и воздухообмена ухудшает в их профиле окислительно - восстановительные условия, интенсифицируя процессы оглеения (техногенное огление) и процессы заболачивания (техногенное заболачивание), особенно в почвах с избыточным увлажнением, наиболее характерных для условий Западной Сибири. Тем самым процессы естественного педогенеза под воздействием движителей тяжёлой техники значительно изменяются и возникает необходимость уточнения, их исходной классификационной принадлежности (Петров, 1989; Розанов, 1989; Росновский, 1993).

Почвообразовательный процесс, как часть сложной и динамичной природной системы, развиваясь во времени, приспосабливает почву к наиболее оптимальному функционированию в той или иной экосистеме, организуя наиболее оптимальное строение её твёрдой фазы. Результатом этого процесса является почвенный профиль - система генетически сопряжённых горизонтов, каждый из которых характеризуется определённой структурой (Панфилов, Чичулин, 1990). Придерживаясь взглядов В.П.Панфилова и А.В.Чичулина (1990), мы будем считать структуру обобщённым показателем физического состояния почвы, выраженным через комплекс физических свойств: плот-

ности, общей и активной пористости, общей и проводящей удельной поверхности, гранулометрического и агрегатного состава. Исходя из этого положения и используя основные постулаты структурно-функциональной физики почв (Воронин, 1984; Березин и др., 1985; Шеин и др., 1988), мы в нашей работе определяем устойчивость почвы к механическим воздействиям как её способность сохранять своё физическое строение от агрегатного уровня до уровня почвенного индивида и зависящие от него функциональные характеристики, амплитуды колебаний удельных обьёмов фаз ирежилюв (в пределах естественного варьирования) в условиях действующих возмущений механической природы (Ростовский, 1993).

Проблема устойчивости почв к механическим воздействиям находится на стыке нескольких областей знания: почвоведения, механики грунтов, инженерной геологии. Кроме того, устойчивость почв к механическим воздействиям - это часть большой проблемы, которую можно обозначить как "техника - технологии - экология". В практическом плане - это раздел агрофизики и физики экосистем, посвящённый изучению взаимодействия сельскохозяйственной (или любой другой) техники с почвами, почвенным покровом 11 экосистемами в целом. Устойчивость структурной организации почв (от агрегатного уровня до уровня почвенного индивидуума как целого) определяется в конечном итоге их физико-механическими свойствами. Физико-механические свойства почв, их влияние на общефизические свойства почв, изменение свойств почв при различных внешних воздействиях, распределение напряжений в профиле почв под воздействием внешних нагрузок и, в конечном итоге, устойчивость почв к механическим воздействиям - это основной круг вопросов, которые решаются такими науками как механика грунтов и инженерная теология, а более конкретно - их составной частью - механикой почв, которую по нашему мнению более точно можно определить как инженерно-экологическое почвоведение. Таким образом мы определим, что механика почв (инженерно-экологическое почвоведение), как составная часть механики грунтов, а следовательно, и общей геомеханики - это наука о физико-механических свойствах и физической организации почвенного профиля и его устойчивости к внешним воздействиям механической природы. Исходя из схожести объектов изучения и механики почв и механики грунтов методы исследования её будут теми же, что и механики грунтов - то есть в качестве теоретической основы будут положены теоретические законы механики и закономерности деформируемых тел; в качестве экспериментальной основы - методы физики и механики почв, механики грунтов и инженерной геологии. Кроме того, при решении ?адач устойчивости почв к механическим воздействиям необходимо ещё и знание некоторых технических параметров применяемой в конкретной биоклиматической обстановке техники и возможных технологий её применения. Таким образом комплекс необходимых параметров техники и почв при изучении их устойчивости к механическим воздействиям условно можно разбить на четыре группы: технические и технологические параметры и свойства, общефизические свойства почв(в некотором роде определяющие классификационное их положение и генезис), физико-механические свойства почв, гидротермические свойства почв.

В главе показано, что основными параметрами техники, необходимыми для решения задач устойчивости почв к механическим воздействиям, экологического нормирования и прогноза являются её общая масса (М, кг), удельное давление на почву (Руд, кгс/см2 или кПа), скорость движения по

лесосеке или сельскохозяйственному полю (V, м/сек), грузоподъёмность (О, кг), параметры движителей (длина, ширина и площадь отпечатка; тип грун-тозацепов и их площадь). Несмотря на то, что величина Руд указана в паспорте применяемой техники, сё значения предпочтительно определять экспериментальным или расчётным путём. Кроме того, расчётным путём мы получаем лишь среднее давление для отпечатка шины, хотя реальное удельное давление под грунтозацепами значительно выше. Так экспериментальные данные по лесным почвам свидетельствуют, что давление под грунтозацепами лесной техники зависит от занимаемой ими площади и в 2, 5 - 3, 5 раза больше среднего расчётного удельного давления (Росновский, 1997). Автором вводится понятие удельного динамического давления, зависящего от скорости прохода техники по полю или технологической колее Ра (Росновский, 1990; 1993, 1997): Рй = 0,757 • Р';"5 ■ а • д• V" ' ; при I < 1,5 сек. В этом случае д это длина отпечатка колеса (гусеницы) исследуемого технического средства; v - скорость движения агрегата; а - количество последовательно расположенных колёс в агрегате.

Почва - сложный компонент экосистемы, обладающий множеством свойств. Для целей прогноза устойчивости и экологического нормирования необходимо отобрать довольно ограниченное количество общефизических свойств почвы, но достаточное для отображения существа прогнозируемых процессов. Из концепции структурно-функционального единства свойств почвы (Воронин, 1984) и зависимости устойчивости почвы от обобщённых показателей её структуры (Росновский, 1993, 1997) вытекает, что для целей прогноза необходимыми свойствами почвы являются её плотность (р), удельная масса (с1), коэффициент фильтрации (Кг), определяющие их гранулометрический состав и гумусность почвенных горизонтов, а также влажность. Такие важные характеристики почвы как пористость (п), коэффициент пористости (е) и воздухоёмкость являются производными от выше названных свойств. Кроме того, для целей прогноза и экологического нормирования необходимо и знание некоторых водных свойств почвы, таких как максимальная молекулярная влагоёмкость (ММВ), наименьшая влагоёмкость (НВ) и полная влагоёмкость (ПВ). Желательно также иметь значение величины удельной . поверхности почвенных горизонтов (Буд). Методы получения выше названных свойств общеизвестны (Вадгонина, Корчагина , 1986: Ломтадзе, 1990; ГОСТ 25248-78; ГОСТ 5180-84), поэтому мы здесь их не приводим. Однако в процессе получения экспериментального материала автором получены ряд зависимостей, на которые необходимо обратить внимание.

Так обработка имеющегося в научной литературе материма (Сеськов, 1977; Рубинштейн, 1986; Дмитриев, Витязев, 1994) и данные автора (Росновский, 1997) свидетельствует, что удельную массу почвенных горизонтов ((1) можно определить, зная содержание органического вещества (в %) и пользуясь приведёнными в методической литературе данными о удельной массе минератьной основы (сЗ„,) различного гранулометрического состава (Качинскнй, 1965; Вадюнина, Корчаггина, 1985; Ломтадзе, 1990), по следующей зависимости (Росновский, 1997): = где ¿1 - удельная

масса органического вещества ((!--]. 48 г/см3); О - содержание органического вещества, %.

При массовых определениях максимальной молекулярной влагоёмкости почв выявлено, что нижний предел пластичности (Wr) с вероятностью 0,95 и Кху = 0,981 числено равен влажности ММВ. Верхний предел пластичности (гак называемый предел текучести (Wi.)), и число пластичности (1р) с вероятностью 0,95 и 1С\у = 0,84 также связаны со значением Wp, а следовательно и ММВ (Росновский, 1993, 1997): Wl = 0,678- Wp1-30; Ip = 0,678 (ммв)1.зо . ММВ. В данном случае влажность выражена в % от веса сухог о образца почвы.

В группе физико-механических свойств почв основное внимание уделено двум группам методов их исследования: методам, основанным на получении характеристик одноосного и трёхосног о сжатия образцов почвенных горизонтов и методам, основанным на получении их характеристик сдвига. Для установления показателей деформации сжатия почв применяют одометры или созданные на их основе комрессионно-фильтрационные приборы (ГОСТ 23908-79; Ломтадзе, 1990; Росновский, 1993). По усадкам образца почвы строится зависимость коэффициента пористости (е) от приложенного внешнего давления, то есть так называемая компрессионная кривая (Söhne, 1953; Бахтин, 1966; Цытович, 1979; Huht, 1983; Neupert, 1983; Saini et. al„ 1984; Feldhaus, 1986; Росновский, 1993). Особое внимание уделено получению величины структурной прочности (Рсф) почв, являющейся важной характеристикой их физико-механических свойств (пределом упругости) и входящей в полулогарифмическое уравнение компрессионной кривой (Цытович, 1979, Росновский, 1992, 1993). Величину Рпр обычно определяют графическим путём по первой точке перегиба графика е ~ f(lnPi). Однако с достаточной степенью точности для ускоренного её определения (по двум точкам компрессионной кривой) можно пользоваться и предложенной- нами ранее зависимостью (Росновский, 1992, 1993, 1997):

Для облегчения и ускорения расчёгов компрессионных испытаний почвенных образцов нами разработаны специальные программы для ПЭВМ, позволяющие оперативно построить всю ветвь компрессионной кривой и получить все необходимые коэффициенты.

Показатели сдвига - это одни из основных характеристик сопротивления почв и грунтов внешним силам (Цьггович, 1979; Кузнецов, 1981; Зиангиров, Газиев, 1986; Мирцхулава, 1988; Симонов, Кружалин, 1993; Григорьв и др., 1994). Условие прочности почвы или грунта записывается в следующем виде (Зиагнров, Газиев, 1986): г = с + tg(p- Р,. В данном случае т - сопротивление сдвигу (кПа), Р, - нормальное (приложенное вертикально) напряжение, (р -угол внутреннего трения почвы или грунта, tg<p - коэффициент внутреннего трения, с - сцепление (кПа). Определение проводят на сдвиговых приборах ПС- 10 или приборах Гипропроекта. Особенности испытаний приведены в инструкциях к приборам и в специальной методической литературе (ГОСТ 12248-78; Ломтадзе, 1990). В связи с значительной зависимостью величин х, с, tgф• от влажности почв автором показана целесообразность применения критерия подобия текстурного состояния почвы: Я = 1§<рс-т\\7 tgф\v•тc; где с и означают су ^ у го и влажную почву соответственно(Росновский, 1992).

Для выяснения вопроса об устойчивости почв районов исследования к деформация^ сжатия (компрессионная сжимаемость) нами были исследованы

образцы пойменных дерновых, луговых лугово-болотных почв поймы Оби, серых лесных почв Томского района, подзолистых и торфянисто- подзолистых почв Верхнекетского района Томской области и Пихтовского района Новосибирской области, каштановых и солончаков Алтайского края, а также горных чернозёмовидных и бурых лесных почв Горного Алтая. Результаты проведённых испытаний свидетельствуют о значительно меньшей сжимаемости почв водораздельных территорий по сравнению с пойменными почвами (Шептухов и др., 1986; Росновский, 1990, 1992, 1993, 1997). Наименьшей усадкой при уплотнении обладают горные почвы, что связано с их высокой щеб-нистостыо (Бех и др., 1997). Из условий компрессионных испытаний нами получены общие уравнения для расчёта усадок почв без привлечения дополнительных коэффициентов и согласующееся с общей теорией механики почв и грунтов. В полученных уравнениях для расчёта усадок значения коэффициентов компрессии Сх и сжимаемости то можно рассматривать как важные ноч-пенно-типовые характеристики, отражающие определённую степень сжимаемости иочв (по крайней мере их верхних гумусовых горизонтов) при механических воздействиях. Дело в том, что величины Сх и то при одной и той же степени влажности зависят не только от их гранулометрического состава (прежде всего содержания илистой фракции), но также и от степени гумусиро-ванности как важного почвенно-генетического признака(Росновский, 1990, 1993). Кроме того, полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наиболее сильно зависят величины Сх и то от степени влажности исследуемых почв, что характерно и для почв других регионов (Compaction, traction...., 1979; Потапов, 1983; Domzal et. al., 1984; Сапожников и др., 1986; Horn, 1987; Шептухов, 1993). Математическая обработка данных о зависимостях mo, Сх ~ f(W) показала, что они с высокой степенью вероятности (Р = 0, 95 - 0, 99) и высокими коэффициентами корреляции (Ksv = 0, 825 - 0, 996) связаны следующей общей зависимостью (Росновский, 1997):

n-Wi/ )

m0 - m11B ■ 10 ш ;где mon - коэффициент сжимаемости почвенного горизонта при влажности НВ.

Структурные связи представляют собой один из важнейших факторов, обусловливающих физические и физико-механические свойства почв. Для общей количественной характеристики величины структурных связей используются данные о структурно)! прочности почв (Осипов, Соколов, 1985; Росновский, 1989, 1990, 1993, 1997). Величина структурной прочности почв S*cmp является одной из важнейших характеристик почв. Во-первых, это тот экологически безопасный предел внешних механических нагрузок на почвы, до которого уплотнение происходит как упругое (Росновский и др., 1989; Росновский, 1990, 1993). Во-вторых, структурная прочность иочв - это объёмная характери-ст!пса их структурного состояния и прочности их структуры. В-трегьих, по значениям структурной прочности почв можно определить преобладающий тип внутриагрегатных связей и водопрочность агрегатов. В работе проанализирована величина I сгр для основных типов почв Западной Сибири. Выявлена ее зависимость от влажности почв. Показана необходимость введения критерия водопрочиости почвенной структуры: Р° = РСГр.ав/ Рстр.ммв; где РСГр.пв, Рсгр.ммв величина структурной прочности при влажностях Г1В и ММВ соответственно (Росновский, 1993).

В работе показано, что механическое воздействие лесозаготовительной и сельскохозяйственной техники на основные типы почв Западной Сибири от-

рицательно влияет практически на весь комплекс их функциональных свойств: тепловые, воздушные, фильтрационные, водные. Причём наиболее значительные изменения при этом процессе испытывают пористость и плотность почв. Проведённые в 1984 - 1997 гг. исследования и обработка экспериментального материала по основным типам почв Западной Сибири позволили автору получить и физически обосновать уравнения для описания зависимостей изменения их плотности (р) и пористости (и) от удельного давления техники и количества её проходов по каждому участку почвы (Росновский, 1990, 1992, 1993, 1997), что показано ниже в блоке изменения почвенных свойств.

Внешнее давление Р., как уже было показано выше, значительно изменяет плотность почв, а следовательно, и их индекс удельной поверхности (учитывая, что Кя = 5о • ро). Исходя из полученной ранее зависимостей, нами получены общие уравнения для функции К:; ~ /(РО, также приведенные в этом же блоке. Полученное уравнение свидетельствует о том, что наиболее значительные изменения Км будут происходить при повышении степени увлажненности почв. Это обстоятельство связано с отмеченным нами ранее влиянием влажности почв на входящие в зависимость значения Схп, С*, то и Рар . Таким образом, наиболее сильные изменения величины Кб следует ожидать при использовании тяжелой сельскохозяйственной техники на пойменных луговых и лугово-болотных почвах,болотно-подзолистых и чернозёмно-луговых почвах, отличающихся повышенной степенью гидроморфизма, малой структурной прочностью и высокой сжимаемостью при внешних механических нагрузках.

Изменение значений К:; при уплотнении почв соответственно меняет и потенциал почвенной влаги, если учесть установленную прямую зависимость потенциала влаги от величины удельной поверхности и плотности почв, особенно в его начальной точке - при максимальной адсорбционной влагоем-кости почвы(ц/ас), что несомненно влияет на параметры основной гидрофизической характеристики (ОГХ) почвы, являющейся интегральным показателем водно-физических и структурных свойств почвы (Глобус, 1969; Воронин, 1986). Изменение ОГХ при уплотнении всецело зависит от изменения ч/ас (Росновский, 1993; Ведерников,Ворожцова, 1997). Вся ветвь ОГХ при этом на участке МАВ <\"/< МКСВ (максимальная капиллярно-сорбционная влагоем-кость) сдвигается в сторону более низких давлений.

Исследование влияния изменения пористости почв различного гранулометрического состава при летних лесозаготовках в различных лесных экосистемах (в частности кедровых, сосновых и берёзовых Томской области, лиственничных Горного Алтая, пихтовых Новосибирской и Тюменской области) и пойменных почв при сенокошении на их фильтрационные свойства ( всего проанализировано более 300 почвенных разрезов) показало, что с вероятностью 0, 95 и коэффициентами корреляции (Кху = 0,95 - 0,98) общее уравнение для описания исследуемой зависимости мы можем выразить в виде приведенных в блоке изменения свойств уравнений. Несмотря на кажущуюся сложность уравнений они легко решаются при помощи несложных программ для ПЭВМ и дают удовлетворительную сходимость результатов с экспериментальными данными.

Уплотняющее действие сельскохозяйственной и лесной техники отрицательно сказывается на термическом режиме почв, их теплофизических свойствах и косвенным образом на термическом режиме всей экосистемы. В

работе подробно анализируются вопросы изменения тепловых свойств почв Западной Сибири и выводится уравнение, описывающие изменения объемной теплоемкости и теплопроводности почвы при любой степени увлажнения и любом количестве проходов (Росновский , 1993), что показано в блоке изменения свойств. Установлено, что наиболее сильные изменения Х.с и cm происходят в средней части почвенного профиля до глубины 70-80 см (т.е. до

БЛОК ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВЫ. 1

Р, = Р(

1 +-

п, = I - шт

1 - га, -С, .ln(pd / P„J

I - m т • С х ■ ln( Pd / Р„р)

■г - 1 -N "

• N

Кй = kSi,

Kf, - Kf„ exp j ММГЗ

1+1-------------------------- 1 -N 1

(j - mT ■ C, - ln(Pd / Pcrp)

W = 0,144- K^l - щ С.х -ln(P; / PciT>)

1 +

1-nvCVIntf/P^)

cv=(cm+cB-w)P(,

l+ I ir., C, In(P/I':i.) U'S

0,75(l - mt • Cx • ln(P, / P^)) - 0,31

К -Шл-Ьл—-у---------------------ч------,

(),7ф - mr ■ С^ • ln(Pj / P^))- mT

Si,

h0.c,(i-no)-i{f^

(1+algN)

глубины проникновения эффективных сжимающих напряжений от движителей техники)., лесозаготовительной техники. Изменение при уплотнении почв их основных теплофизических характеристик (А-,, Сш, к,) резко изменяет их суточный и годовой температурные режимы, что подтверждается полевыми наблюдениями. При уплотнении почв их температурный режим (суточный и годовой) становится более контрастным, увеличиваются как суточная, так и годовая амплитуды температурных колебаний в профиле почвы.

В работе также показано, что неблагоприятное воздействие на экологические и лесорастительные свойства почв оказывает ещё один подтип механических воздействий - избыточная и нерегулируемая пастбищная нагрузка, которой подвержено большинство лиственничных лесов и вырубок Горного Алтая. Представленные в работе результаты свидетельствуют о том, что для восстановления исходной плотности почв вырубок без выпаса требуется 19, 5 и 17, 8 лет для горизонтов А и В соответственно. Для вырубок же с интенсивной пастбищной нагрузкой это время составляет уже 30 и 33 года. Для вое-

становления исходной плотности почв на магистральных волоков требуется более 100 лет (Бех и др., 1997)..

Таким образом физика-механические и общие физические свойства являются основой устойчивости структурной организации и режимов почв, а также и основой для прогноза изменений этих свойств, что соответствует первому и части второго защищаемого положений.

Полученные данные о физических, физико-механических свойствах почв Западной Сибири и их изменении при антропогенных воздействиях механической природы как раз и позволяют вплотную подойти к проблеме прогноза влияния мобильной техники на свойства почв и экосистем в целом. Основная методологическая концепция, которая использовалась нами при создании прогнозной модели влияния техники на лочвы основных типов экосистем Западной Сибири - это концепция единства и взаимосвязи структурных и функциональных свойств почв, позволяющая наиболее ясно представить многоаспектную проблему "машина - технология - почва - экосистема". В рамках этой модели мы использовали эмпирико - теоретический подход, как наиболее обоснованный на современном этапе развития почвенной механики (Johnson et al., 1983; Volfson, 1984; Кулен, Куиперс, 1986; Росновский, 1993, 1997). Предлагаемая схема эмпирнко-теоретического прогноза изменения почв экосистем Западной Сибири лесозаготовительной и сельскохозяйственной техникой и решения задачи экологического нормирования распадается на два больших взаимосвязанных суперблока (рис.2).

В первый суперблок входит общегеографическая информация. При этом здесь необходимо обратить внимание на учёт геоморфологического положения лесного массива или сельскохозяйственного угодья и зависящего от него типа структуры почвенного покрова, на тип водного режима, уровень грунтовых вод и верховодки, режим паводкового затопления. Второй суперблок, состоящий в свою очередь из нескольких взаимосвязанных блоков, и есть собственно модель прогноза влияния техники на почвы основных типов экосистем Западной Сибири. Данный суперблок по функциональному назначению можно разбить на два подблока: подблок базовых параметров модели прогноза и подблок расчёта напряжений в почвенном профиле под

Блок общегеохрафпческои юсформаишк режим влажности почв, геоморфологическое положегше _лесного массива, тип почвы и почвенного покрова и т.д._

Блок техники и технологии лесозаготовок: Р;л. О, V, К.....

Блок расчета напра-жетш в профиле почв

Блок пределов, рекомендации и экологических _требований к TexintKC_

Блок общефизических свойств почвы: -, п, с, Ki. W......

Блок расчета пзмшешш свойств в профи

______ЛС11ОЧ1Ы п.'Л iPlbUl 1,'ЛДМИ 1 СХШИ-И______

b.lüt- ij »1:1114,--

мехашмеских свойств почвы: ni, Сх, Рстр, tR<p...

Рис.2.Схема лрогпоза измагапш свойств почв под двлжшешами техники.

движителями лесозаготовительной или сельскохозяйственной техники и расчёта изменений почвенных и лесорастительных свойств.

Расчёт напряжений в профиле почв. Изучение реального распределения плотности почвы в колеях разнообразной техники (особенно лесозаготовительной) свидетельствует о значительном развитии явлений сдвига и распора в краевых зонах следа колеса (Росновский, 1993, 1997), что особенно характерно для для влажных и заболоченных почв Западной Сибири. Это обстоятельство предполагает, что наиболее приемлемой схемой распределения напряжений в профиле почв в данном случае будет задача Фламана для нагрузки, распределённой по гибкой полосе, естественно с учётом скорости движения техники и влажности почвы. При этом будет более справедливым говорить о мгновенно приложенной гибкой полосовой нагрузке - колее (Росновский, 1997). В работе приведены уравнения решения данной задачи для условий почвенного профиля. Несмотря на кажущуюся громоздкость предлагаемые уравнения расчёта (г/, ау, сгу легко решаются с помощью специально разработанных нами программ для ПЭВМ. Кроме того, приведённые уравнения можно легко упростить для практического употребления, составив таблицы так называемых коэффициентов влияния Кг, Ку, Кгу(Дашко, 1987). В работе приведена таблица значений таких коэффициентов. Однако все методы определения напряжений наиболее справедливы для случаев относительно однородных почвенных профилей. При работе же техники в лесных массивах мы имеем по крайней мере двухслойную среду: верхний корненасыщенныи слои с порубочными остатками и подстилающие его относительно однородные по механическим свойствам минеральные горизонты почвы. Для учёта слоистости почвенных профилей и их покрытия порубочными остатками при решении задачи распределения напряжений в почвах можно использовать приближённый метод И.И. Кандаурова (1988) в нашей модификации (Росновский, 1993).

Полученные данные о основных свойствах почв и распределении напряжений в их профиле позволяют вывести общее уравнение для определения глубины колеи, как суммы усадок горизонтов почвы при многократных проходах техники (Росновский, 1993,1997) :Е51 = [ь„ •т0-(1-п„)-ая]-(|-'-а^>().

Коэффициента по экспериментальным данным равен 0,75 - для торфянистых и торфяных горизонтов лесных почв и 2,5 - для их минеральных горизонтов. Величина Ьо означает первоначальную мощность данного горизонта почвы. Это позволило нам создать оригиначьнуто методологию расчета оптимальных экологически безопасных размеров лесосек для основных типов лесных экосистем Западной Сибири.

Таким образом, полученные данные о основных свойствах почв и распределении напряжений в их профиле позволяют построить эмпирико теоретическию модель прогноза влияния внешнего механического воздействия на основные режимы во всем их профиле, что соответствует третьему защищаемому положению.

Глава IV. ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К МЕХАНИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ

Разработка правильной стратегии землепользования и лесопользования требует знания некоторых ограничительных пределов воздействия на почвы, при превышении которых они значительно ухудшают почвенно-агрофнзическне свойства. Установление допустимых пределов изменения того или иного свойства почвы (или их комплекса), не приводящих к необратимой деградации агроэкосис^емы или лесной экосистемы позволяет более квалифицированно выбрать оптимальный набор технических средств для реализации

оптимальной системы ведения хозяйства на каждом конкретном земельном участке.

В работе показано, что наиболее оптимальным внешним давлением, оказываемым сельскохозяйственной или лесозаготовительной техникой на почвы, является давление меньшее их структурной прочности (Р,д < Рпр), представляющей собой параметр оптимального, экологически безопасного предела внешнего механического воздействия (Росновский и др., 1989; Росновский, 1990, 1992, 1993, 1997). Так для почв северных участков Обской поймы этот предел составляет 0,1-0,3 кгс/см2 (10-30 кПа), для почв же южных участков поймы - 0,2-0,7 кгс/см2 (Росновский, 1992, 1993); для почв лесных экосистем Западной Сибири - 0,4 - 0,8 ктс/см2(40 - 80 кПа).

В работе получены и теоретически обоснованы индексы плотности (1Р) и по-

д-р

ристости (Ли) почв (Росновский, 1993): Л„=~:------; -Гц = 1 - 1,33 п,. Гра-

а — рт(п

ницы изменения индексов находятся в области от 0 до 1. Приведена градация почвенных горизонтов по значениям (ДР) и (1П). При плотности почвы равной (1/2 величина ,1Р = 0,666 Поскольку при плотности большей с1/2 наступает значительное ухудшение их основных свойств и биопродуктивности, то поэтому ■1Р = 0,666 желательно принять равной единице. Из этого следует:

К , -- — - 1. Критерий уплотнения почв (Кр) изменяется от 0 до 3 (0 < Кр < 3).

Рщш

Другим важным свойством почв, обусловливающим их физико-химические режимы является воздухоемхость. Как известно, потенциальная воздухоемкость определяется как разница между общей пористостью (по) почвы и пористостью при V/ = НВ (Поясов, 1959; Макаров, 1988). Кроме того, известно, что предел оптимальной воздухоемкости почвы равен 15% (и-пнк =

0,15) тогда (Росновский, 1993; Онищенко, 1994): К^ = —.Величина Кв, как критерий исходного состояния потенциальной воздухоемкости почвы, изменяется в следующих пределах : 0< К< ■ При этом величина К„, равная единице, служит границей оптимальной воздухоемкости почвы. При Кг > 1 воздухоемкость почвы значительно ухудшается. Степень изменения воздухоемкости почвы в процессе ее внешнего механического уплотнения будет диагностироваться соответствующим изменением величины Кя, вследствие увеличения пнв и уменьшения по.

В главе на основе основных законов физики и механики почв обосновываются пределы допустимых внешних давлений по плотности (ПДДр, ы) и воздухоемкости (ППДв,ы) почвы, учитывающие помимо свойств почвы и количество проходов техники (Кт) по её поверхности (Росновский, 1993, 1997):

_____

[р4С,-/[1-2тт(1-Нс")]} ПДД^Р^.екр/ Яп -пи„

,тт-Сх[о,85- \Ут • (] - Кв') - тг • (1 - К'')[/

Расчеты по данным уравнениям для некоторых типоЬ почв лесных экосистем Западной Сибири при различной степени влажности показывают, что при увеличении N до десяти предел допустимых давлений по оптимальной воздухоёмкости снижается па 35% (табл. 1,2). Полученные значения ЦЦД позволяют определить запас устойчивости почвенных горизонтов (У) при использовании того или иного вида сельскохозяйственной или лесозаготовительной техники: У = 1 -

Произведение средневзвешенных для метрового слоя почв критериев Кр (при р, равной исходной плотности почв) и Кв даст нам обобщенный критерий их исходного физического состояния (Ко): К« = К,, ■ К в .При значении (Ко) > 1

Таблица 1.

Влияние влажносш п количества проходов тсхппкп на зпачеиие ППДв.н некоторых типов почв За-

падноп Сибири.

Зпачснпс ППДв.м (кгс/см2) при количестве щЛэходов техники, равном:

1 1 2 | 5 • | 10 | 20

1,52 Лодеолисто-г.тссватэ» почва при \У = 0, 7 - 0, 9 НВ | 1,26 | 0,91 | 0,73 | 0, 59

1, 10 Торфягшсто-подзо.шсто-глссвзя почва при V/ — 0,1 -0,9 НВ | 0, 89 | 0,76 | 0,57 | 0, 40

0, 58 Торфянисго-подзолисто-гдееБая почва при > 0, 9 Н В 1 0,45 | 0,35 | 0,29 | 0, 25

5,4« Подзолпесчаньо! при\У = 0,7-0,9 НВ | 4.10 ] 3,60 | 3,11 | 2,50

Таблица 2.

Пределы мехашгческих нагрузок па корнсобтаемыи слой некоторых типов почв Западной Сибири

(при влажности 0, 8 НВ).

Тип ПОЧВМ Предел по Рпркго/ см1 Пределы (кгск-м;) но:

Плотности Воздхосоёчкосчп

Тёмно-серая: гажсло-суглшшс г. срсдпе-сут-'птпст. л егк о-с\тлпгш ст. 0, 50 -0,60 0, 55 - 0, 70 0, 45 - 0, 55 1, 25 1,30 1, 70 1,30 2, 25 2, 70

Дерново-лодзолнстаа: с)тлипнста* лсгко-еутлпиисг. 0. 45 - 0, 55 0, 35 - 0, 45 1, 20 1, 50 2, 00 2, 20

Чернозем: выщелоченный оподзоленный 0, 65 - 0, 75 0, 60 - 0, 70 1, 35 1,20 2, 10 2, 10

Поймеппые: дерновые луговые тп опо-оолопп/с 0,25-0, 40 0, 30 - 0, 45 0, 05-0, 15 1, 30 0, 80 0, 30 1,95 1.50 0, 40

почвы (гаи их конкретные горизонты) обладают весьма неблагоприятными для растений физическими свойствами. Степень изменения физических свойств почв при их уплотнении устанавливается как степень изменения величины Ко= (Ко/Ко'). Отношение Ко/Ко' дает нам коэффициент "агрофизического сродства" между конкретной почвой и использованием на ней той или иной сельскохозяйственной или лесозаготовительной техники

(Аф): Аф = Ко/ КоВ работе приведена таблица данных о значениях выше названных коэффициентов для некоторых типов почв Западной Сибири и обоснованы причины их профильного и географического изменения. Кроме того автором обосновывается положение о том, что для пространственной оценки исходного агрофизического состояния почв, степени их устойчивости к механическим нагрузкам необходимо создание карт величин Ко, ПДДГ, ПДДв- При наличии таких карт появляется реальная возможность оперативной оценки последствий применения той или иной техники или агротехнического мероприятия на каждом конкретном земельном участке.

В связи с тем, что имеющиеся опытные данные свидетельствуют о значительном снижении агрохозяйственной продуктивности почв после их уплотнения техникой (Нугис, Ханполайнен, 1977; Шубитидзе и др., 1981; Шубитид-зе, 1985; Нугис, 1987; Бондарев, 1989; Огородников и др., 1989, Ростовский и др., 1989а, 1993; Русинов, 1992), весьма актуальна количественная оценка этого процесса. Наиболее удачной для такой цели является величина почвенно-экологического индекса - Пэи (Карманов, Фриев, 1982). В главе обоснована возможность при замене величины (2 - "V) в уравнении И.И.Карманова обобщённым критерием Ко более обоснованной оценки агрохозяйственного состояния классификационно различных почв, учитывающей помимо плотности ещё и состояние их воздухоёмкости (Росновский, 1990, 1993). Соотношение исходного Пэи и измененного при антропогенном вмешательстве Пэщ дает нам коэффициент агротехнического сродства (коэффициент агрофильности) используемой техники или же агротехнического мероприятия конкретному типу почв (Аа): Аа = Пэщ / Пэи. Снижение значения Аа (Аа < 1) будет свидетельствовать об ухудшении агропроизводственных свойств почв при их сельскохозяйственном использовании.

Таким образом знание основных физических и физико-механических свойств почв, а также некоторых параметров техники и технологии позволяет оцепить пределы их пластичности (ПДД) и изменение их агрохозяйственного состояния, что соответствует защищаемому положению. ГЛАВА У. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К ГИДРОЛОГИЧЕСКИМ И ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.

Важнейшими из ЭМИ - процессов для почв (как компонента экосистем) являются их тепловой и водный режимы. Именно эти режимы совместно с литологией определяют основное направление процессов почвообразования в каждой конкретной биоклиматической обстановке, что свидетельствует о важности изучения их устойчивости к внешним воздействиям. Из общих основ почвенной гидрофизики

(Основы...... 1959; Воронин, 1986) следует, что водный режим почв будет в

первую очередь зависеть от процессов формирования водного баланса и стока на определённой территории, а также от гидрофизических свойств почв. В главе показано, что приход осадков на поверхность почвы зависит от климата рассматриваемой территории, геоморфологии и типа растительного покрова, особенно от степени залесённости. Устойчивость в пространстве и времени климатической составляющей приходной части водного баланса будет во многом определять устойчивость водного режима и тип водообмена в почвах. Индикаторами климатических изменений должны быть некоторые индексы или критерии подобия, сформушгрованные на базе уравнения водного баланса, поскольку учесть

каждую его составляющую сложно. Наш взгляд, наиболее приемлемым для таких целей является индекс водообмена (S) П.А. Колосова и A.A. Минина (1991): S = (х - д W)/ Ео; где х - сумма осадков за определенный период: 3 W - изменение запасов влаги в почве за тот же период; Ео -максимально возможное испарение. Количественное изменение индекса S приводит к качественным изменениям процессов водообмена в почвах ( табл.3). Приведённые в данной таблице градации величины (S) соответствуют основным типам водного режима почв: от засушливого до режима заболачивания. Крайние значения S в пределах каждой градации соответствуют пределам устойчивости данного типа водообмена, что даёт нам возможность получить безразмерный критерий климатической устойчивости приходной части водного баланса почвы :

Бку = (Si - Smin ) / ( Smax - Smin); где Si, Smax, Smin - соответственно текущее, максимальное и минимальное ( за длительный промежуток времени) значения величины критерия водообмена. Таким образом пределы устойчивого существования данного типа водообмена в почве определятся как 1, 0 > Skv < 0.

Таблица 3.

Качественные области значении шиекса водообмена, (по А.П.Колосову и A.A. Минину, 1991)

Величина индекса S Направление водообчссиа в мефовом слое почвы

S < 0 0 < S < 0,5 0,5 <: S < 2,0 S > 2,0 Из нижележащих слоев вверх Водообмен замкнут в пределах почвенного профиля Начинается и растёт отток влаш вниз в (рантовые воды Начинается и расгсг боковой и поверхностный с10к

Изменение величин 8 и Б к у могут происходить не только при смене климатических условий на рассматриваемой территории, но и по ряду других причин. Одной из основных таких причин является антропогенное вмешательство в процесс формирования водного баланса и стока. Для условий Западной Сибири наиболее характерным способом такого вмешательства являются лесозаготовки, приводящие подчас к сплошному сведению лесов на больших площадях водосборных бассейнов. Проведённый анализ влияния крон некоторых древесных культур на приходную часть водного баланса почв лесных экосистем с привлечением как имеющихся литературных данных (Молчанов, 1952; Зябченко, Кривоногое, 1991; Китредж, 1951; Литовченко, 1986), так и собственных наблюдений показал, что величина среднего слоя осадков на единицу площади лесной экосистемы (проникшего на поверхность почвы) будет зависеть от сомкнутости крон её древесного яруса (Б) и типа напочвенного растительного покрова, что можно описать следующим уравнением (Росновский, 1994, 1997):

1У,=Н,-{РЧ -в+Р,. 1-еч

Н,

S+(l-S) Р^

■4i

где Но - слой осадков на открытой территории; Р,„| и Рш: - соответственно максимальная водоудерживающаяя способность древесного и напочвенного растительного яруса; Н| - количество осадков, проникшее

под древесный полог леса. Величина Pmi является, в некотором смысле, видовой константой и, судя по литературным данным, составляет1 дня сосны и кедра 1, 0 - 2, 5 мм; для осины - 0,5 мм; для берёзы -1,2 мм; для ели - 3, 0 - 5, 0 мм (Китредж, 1951; Молчанов, 1952; Литовченко, 1986; Росновский, 1994). Величина Рш2 для напочвенного растительного покрова по нашим данным (Росновский, 1994) составляет 2, 2 мм.

Данное уравнение справедливо для лесных насаждений с одинаковой степенью сомкнутости крон. При переходе к оценке больших территорий необходим учёт разнородности отдельных лесных массивов по степени сомкнутости крон и учёт не покрытых лесом участков, а также учёт влияния вырубок на величину Wn в лесах с различной степенью сомкнутости крон. В работе показаны методологические принципы такого учета и получены расчётные уравнения. Анализ расчётных и экспериментальных данных свидетельствует о возможности увеличения значений Wit практически в два раза при полном сведении лесов и дождях средней и малой интенсивности (Но = 3-5 мм). Это обстоятельство требует некоторого пересмотра во взглядах на водоохранную роль лесов и выделение их категорий защитности. На наш взгляд основным требованием при проведении лесозаготовительных мероприятий должно быть не допущение превышения стока с территории бассейпи, зависящего от величины Wn, выше некоторого вполне опред&штога предела (Росновский, Воробьев, 1998).

Рассмотрев вопрос формирования и устойчивости приходной части водного баланса почвы, можно перейти к изучению внутрипочвенно-го (гидрофизического) водного режима почвы. Именно гидрофизический режим почвы определяет дальнейшее перераспределение стока, служа своеобразным гидротрансформатором в системе "атмосфера - экосистема - подземные и речные воды". В процессе эволюции почва формирует вполне определённый набор гидрофизических горизонтов, образующих поля педогидрофизических свойств (ПГС) и педолитологических свойств (ПЛС), ответственных за процесс влагопереноса как внутри почвенного профиля, так и на его границах. Основными ПГС являются потенциал почвенной влаги (4*) и его зависимость от влажности, а также влагопроводность почвы (Глобус, 1969; Gardner, 1974; Мичурин, 1975; Судницын, 1979; Воронин, 1984 ). Основными ПЛС почв, определяющими абсолютные значения и динамику их ПГС, являются удельная поверхность ( Буд), плотность (р), пористость (п) и индекс удельной поверхности (Мичурин, 1975; Ганжа, Журовский, 1981, Железный, 1984; Воронин, 1984; Росновский, 1993). В работе показано, что абсолютные значения Ч' определяются гранулометрическим составом (Буд) и структурно - механическими свойствами (р, НВ) почв.

В главе показано, что устойчивость гидрофизического режима почв при гидрологических воздействиях будет определяться чувствительностью (скоростью изменения) величины \у к изменению приходной части водного баланса почвы, то есть производной потенциала почвенной влаги по влажности почвы. Из этого следует, что наиболее устойчивыми к гидрологическим воздействиям оказываются почвы более тяжёлого гранулометрического состава с высокими значениями Ч', МАВ и НВ. Наименее устойчивы песчаные и супесчанные почвы ( т. е. подзолистые лесчанных грив, пойменные дерновые прирусловой части пойм ). Кроме того это обстоятельство указывает и на связь гидрологической устой-

чивости почв с их устойчивостью к механическим внешним воздействиям, поскольку величины р, 4*1, HB в значительно изменяются при механических нагрузках (Wood, Wells, 1985; Ведерников, 1990; Росновский, 1990,1993, 1997; Ведерников, Ворожцова, 1997).

С водным режимом и его устойчивостью связан тепловой режим почвы и приземного слоя атмосферы, которые связаны рядом общих членов, а именно: испарением (LE) и конденсацией (LK). Для целей изучения устойчивости приходной части теплового режима почвы наиболее удобна величина индекса теплообмена (А) П.А.Колосова и А.А.Минина (1991): Д = (R - Р)/ЬЕ;где R, Р, LE - соответственно радиационный баланс, турбулентный поток явного тепла и затраты тепла на испарение с участка поверхности за месяц. Индекс теплообмена в таком виде показывает направление процессов внешнего теплообмена в почве и их связь с её водным режимом. Наиболее характерные области значений Дприведены в таблице 4. Крайние значения А в пределах каждой градации соответствуют пределам устойчивости данного типа внешнего теплообмена почвы. Это обстоятельство даёт нам возможность получить

Таблица 4.

Качественные области значения индекса теплообмена. (По Колосову, Мпппиу, 1991)

Значение индекса Д Направление теплообмена в почве

Д = 1 Д < 1 Д > 1 Теплообмен ограничен деятельным слоем почвы Идет процесс охлаждения почни. Часть гепла лодайся в почву из шокележащих слоев грпгга. Наблюдается процесс пагрева поп'.и

безразмерный критерий устойчивости дачного типа внешнего теплообмена почвы: Дту = (Ai - Amin)/ (Amax - Amin); где Ai, Amax, Amin - соответственно текущее, максимальное и минимальное (значения величины Д. Таким образом пределы устойчивого существования данного типа внешнего теплообмена почвы определятся как 1 < Дту < 0. Глава У1. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ.

В главе рассматриваются вопросы нормирования экологического состояния почв. Показано, что требование "экологической опенки состояния" свидетельствуют о необходимости и в этом случае рассматривать обьект исследования - почву в качестве части (подсистемы) системы более высокого уровня иерархии - экосистемы. Несколько сложнее дело обстоит с целью предлагаемого исследования, которая зависит от цепи взаимосвязанных целей систем разного уровня организации: социального и экосистемного. Причём у социальной системы целей может быть достаточно много и они могут быть весьма противоречивы. В рамках данного исследования можно сформулировать две основные цели социальной системы в процессе её взаимодействия с природными системами: устойчивое состояние и надёжное функционирование; экологическая безопасность. В работе показано, что "цель" экосистемы -это её устойчивость во внешнем для неё мире. При таком подходе эволюция экосистем может рассматриваться как эволюция их устойчивых состояний. "Цель" же почвы может рассматриваться как её устойчивое равновесие с экосистемой или соответствие "цели" экосистемы.

Требует более точного определения и повсеместно используемый в географической и почвенной литературе термин "состояние". Автором обосновывается, что под состоянием почвы следует понимать определённое соотношение параметров и наиболее существенных переменных её структуры и функционирования в определённый момент времени, либо его промежуток, за который конкретные входные воздействия (кли.штические, биологические, антропогенные и т.д.) трансформируются в определенные выходные функции (сток, накопление - разложение органики, тепловой_режым и т.д.). В таком случае целью нормирования может быть установление соответствия пространства возможных состояний почвы пространству целей экосистемы и эксплуатирующей её социальной системы. В главе обосновывается необходимость разделения понятий общего и частных экологических состояний почвы. Общее качественное экологическое состояние почвы проявляется через определённую совокупность свойств, функций и их состояний - частных экологических состояний, образующих определённую структуру. В работе выделено пять таких частных состояний: структурно-механическое, гидротермическое, химическое, биологическое, санитарно-гигиеническое. Каждому частному экологическому состоянию характерна своя группа наиболее существенных свойств почвы. В работе приведены основные группы свойств, определяющие частные экологические состояния почв. При этом учитывались свойства почв, предлагаемые к экологическому нормированию в работах ряда авторов и соответствующие ГОСТы (Березин, Гудима, 1994; ГОСТ 17.0.0.01 -76; ГОСТ 17.0.0.02-79; ГОСТ 17.4.3.04-85; ГОСТ 14.4.3.02-83; ГОСТ 17.4.3.06-86; Росновский, 1992, 1993; Сапожников, Прохоров, 1992; Сапожников, 1994).

Весьма важным вопросом при экологическом нормировании состояния почв является определение понятий "нормальное экологическое состояние", "норма свойства", "норма". Автором обосновывается, что под нормальным экологическим состоянием почвы как компонента экосистемы следует понимать состояние наибольшего соответствия её структуры, свойств и функций экологическим нишам данного биологического сообщества (экосистеме). Норма свойства при этом будет соответствовать зоне толерантности экосистемы на градиенте данного свойства, то есть границам колебаний свойства, до которых данная экосистема не меняет значительно своих характеристик (соответствие свойства почвы целям экосистемы). При этом следует различать реальную норму свойства и состояния почвы, складывающуюся в данной конкретной биоклиматической обстановке (соответствует реализованной экологической нише), а также оптимальную норму свойства и состояния - необходимую для реализации максимальной продуктивности экосистемы (что практически соответствует понятию фундаментальной экологической ниши). С понятием нормы свойства и состояния связано и понятие нормы внешнего воздействия (в том числе и антропогенного) - величины нагрузки (в единицах ее измерения), не выводящей почву за пределы ее нормального экологического состояния.

Следующая, логически вытекающая после установления норм операция - это нормирование: установление соответствия экологического состояния почвы в данный момент времени её экологически нормальному состоянию. Автором обосновывается, что зависимость состояния экосистемы от свойств первых четырёх выделенных частных экологических состояний почвы как правило подчиняется закону Шелфорда (Фёдоров, Гильманов, 1980): каждое свойство имеет некоторый оптимум, при отклонении от которого в ту или другую сто-

рону состояние экосистемы ухудшается. Причём не все влияющие на популяцию или вид ( или агроцепоз) почвенные свойства имеют нормальное распределение относительно экологического оптимума - во многих случаях такое распределение имеет правую или левую асимметрию (Джиллер. 1988; Роснов-ский, 1995, 1997). Для нормирования состояния экосистемы с учётом асимметрии распределения влияния свойств почвы относительно экологического оптимума автором выводится и предлагается к использованию следующее уравнение (Росновский, 1995, 1997):

где Х(, Ххшп» Хщах " текущее, минимально и максимально (нижний и верхний пределы устойчивости) возможные значения данного почвенного свойства для экосистемы соответственно; а, q коэффициенты уравнения. Коэффициент q находится из решения данного уравнения при краевых условиях. Величина СИ изменяется в пределах от 0 до 1.

Среднее геометрическое коэффициентов оптимальности по всем свойствам данного частного экологического состояния и определит степень его соответствия экологически нормальному состоянию. Так например для

структурно-механического состояния: 0„ = , где п - количество учи-

тываемых свойств для данного частного экологического состояния почвы.

Изменение 0 п аналогично изменению показателей оптимальности конкретных свойств почвы. Изменение данного показателя в некотором смысле реализует модернизированный принцип Ю.Либиха: Качество экологической ниши в наибольшей мере контролируется свойством почвы, наиболее отклоняющимся от его экологического оптимума, принятого за норму. Из этого следует, что каждое конкретное местообитание занимается популяциями растений, для которых величина <3„ максимальна. Кроме того, доминантной будет популяция для которой значения 0;п почвы данного местообитания наиболее близки к единице.

Таким образом, выделяя частные экологические состояния почв и взяв за основу общебиологические принципы зон толерантности и экологического оптимума, мы имеем возможность создания научно обоснованной методологии экологического нормирования, что соответствует защищаемому положению.

ВЫВОДЫ

¡.Необходимость разработки и применения математических методов для исследования устойчивости экологических систем и их компонентов, требует чёткого определения (формализации) обьекта и целей исследования. В работе показано, что термин "стабильность" должен применяться при анализе природных систем высокого иерархического уровня (ландшафта, региона), термин же "устойчивость" более справедливо применять при анализе элементарных экосистем на уровне биогеоценоза и входящих в их состав почв. Применение термина "гомеостаз" необходимо ограничить только отдельным живым организмом, как это и было предусмотрено У. Кенноном (1929). 2.Под устойчивостью экосистемы определённого уровня иерархии (в пашем случае уровня биогеоценоза) понимается её способность сохранять внутреннюю пространственную и компонентную структуру, а также оптимальную ам-

1и

плитуду колебаний собственных свойств (оптимальный режим энерго- и мас-сообмена) в условиях изменения просграиствешюй и компонентной структуры и амплитуды колебаний свойств внешней среды. Исходя из данного определения устойчивость экосистемы разделяется на внутреннюю, обеспечивающую относительное постоянство внутренних связей и компонентного состава экосистемы, и внешнюю, обеспечивающую оптимальное состояние внешних каналов связи с окружающей средой.

3.Под устойчивостью понимается свойство почвы как компонента экосистемы сохранять собственные свойства, параметры режимов, соотношение фаз и структурную организацию в некоторых пределах, определяемых естественной вариабельностью в границах её классификационного выдела в условиях действующих внешних возмущений различной (в том числе и антропогенной) природы. Из данного определения следует, что устойчивость почвы будет зависеть от других компонентов экосистемы (факторов почвоообразования). В тоже время состояние устойчивости почвы влияет на устойчивость остальных компонентов экосистемы и на её устойчивость в целом.

4.По механизмам реализации устойчивость почв разделяется на две взаимодополняющие категории - упругость и пластичность. Упругость - свойство почвы как компонента экосистемы полностью возвращаться в исходное состояние после прекращения внешнего воздействия. Пластичность - способность почвы накапливать результаты внешних воздействий, не изменяя при этом (до некоторого предела) кардинально свою структурно-функциональную организацию и экологические функции в экосистеме. Признание у почв той или иной степени устойчивости к внешним воздействиям не отрицает их способности к развитию и эволюции. Своеобразным связующим звеном между устойчивостью и эволюцией почв служит их пластичность - способность накапливать результаты воздействий.

¿.Разделение внешних воздействий на почвы проводится прежде всего по их географическим масштабам: на локальные, региональные и глобальные. Судя по естественной природе основных действующих на почву как компонент экосистемы факторов можно выделить следующие типы воздействий: механические, гидрологические, химические, тепловые и биологические. Каждый из приведённых типов воздействий может иметь как естественное, так и антропогенное происхождение. Дальнейшее разделение воздействий проводится но его амплитуде (сильное, умеренное, слабое), периодичности (кратковременное, периодическое, долговременное) и по происхождению (естественное, антропогенное).

6.В соответствии с основными типами воздействий выделяется пять типов устойчивости почв: устойчивость к механическим воздействиям; устойчивость к гидрологическим воздействиям: устойчивость к химическим и радиохимическим воздействиям; устойчивость к тепловым воздействиям; устойчивость к биологическим воздействиям.

7.Устойчивость почвы к механическим воздействиям определяется как её способность сохранять своё физическое строение от агрегатного уровня до уровня почвенного индивида и зависящие от него функциональные характеристики, амплитуды колебаний удельных обьёмов фаз и режимов (в пределах естественного варьирования) в условиях действующих возмущений механической природы .

8.Уплотняющее действие сельскохозяйственной, лесозаготовительной и автомобильной техники на почвы практически всех типов экосистем Западной

Сибири. При длительном использовании тяжёлой техники переуплотнение почв реализуется в виде значительной текстурной дифференциации их профиля антропогенной природы (АТД - процесс), что усиливает в них напряжённость водо- и воздухообмена ухудшает в их профиле окислительно - восстановительные условия, интенсифицируя процессы оглеения (техногенное огление) и процессы заболачивания (техногенное заболачивание). 9.0тлнчитедьной особенностью почв многих типов экосистем Западной Сибири (особенно лесоболотных, пойменных) является то, что они образованы на водонасыщенных слоистых лесчано-глинистых или же на заторфован-ных породах, характерной особенностью которых является их большая и существенно нелинейная деформируемость. При решении прикладных задач (в частности прогнозных) эти особенности необходимо учитывать, так как они во многом и определяют процесс формирования напряжённо-деформированного состояния почв под воздействием внешних сил в пространстве и во времени. Установлена существенная зависимость физико-механических свойств почв Западной Сибири от влажности, содержания гумуса и физической глины.

Ю.Основой дальнейшего развития оптимального экологически безопасного природопользования является своевременный количественный и качественный прогноз, основа которого количественная оценки устойчивости вовлекаемых в процесс производства почв и научно обоснованная система экологических требований к технике и технологиям. Пределы устойчивости экосистем и входящих в них почв к внешним воздействиям должны явиться экологическими нормативами на параметры применяемой техники и технологии и, конечном итоге, приобрести юридический статус ГОСТов. 11 .Предлагаемая в работе модель прогноза устойчивости почв к механическим воздействиям позволяет оперативно предсказывать изменения агрохо-зяйственные и экологических свойств почв, устанавливать экологически безопасные и предельно допустимые (пределы упругости и пластичности) нормы таких воздействий.

12.Пределом упрут ости почв является величина их структурной прочности, изменяющаяся для основных типов почв Западной Сибири от 5 до 80 кПа. Пределы пластичности (ПДД) устанавливаются для каждой конкретной почвы с учетом ее влажности, критериев исходного агрофизического состояния по приведенным в работе уравнениям.

13.Удельное давление движителей лесозаготовительной техники в условиях Западной Сибири необходимо снизить до 30-70 кПа. Снижение удельного давления следует производить не только за счёт увеличения площади опоры (за счёт сдваивания колёс или увеличения их количества), но главным образом за счёт снижения общей массы машин.

14.Параметры движителей должны обеспечивать не более 20% пробуксовки. Сдвиговые напряжения на контакте "шина - почва" не должны превышать сопротивление сдвигу верхних горизонтов почв лесных экосистем. Для условий Западной Сибири эти величины не должны превышать 50 - 70 кПа.

15.На сырых и влажных почвах размеры лесосек должны быть ограничены количеством проходов агрегатных машин по трелёвочным волокам до образования критической глубины колеи до 0,2 м - идя пасечных волоков и 0,4 м -для магистральных волоков. Графики лесозаготовок следует составлять с учётом динамики влажности почв каждой конкретной лесосеки. Магистральные

волока рекомендуется прокладывать по повышенным участкам лесосеки, там располагать и погрузочно-разтрузочные площадки

16.Нарушение устойчивости почв к гидрологическим и тепловым воздействиям в условиях Западной Сибири происходит в основном в процессе антропогенного вмешательства в формирование их водного и теплового баланса. Наиболее масштабным примером такого процесса является массовые вырубки лесов. Поэтому основным требованием при проведении лесозаготовительных мероприятий должно быть не допущение превышения стока с территории бассейна выше некоторого вполне определённого предела. Оценку устойчивости приходной части водного и теплового режимов почв возможно проводить по приведенным в работе критериям.

17.Выделяя час тые экологические состояния почв и взяв за основу общебиологические принципы зон толерантности и экологического оптимума, мы имеем возможность создания научно обоснованной методологии экологического нормирования. Показанный в работе принцип такого нормирован™ может быть положен в основу модернизации системы ГОСТОВ на экологически безопасное природопользование.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Бех И.А., Росновский И.Н., Давыдов В.В. В.ташше лесозаготовок п выпаса на свойства почв лис» -вешпгшых лесов Горного Алтая// Лесное хозяйство, 1997. >64. - С. 29 - 31.

2. Огородников A.B., Росновсктш H.H., Шепелев А..И. Экологические аспекты освоения пойменных земель // Экология и практика. - Томск: ТГУ, 1989. - С. 90 - 92.

3. Огородников A.B., Росновский H.H., Шепелев А.И. п др. Оценка воздействия сельскохозяйственной техники на почвенный покров поймы. (Методические рекомендации). - Новосибирск, 1989. -26 с.

4. Огородников A.B., Шепелев А.И. , Росновский И.Н. Тип земель как основа оценки хозяйственной прш одиоепт почленно! о покрова поймы р. Оби // Земельно-оценочные проблемы Сибири и Дальнего Востока. Тез. Докл. Конф. - Барнаул, 1986. Ч. 1. - С. 73.

5. Огородников A.B., Росновский И.Н., Шепелев А.И. Пуш рационального использования пойменных земель Томской обласш // Хозяйственная оценка ландшафтов Томской области. - Томск: ТГУ, 1988,- С. 127 - ВО.

6. Огородников A.B., Росновский H.H., Шепелев А.И. Пойменные почвы //Агрохимические свойства почв н эффективность удобрений. - Новосибирск: Наука. Сцб. отделеште, 1989. - С. 148 - 156. (Колл. монотрафия).

7. Огородников A.B..Поляков С.Ф., Росновский И-Н.,Дуиовский Ю.А., Шепелев А.И. Прибор /ия измерения окпслительно-восстаповптсльного потенциала почвы (ИПП-10). - Томск: ЦНТИ, 19S9. -4 с.

8. Росновский И.Н, Гсрасъко Л.И. Опенка параметров тепломассообмена и ресурсов почвенного климата в лссоболотных ландшафтах левобережья р. Kern // Хозяйственная оценка ландшафтов Томской области. - Томск: ТГУ, 1988. - С. 136 - 139.

9. Росновский ИЛ., Огородюнсов A.B., Шепелев А.И. Оттенка атропроизводствештых свойств пои-мстптьтх почв при Tix уплотнении ссльскохозяиствешгой техникой // Экология и практика. - Томск: Изд-во ТГУ, 1989.-' С. 114-116.

10. Росновский И.Н., Огородников A.B. Прогноз уплотнеишт поймеппых почв сельскохозяйственной тсхшжой. - Томск: ЦНТИ, 1989. - 3 с.

1 ¡.Росновский И.Н., Огородников A.B., Шепелев А.И. Оценка влттятшя сельскохозяйственной техники на физические свойства пойменных почв // Тез. докл. VI 11 Всесоюзного сьезда ВОП. Кн. 1. -Новосибирск, 1989. - С. 139.

12.Росновский ИЛЬ, Перчснко H.A. Использование измерителя иотешщала почвы ИПП-10 для эке-прссного определения концентрации NH* и NO! в почвеппых и растительных вытяжках. -Томск: ЦНТИ, 1989.-2 с.

13.Росновский H.H., Псрчеико H.A. Использование измерителя потешшала почвы ИПП-10 дтя определения pH в почвенных и растительных вытяжках. - Томск: ЦНТИ, 1989. - 2 с.

14.Росновский ИЛ. Физико-механические свойства и устойчивость пойыетптых почв к ашропотхи-пым нагрузкам. Автореф. днее. канд. бпол. наук. - Новосибирск, 1990.- 17с.

15. Росновский H.H. .Влияние wlioi пения сельскохозяйственной техникой на фильтрационные свойства пойменных почв // Человек и вода. Материалы научно-практической конференции. -Томск: ТГУ, 1990. - С. 125 - 128.

16.Росновский )1.H. Мегод расчёта зависимосш ii iMciiCHHH плотности почв от количества проходов сельскохозяцслвсппс;1 техники. - Томск: ЦНТИ, 1990. - 3 с.

17.Росновский И.Н., Огороддппсов A.B. Вертикальные русловые деформации как контролирующий фактор развитая почвепаого покрова II Почвообразование, лптогенез ц палеогео1рафн Западной Спбира. - Томск: ТГУ, Í990. - С. 92 - 94.

18.Ростовский H.H. Влияние уплощения на физические свойства поймеппых почв II Почвообразование и антропогенез: структурио-фушаснопальние аспекты, (ко.и, монография) - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1991. - С. 123 - 134.

19.Росновский И.Н. Ускоренный Me t од опредслашя cipvKTvpnoii прочност почв п ípvinoB. - Точек: ЦНТИ, 1991.-3 с.

20. Росновский И.Н. Метод расчета изчагашя Кф про уллошешпг почв сельскохозяйственной техникой. - Томск: ЦНТИ, 1991. - 3 с.

21.Рошовскш1 И.Н. ГГропюз изменения пористости почв при их jmoTncmm селтскохозяйслвешюй техникой. • Томск: ЦНТИ, 1991. - 3 с.

22. Росновский H.H., Хмелёв В А. Дпфферешшация йены и палота па землю как обьсктивиая основа управления землепользовашгем // Проблемы эколопш Томской области. - Томск: ТГУ, 1992. - С.

23. Росновский И.Н. Расчёт п оценка пределов устойчивости почв к мехапяческим нагрузкам И Проблемы экологии Томской области. - Томск: ТГУ, 1992. - С. 122 - 124.

24. Росновский И.Н. Применение критериев подобия при моделировании процессов в почвах// Применение матсматкческюс методов п ЭВМ в почвоведении, агрохимии п земледелии. Тез-Докласопф. Ьариаул.1992. - С. 17.

25. Ростовский И.Н., Шепелев А.И. Стандартизация единиц измерения лрп геоэкологических исследованиях // Применение математических методов и ЭВМ в почвоведепии, агрохимии и земледелии. Тез.докллсопф. Барнаул, 1992. - C.S7.

26. Росновский И.Н. Устойчивое*!, почв: icviief ешк>-ме.х81шчсские аспекты. - Новосибирск: Наука. Спб.отд. 1993. - 161 с.

27.Росновск1ш И.Н. МоиЕггоршИ" устойчивости пространственной структуры экосистем //Ресурсно-эхатогачсосое картографирование нз основе современных тсхиолопи'г - Иркутск: ИГ СО РАН, 1993,- С. 122- 124.

28. Росиовскпй И.Н. Изменение гидрологического peaaisia почв лесных экосистем на вырубках II География и природные ресурсы, 1994-№4. -С. 169 - 172.

29.Росиовскпй И.Н. Количественная оценка качества экологической шипи // Чleiiml памяти Ю.А.Львова.Томск:ТГУ. 1995. -C.I64- 16S.

30. Росновский ИЛ. Устойчивость почв в экосистемах // Тез. Док.% И а,суш РОП. - Санкт-Петербург, 1996. - С. 10S - 106.

31. Росновский И.Н. Устойчивость экосистем: введеппе в пробдему и метода исследования. Препринт 3. - Томск: Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН,1997. - 53 с.

32. Росновский И.Н. Опенка влияния лесозаготовительной техники ил почвы неспых экосистем. Методическое рекомендации. Препрппт 4. -Томск: Изд-во "Спектр" ИОА СО РАН, 1997.-45 с.

33. Росновский И.Н. Прогноз кодееобразоваиш при летплх лесозаготовках в западной Сибири // Лесоведение, 1998. (В печати).

>1. Pihhühckiu! И.Н . Воробьёв Б.Н., Бех И.А. Методология корректировки технолоптя лссосечшдх работ в Западной Спбири иа основе почвенио-экологических требований II Лесное хозяйство, 1998. (В печа ш).

35. Росновский И.Н. Нздттшовос разделение .экосистем // Чтепия памяти Ю.А.Львова. Томск: ТГУ. 1998.- С. 72- 73.

36. Росновский И.Н., Воробьёв В.Н. В^тянле лесозаготовок на водюлй баланс 1гочв леспых экосистем Н Актуальные вопросы («нрафии Спбирп. Материалы кемтферешяпг. Т. 4. - Томск: ТГУ,1998. -С. 210 - 212.

57. Хмелёв В.А., Щербинин В.И., Росновский H.H. Проблемы боншнровки почв Западной Сибири // Почвоведение, 1987. - № 11. - С. 44 - 52.

Í8. Шепелев А.И., Огородников A.B., Ростовский И.Н. Пойменные почвы Средней Оби (в связи с ппппанлен земель) II Проблемы освоения пойм северных рек.- М: Атропромиздат, 1987. - С. 11-16.

¡9. Шепелев А.И., Огородников A.B., Росвовскпн И.Н. Эколого-iтнеточеский аналга поймы Средней Оби как оспока селыжохозяйспвснпой типологии земель //Принципы оценки плодородия почв. -Новосибирск: Наука. Сиб. Отд., 199(1. - С. 89 - 98.

0. Pologowa N.N, Kuiatkovvsri W., Dnkarew A.G., Rosnow.skij J.N. The soils dark laiga ои Ibe permanent in the Pichl oveka study area//Pbytocoenosis, 1991. Vol. 3. -P. 59 - 69.

Издательство Томского ЦНТИ,

Лицензия № ЛР 021062.

Отпечатано в типографии ТОО "Томский ЦНТИ".

Лицензия № Плр 060232.

Подписано в печать 2.11.98 г.

Заказ № 1293. Тираж 100 экз.

634021, г.Томск, пр.фрунзе, 115/3.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Росновский, Иван Николаевич, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Сибирское отделение ФИЛИАЛ ИНСТИТУТ ЛЕСА им. В.Н. СУКАЧЕВА

3 и ¿. V

лиз^м ВАК Рс

НаЧаЛЬЕ

■ ■ • • ■--■ '.....\Л1(ЭЫ]Ь ,

йММНи пе/Яс V

- -г н-здения ВАК России

На правах рукописи

Росновский Иван Николаевич

УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ В ЭКОСИСТЕМАХ КАК ОСНОВА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ

Диссертация на соискание учёной степени доктора биологических наук (специальность 03.00.27 - почвоведение )

НОВОСИБИРСК - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 3

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ СИСТЕМ.. 12 1. 1. Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов....................................................................................................................12

1. 2.Классификация внешних воздействий на системы природы................21

13. Методы исследования устойчивости природных систем и их компонентов....................................................................................................................25

ГЛАВА 11. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ В ЭКОСИСТЕМАХ....................57

2.!. Почва как обьект исследования в экологии.............................................57

2. 2. Особенности устойчивости почв в экосистемах и классификация

её типов.........................................................................................................60

ГЛАВА! И. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ К МЕХАНИЧЕСКИМ

ВОЗДЕЙСТВИЯМ..................................................................... 77

3. 1. Понятие устойчивости почв к механическим воздействиям и методы её исследования....................................................................................77

3.2. Физико-механические свойства почв районов исследования..............103

3. 3. Влияние механических воздействий на плотность и пористость

почв................................................................................................................136

3. 4. Влияние механических воздействий на удельную поверхность и

водно-физические свойства почв.................................................................152

3. 5. Влияние механических воздействий на теплофизические свойства почв исслех^уемого региона..........................................................................181

3.6. Особенности изменений физических свойств горных почв при лесозаготовках и интенсивном выпасе................................................................190

3.7. Общая методология разработки экологических требований к технике и прогнозу ее влияния на почвы...................................................................204

ГЛАВА 1У. ПРЕДЕЛЫ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К ВНЕШНИМ

МЕХАНИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ......................................235

4. 1. Методологические основы оценки предельно допустимых механических воздействий на почвы региона.............................................................235

4. 2. Прогноз влияния уплотнения на агрохозяйственное качество почв...250 ГЛАВА У. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К ГИДРОЛОГИЧЕСКИМ И

ТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ.............................................257

5.1 Устойчивость почв к гидрологическим воздействиям..........................257

5.2. Устойчивость почв к тепловым воздействиям......................................272

ГЛАВА У1. МЕТОДОЛОГИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ

И ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ГЮЧВ...................................... 278

6.1 .Общая методология подхода к экологическому нормированию........278

6. 2. Структура параметров нормирования экологической оценки состояния почв..................................................................................................2S4

6.3. Нормирование экологического состояния почв в экосистемах...........296

ВЫВОДЫ......................................................................................................304

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................310

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................343

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Интенсификация общественного производства со всей очевидностью обнажила не только ограниченность природных ресурсов, но и усиливающуюся уязвимость всей среды обитания человека, противоречивость целей его деятельности. Постоянно расширяются противоречия между социальными и хозяйственными требованиями увеличения прибыли и количества продукции от вовлечённых в производство экосистем, с одной стороны, и устойчивостью их существования - с другой стороны. Это обстоятельство ещё больше обостряет важнейшую группу глобальных проблем современности, смысл которых в общем виде можно обозначить как несоответствие способа общественного производства ( в философском смысле ) способу существования природных систем, как несоответствие целей хозяйственной деятельности человеческого общества "целям" природных систем всех уровней иерархии.

Несомненно, дальнейшее развитие процессов природопользования немыслимо без определения УСТОЙЧИВОСТИ биосферы как системы в целом, так и входящих в неё экосистем более низкого иерархического уровня и составляющих их компонентов. Определение устойчивости экосистем всех уровней весьма важно при решении вопросов нормативного характера: составлении ГОСТов, выработке экологических нормативов и законов, регламентирующих природопользование. Наиболее остро проблема устойчивости встаёт при решении вопросов освоения новых земель ( особенно таких легко ранимых какими являются горы, поймы, тундры, лесоболотные земли), при проведении мониторинга ( как локального, так и биосферного уровней), крупномасштабных мероприятий, так или иначе изменяющих структуру и компонентный состав природной среды (переброски стока рек, крупномасштабные мелиорации, сведение лесов).

Почвенный покров Земли, определяя многие процессы и свойства биосферы,, является важнейшим её компонентом. Особые свойства и функции почвенного покрова проявляются в плодородии почв - важнейшим условием существования жизни на Земле (Ковда, 1989; Добровольский, Никитин, 1990; Шишов и др., 1991; Щербаков, Володин, 1991). Выполняя ряд общебиосферных функций и являясь связующим звеном между биологическим и геологическим круговоротами веществ и энергии, почвы с полным на то основанием могут быть названы фокусом биосферы. По образному выражению В.В. Докучаева "почва - это зеркало ландшафта", в котором отражаются происходящие в нём как позитивные, так и негативные процессы. Поэтому-то и решение проблемы оптимизации устойчивого природопользования должно начинаться с организации рационального использования и сохранения плодородия почв, сохранения их общебиосферных защитных и регулирующих функций, с изучения и прогнозирования их устойчивости в условиях всё усиливающегося антропогенного пресса. Однако не смотря на чрезвычайную значимость проблемы устойчивости почв и связанной с неё проблемы экологического нормирования как для научных, так и для народнохозяйственных целей в целом они ещё только поставлены. Это и послужило основным побудительным мотивом для написания предлагаемой вниманию докторской диссертации.

Цели и задачи исследования. Основными целями предлагаемой работы являлись создание общей теории устойчивости почв в экосистемах разного уровня иерархии к внешним воздействиям различной (в том числе и антропогенной) природы и на этой основе разработка методологии нормирования экологического состояния почв в основных типах экосистем Западной Сибири. Для достижения поставленных целей решались следующие задачи:

- разработать физические основы теории устойчивости почв к гидрологическим и тепловым воздействиям и основы прогноза изменения водного режима почв при лесозаготовительной и сельскохозяйственной деятельности;

-разработать серию физико-математических моделей прогноза устойчивости почв к внешним воздействиям;

Объекты а методы исследования. Обьектами исследования послужили почвы основных типов экосистем Томской, Новосибирской, Тюменской областей, Алтайского края и горные почвы республики Горный Алтай.

Агрохимические и общефизические исследования проводились общепринятыми в агрохимии и почвоведении методами (Агрохимические методы..... 1976; Аринушкина, 1976; Вадюнина, Корчагина, 1986; Глобус, 1969;

Воронин, 1986). Физико-механические свойства почв изучались методами инженерной геологии, механики почв и грунтов (Цытович, 1979; Дашко, 1989; Бахтин, 1966, 1969; ГОСТ 12248-78; ГОСТ 23908-79; ГОСТ 25584-83;Кулен, Куиперс, 1986; Ломтадзе, 1990) с некоторой нашей модификацией (Росновский, 1990, 1991, 1993, 1997). Полевые определения рН и ЕЙ проводились с помощью разработанного нами совместно с СКВ "Оптика"

ТНЦ СО РАН измерителя потенциала почвы ИПП-10 (Огородников и др, 1989; Перченко, Росновский, 1990а, б). Полевые опыты по испытанию сельскохозяйственной и лесозаготовительной техники проводились по общепринятым методикам и ГОСТам (Программа и методика..,., 1979; ГОСТ 26955-86).

Все получаемые экспериментальные данные обрабатывались общепринятыми методами статистики (Дмитриев, 1972;Девис, 1990) с использованием ПЭВМ (Бабенко и др, 1988; Дьяконов, 1989; Компьютерная биометрика, 1990). При обработке данных определения физико-механических свойств почв и распределения сжимающих напряжений в их профиле использовались также специально разработанные автором для таких целей прикладные программы (Росновский, 1990, 1991,1997).

Научная новизна работы. Впервые представлена к рассмотрению целостная концепция устойчивости почв как компонента экосистемы и количественные методы её комплексной оценки. Автором разработана классификация типов внешних воздействий, типов устойчивости экосистем и составляющих их компонентов, чётко ограничено применение терминов устойчивости, стабильности и гомеостаза. Представленные модели прогноза устойчивости почв к механическим воздействиям являются теоретической основой развиваемого автором направления - инженерного почвоведения, как составной части инженерной экологии. Выявлены географические закономерности особенностей физико-механических свойств почв Западной Сибири и впервые показана роль их структурной прочности (Рстр) как экологически безопасного предела внешних механических нагрузок. Обоснованы пределы допустимых нагрузок на почвы Западной Сибири и предложены способы их теоретического расчёта. Автором также обоснованы модели прогноза учета влияния гидрологических и тепловых воздействий на почвы, а также их взаимосвязь с механическими воздействиями, сведением лесов, бессистемным выпасом скота в горных условиях.

В работе предлагается и теоретически обосновывается оригинальная общая методология оценки экологического состояния почв и экологического нормирования, основанная на обще биологических и экологических принципах экологического оптимума и зон толерантности, которая может явиться основой при проведении природоохранных мероприятий, экологического мониторинга и выработке ГОСТов, регламентирующих природопользование в целом и землепользование в частности.

Практическая значимость работы. Предлагаемые в работе теория устойчивости почв (особенно её часть, касающаяся устойчивости к механическим воздействиям) и общая методология оценки экологического состояния почв и экологического нормирования являются основой при проведении природоохранных мероприятий, экологического мониторинга и выработке ГОСТов, регламентирующих природопользование в целом и землепользование в частности. Излагаемые в работе материалы крайне необходимы при проектировании новых типов сельскохозяйственной и лесозаготовительной техники (или новых типов их движителей), более совершенных экологически безопасных технологий проведения работ, приспособленных к почвенно-климатическим условиям каждого конкретного земельного участка или лесного массива.

Автор настоящей работы является руководителем гранта РФФИ (№ 96 - 04 - 48249) по теме " Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования" (1996 - 1998 гг.), руководителем выполняемого совместно с АО ВИСХОМ РАСХН и ТОО "Сельхозмашининформстандарт" (г. Москва) задания "Разработать экологические требования к основным видам сельскохозяйственной техники с учётом зонально-региональных особенностей" ГНТП "Экологическая безопасность России". В рамках этого задания был разработан и представлен в Минприроды РФ проект ГОСТа на экологические требования к сельскохозяйственной технике. Кроме того, автор дисертации является соисполнителем задания "Разработать экологи-

ческие требования к лесозаготовительной и лесохозяйственной технике и проведению работ" выше названной программы (совместно с ВНИИЛМ, г. Пушкин Московской области - 1994 - 1995 гг.), а также ГНТП "Российский лес" по заданию 2.3.5. "Изучить влияние лесозаготовок на основные физические свойства и режимы лесных почв". Автор также являлся ответственным исполнителем задания "Прогноз изменения свойств почв лесных экосистем Западной Сибири при летних лесозаготовках" ГНТП "Сибирь" (1994 - 1996 гг.) и соисполнителем ряда хоздоговорных работ по тематике, близкой к изложенной в предлагаемой вниманию диссертации. Некоторые результаты работы используются НИИЭМ СО РАСХН при разработке новых движителей сельскохозяйственной техники, в АО "Пойменный" при оценке проходимости и степени агротехнической деградации пойменных почв, а также на кафедре почвоведения и агрохи-миии Томского госуниверситета при чтении курса лекций по физике почв.

Автором разработана программа и написан 36 -часовый курс лекций "Физико-механические свойства и устойчивость почв к внешним воздействиям", который читается почвоведам биолого-почвенного факультета Томского госуниверситета. На защиту выносится;

- физико-механические свойства почв, являясь основой их структурной организации, являются и основой теории устойчивости почв к механическим внешним воздействиям как части инженерно-экологического почвоведения;

- знание основных физико-механических свойств и их связи с общими физическими свойствами почв позволяет построить модели прогноза влияния мобильной техники на плодородие и биосферные функции почв, а также установить пределы упругости и пластичности почв;

Апробация -работы. Основные положения работы докладывались на VI1 сьезде ВОП (Новосибирск, 1989 г.), на 11 сьезде РОП им. В.В. Докучаева; на конференциях по проблемам пойм северных рек (Сывтывкар, 1986 г.), по земельно-оценочным проблемам Западной Сибири и Дальнего Востока (Барнаул, 1986 г.), по применению математических методов и ЭВМ в агрохимии, земледелии и почвоведении ( Барнаул, 1992 г.), по экологического картографированию и мониторингу (Иркутск, 1992 г.), посвящённой памяти Р.В. Ильина (Томск, 1991 г.), посвящённой памяти Ю.А. Львова (Томск, 1995, 1998), на ежегодных региональных конференциях в Томском госуниверситете ( 1988 - 1998 гг.); на семинаре " Экология урбанизированных территорий" (Новосибирск, 1996), на семинаре по земельной реформе в России с участием американских специалистов (Томск, 1996)., Кроме того, результаты работ докладывались на заседаниях Томского отделения РОЙ? им. В.В. Докучаева, на заседаниях Учёных советов ИП СО РАН и ИЭПК СО РАН.

Структура работы и публикации. Диссертация представляет собой рукопись обьёмом 330 страниц машинописного текста, содержащую 40 таблиц, 39 рисунков и библиографию из 394 наименований, из которых 50 на иностранных языках. Она состоит из введения, шести основных глав, заключения и приложений.

По теме диссертации опубликовано и принято к печати 45 научных работ, из них одна монография, две коллективные монографии и две практические рекомендации.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ПРИРОДНЫХ

СИСТЕМ.

1.1. Общие положения теории устойчивости экосистем и их компонентов.

В связи со сложностью поставленной задачи вначале необходимо остановиться на некоторых общих вопросах. Для любого содержательного эмпирико-теоретического исследования необходимы ' три предпосылки: определён объект исследования, известны цели исследования и "цели" объекта, установлены ограничения. Чтобы определить конкретный объект нашего исследования, вначале определим некоторую цепочку дефиниций, исходя из общей теории систем, где система определяет�

Информация о работе

Росновский, Иван Николаевич
доктора биологических наук
Новосибирск, 1998
ВАК 03.00.27

Диссертация

Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования"

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Росновский, Иван Николаевич, Новосибирск

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Устойчивость почв в экосистемах как основа экологического нормирования
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение