Тема 12. Едафічні фактори середовища

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Компоненти ґрунту. Хімічні та фізичні властивості ґрунту.

2. Параметри ґрунтів та методи їх вимірювання.

3. Забруднення ґрунту.

 

 

 

Література

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

Вступ

Едафічні фактори середовища включають структуру та склад ґрунтів, сукупність їх фізичних і хімічних властивостей, що справляють екологічний вплив на живі організми.

Гідрографічні фактори (фактори водного середовища) - фізичні та хімічні властивості води як середовища мешкання живих організмів.

 

1. Компоненти ґрунту. Хімічні та фізичні властивості ґрунту

 

До складу ґрунту входять такі основні компоненти:

Неорганічні мінеральні частинки, що складаються з алюмінію, кремнію та інших мінералів, розміри яких коливаються від маленьких частинок глини (0,002 мм) до більших гранул піску, гальки та гравію. Кількість цих частинок та їх структура визначають водоутримуючу здатність ґрунту, доступність до нього повітря й поживних речовин.

Органічні залишки. Рештки рослин і тварин переходять через кілька стадій розкладання в стабільну субстанцію - гумус.

Вода є необхідним компонентом для активності мікроорганізмів. Кількість води в ґрунті залежить від опадів, структури ґрунту та населеності мікроорганізмами. Вода міститься в порах ґрунту та поглинається поверхнею частинок сухого ґрунту. Різноманітні поживні речовини розчинюються у воді і стають доступними мікроорганізмам.

Гази, основними з яких є кисень і азот, а також двоокис вуглецю, заповнюють пори ґрунту, не зайняті водою. В насиченому ґрунті невелика кількість газів може бути розчинена у воді.

Біологічні системи включають коріння рослин, дрібних тварин та мікроорганізми. 1 г ґрунту містить 2,5 млн. бактерій, 500 000 грибів, 50 000 водоростей та 30 000 найпростіших.

 

 

Хімічні властивості ґрунту

Гумус. Цей хімічний компонент ґрунту – аморфна темно-кольорова субстанція, що походить із залишків рослин (меншою мірою тварин) і є сумішшю фенольних сполук, карбонових кислот та складних ефірів жирних кислот. До складу гумусу входять гумінові й фулвікові кислоти, а також гуміни - нерозчинні залишки цих кислот. Гумінові кислоти - це група високомолекулярних сполук. Фулвікові кислоти відрізняються від гумінових вищим умістом кисню і меншим - вуглецю та азоту. Склад гумусу істотно залежить від місцевих умов, рівня оксидів та температури.

Оксиди заліза. Численні сполуки заліза в ґрунті впливають на колір останнього. Наявність і тип оксидів заліза в ґрунті залежать від багатьох чинників - насамперед від режиму вологості, вмісту кремнієвих мінералів, інтенсивності видужування, характеру гумусу та рівня його накопичення.

Карбонати й розчинені солі. На забарвлення ґрунту значною мірою впливають світло забарвлені та білі субстанції, до складу яких входять карбонати, кварц, каолініт і деякі розчинені солі. Крім того, до цієї групи компонентів можна віднести мінерали: польовий шпат, кальцит, кристали гіпсу та світло забарвлені сполуки алюмінію.

Фізичні властивості ґрунту

Фізичні властивості ґрунту визначаються текстурою, структурою, об’ємною густиною, поруватістю, аерацією, кольором, вологістю та температурою.

 

2. Параметри ґрунтів та методи їх вимірювання

 

2.1. Механічні параметри

Текстуру ґрунту характеризують відносні пропорції піску, мулу й глини. Залежно від вмісту цих компонентів розрізняють 12 текстурних класів ґрунту. Згідно з класифікацією, запропонованою Міжнародним товариством з вивчення ґрунтів, текстурні компоненти ґрунту класифікують відповідно до розмірів частинок: глина - до 0,002 мм; мул - 0,002...0,02 мм; дрібний пісок - 0,02...0,2 мм; крупний пісок - 0,2...2,0 мм; гравій - більше за 2,0 мм. Частинки, менші за 1 мкм, називають колоїдними. До параметрів, пов’язаних з текстурою, відносять площу поверхні ґрунтової частинки. Дрібні частинки ґрунту мають більшу поверхню на одиницю площі або одиницю об’єму.

Структуру ґрунту визначають за розмірами, формою і упаковкою агрегатів та порожнин між ними. Агрегати - первинні ґрунтові частинки, здатні зв’язуватися одна з одною міцніше, ніж з іншими частинками. Системи ідентифікації ґрунтової структури передбачають врахування форми й упаковки (тип), розмірів (клас) та виразності (ранг) частинок ґрунту й пор.

Типи структурних одиниць (визначають за чотирма можливими формами частинок і пор між ними): пластинчасті, якщо агрегати формують відносно тонкі горизонтальні пластини, листки або лінзи; призматичні, коли агрегати вишиковуються у вертикально орієнтовані призми або колони; блочні, що характеризуються наявністю блоків розміром 1...10 см, звичайно з шістьма гранями та гострими кутами; сферичні, що утворюються сферичними гранулами або крихітками ґрунту.

Класи структурних одиниць передбачають поділ ґрунтових одиниць за розмірами: дуже дрібні, дрібні, помірні, великі, дуже великі.

Ранги структурних одиниць продовжують класифікацію частинок за розмірами і підкреслюють, як чітко відрізняються частинки в непорушеному фунті; тут слід розрізняти сильні, помірні та слабкі категорії.

Густина твердої речовини - це відношення маси твердої речовини ґрунту Мг до її об’єму Vг:

           р =М / V .        (12.1)

Для більшості ґрунтів середня об'ємна густина – 2600...2700 кг/м3. На рівень цього параметру впливає відносний вміст таких компонентів як оксиди заліза (2900 кг/м3 ), кварц (2660 кг/м3), глинисті мінерали (2650 кг/м3), органічна речовина (1300 кг/м3), вода (1000 кг/м3) й повітря (1,2 ∙ 10-3 кг/м3).

З урахуванням присутніх у ґрунті пор та води розрізняють ще такі параметри:

Оскільки близько 50% ґрунту припадає на пори, об’ємна густина сухого ґрунту становить близько 1300...1350 кг/м3.

Загальна об’ємна густина ґрунту дорівнює відношенню загальної маси вологого ґрунту до його об’єму.

Пористість ґрунту дорівнює відношенню сумарного об’єму всіх пор та проміжків між структурними агрегатами до загального об’єму ґрунту. Цей параметр характеризує той простір Vn між частинками ґрунту, який займають повітря F або вода К, і залежить від розмірів, форми та кількості окремих пор.

За розмірами пори ділять на чотири класи: дуже дрібні (<0,5 мм), дрібні (0,5...2 мм), середні (2...5 мм) та великі (>5 мм).

Кількість пор, що припадає на одиницю площі (1 см2), класифікують таким чином: мала (< 1); звичайна (1...5) та велика (> 5).

Форма пор може бути сферичною, еліптичною або циліндричною.

Вертикальна безперервність пор у ґрунті є також важливим параметром пористості. Для оцінки цього параметра використовують середню вертикальну відстань у зволоженому ґрунті, на якій мінімальний діаметр пор перевищує 0,5 мм. Тут розрізняють три класи безперервності: низька (< 1 см), середня (1...5 см) та висока (10 см і вище).

 

Перенесення маси

Перенесення маси (поживних речовин, нітратів, хлоридів, пестицидів) з однієї точки ґрунту до іншої відбувається за двох фізичних процесів.

Молекулярна дифузія - переміщення молекул з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією при відсутності рушійної сили, тобто в результаті хаотичного руху.

Процес молекулярної дифузії залежить від природи ґрунтової системи, розчиненої речовини. Чим більша величина концентраційного градієнта, тим більший потік розчинених молекул.

Конвекція - перенесення розчиненої речовини, яке визначається швидкістю рідини, що рухається, та концентрацією С розчиненої речовини.

Методи вимірювання механічних параметрів ґрунту

Седиментація ґрунтових частинок є одним з поширених методів вивчення розподілу ґрунтових частинок за розмірами.

Під час вимірювання швидкості седиментації ґрунтових частинок слід враховувати залежність густини та в’язкості рідини від температури.

Лазерна дифрактометрія ґрунтових частинок полягає в освітленні частинок лазерним випромінюванням, реєстрації та аналізу дифракційної картини за допомогою багатоелементного кільцеподібного детектора. Характер дифракційної картини значною мірою залежить від розмірів частинок ґрунту.

 

2.2. Теплофізичні параметри

Теплоємність тіла (С) - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно дати даному тілу для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання теплоємності – Дж/К.

Питома теплоємність речовини с - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно надати даній речовині масою 1 кг для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання питомої теплоємності – Дж/кг∙К.

Об’ємна питома теплоємність речовини сv - величина, чисельно рівна кількості теплоти, яку необхідно надати даній речовині об’ємом 1 м3 для нагрівання на 1К. Одиниця вимірювання об'ємної питомої теплоємності – Дж/м3∙К.

 

Перенесення теплоти

Перенесення теплоти відбувається за різниці температур, що має місце в ґрунті або між окремими фазами ґрунту. Основними процесами, що зумовлюють перенесення теплоти, є теплопровідність, конвекція та теплове випромінювання.

Теплопровідність - перенесення тепла від більш нагрітих тіл до менш нагрітих, що приводить до вирівнювання температури.

Кількісну оцінку процесу теплопровідності через речовину можна дати за допомогою закону Фур’є: кількість перенесеного шляхом теплопровідності тепла прямо пропорційна градієнтові температури.

Фізичний зміст коефіцієнта теплопровідності полягає в тому, що він характеризує теплоізоляційні властивості речовини - чим менший коефіцієнт теплопровідності, тим більша теплоізоляція, що забезпечується речовиною. Величина коефіцієнта теплопровідності ґрунту залежить від фази ґрунту, текстури, об’ємної густини, вмісту води, структури, поверхневого контакту між ґрунтовими частинками, температури.

Термодифузія - перенесення компонентів речовини під впливом градієнта температури. Коефіцієнт термодифузії α ґрунту визначається як зміна температури в одиниці об’єму за рахунок теплового потоку, що протікає через цей об’єм за одиницю часу під впливом дії одиниці градієнта температури. Між термодифузією а та теплопровідністю k є такий зв’язок:

            а = k/cv        (12.2)

Одиниця вимірювання термодифузії - м2/с .

На термодифузію впливають стан ґрунтової води, об’ємна густина ґрунту, склад ґрунту, органічна речовина.

Конвекція в ґрунті відбувається, коли потік води має температуру, що відрізняється від температури ґрунту.

Теплове випромінювання ґрунту - електромагнітне випромінювання, що утворюється ґрунтом і виникає за рахунок його внутрішньої енергії.

 

2.3. Водяні потоки в ґрунті

Водний потенціал

Вода в ґрунті характеризується такими параметрами як кількість води та швидкість і напрямок водяного потоку.

У багатьох реальних ситуаціях діють лише один чи два компоненти водного потенціалу. Розглянемо основні тенденції зміни водного потенціалу ґрунту.

Коли ґрунт насичений водою, його водний потенціал близький до нуля. Завдяки гравітаційним процесам ґрунт висушується до рівнів водного потенціалу в межах 10....33 Дж/кг, як верхньої межі доступної ґрунтової води (польова місткість).

Коли рослини споживають воду з ґрунту, водний потенціал зменшується доти, доки коренева система рослин не спроможна постачати воду з ґрунту (точка в’янення). Цей рівень відповідає водному потенціалу - 1500 Дж/кг і є нижньою межею доступної ґрунтової води. Поблизу поверхні ґрунт висушується повітрям, що відповідає значенню водного потенціалу -3 · 105 Дж/кг.

 

Гідропровідність ґрунту

Густина потоку рідини (води) через пористе середовище (ґрунт) описується законом Дарсі.

Коли ґрунт насичений водою, гідропровідність називається насиченою. Коли пори ґрунту осушуються, гідропровідність швидко зменшується. Режиму польової місткості відповідає половина сухих пор; гідропровідність у цьому випадку зменшується у 103 разів порівняно з насиченим рівнем. Точці в'янення відповідає зменшення гідропровідності у 106 разів порівняно з насиченим рівнем.

 

Випаровування з ґрунтової поверхні

Випаровування - це перехід речовини з рідкого або твердого агрегатного стану у газоподібний.

 

2.4. Оптичні параметри ґрунту

Колір ґрунту залежить від ряду факторів, зумовлених тепловим балансом та хімічним складом фунту. Колір ґрунту впливає на його температуру: ґрунти світлих відтінків відбивають тепло більш інтенсивно, ніж темних. Колір ґрунту визначають вміст гумусу, оксидів заліза та різноманітних світло забарвлених речовин - сполук кремнію й алюмінію, карбонатів кальцію тощо. Ґрунту, що містить багато гумінових кислот, властивий темний ахроматичний колір, тоді як перевищення вмісту фулвікових кислот надає ґрунту більш насиченого забарвлення. Поглинання та відбивання оптичного випромінювання ґрунтами різних кольорових відтінків значно відрізняються, що використовується в техніці дистанційного зондування земної поверхні.

 

3. Забруднення ґрунту

 

3.1. Хімічні забруднення ґрунту

Серед основних джерел забруднення ґрунтів виділяють промислові викиди в атмосферу, стічні води, радіоактивні відходи, автотранспорт, побутові відходи. В сільськогосподарському виробництві до забруднень ґрунту призводять стоки з залишками пестицидів і добрив, нафтопродукти, важкі метали, поверхнево-активні речовини, хімічні сполуки, що потрапляють у ґрунт, мігрують і врешті-решт потрапляють в організм людини. Застосування добрив призводить до порушення біогеохімічних кругообігів; використання пестицидів супроводжується токсичним впливом на фауну й флору, негативними наслідками для окремих видів і біоценозів загалом, скороченням чисельності популяцій, зменшенням запасів їжі, зникненням видів, що конкурують, зміною різноманіття біоценозів. Особливу небезпеку для ґрунту становить військова техніка й арсенали, військові полігони, скопичення звичайних та ядерних боєприпасів.

 

3.2. Тверді відходи

Терміном «тверді відходи» позначають покидьки або сміття, що не транспортуються за допомогою води і не призначені для подальшого використання. До муніципальних (міських) твердих відходів можна віднести харчові залишки, текстиль та негорючі речовини - скло, метал, цегла. Специфічними відходами є будівельні уламки, листя, вуличне сміття, залишені автомобілі, стара побутова техніка тощо. До твердих відходів впевнено можна приєднати попіл як наслідок експлуатації теплових електростанцій, бруд з очисних споруд, гній з ферм, породу з шахт. Причому, спостерігається тенденція до зростання твердих відходів з кожним роком.

Муніципальні тверді відходи характеризуються густиною, що змінюється від 150 кг/м3 (некомпактні відходи) до 800 кг/м3 (занурені у ґрунт відходи). Густину окремих компонентів твердих відходів наведено в табл. 12.1.

Таблиця 12.1. Густина компонентів твердих відходів

Компонент	Густина, кг/м3
Папір, картон	80
Харчові відходи	300
Різноманітне сміття	160
Попіл, пил, цегла	480
Побутові відходи	150
Пластмасові відходи	65
Алюмінієві відходи	100
Консервні банки	90
Скло	160

 

Кожен компонент визначається вологою і сухим залишком.

 

3.3. Ерозія ґрунтів

Ерозія ґрунтів - руйнування ґрунтів і підстилаючої породи за природних та антропогенних процесів, що призводять до переміщення продуктів руйнування з одного місця в інше (від лат. «erosion» – роз’їдати, вигризати).

Ерозія, що супроводжується руйнуванням поверхні Землі, формуванням долин річок, схилів, межиріч, називається природною (геологічною). На цей тип ерозії впливають такі фактори як вітер, вода, температурні коливання, біологічні процеси.

Вітрова ерозія спричинює перенесення найдрібніших частинок ґрунту, що містять найважливіші для родючості компоненти - гумус, хімічні речовини. Крім того, цей процес супроводжується оголенням коріння одних та засипанням інших рослин.

Водна ерозія викликається талими, дощовими та зливовими водами на пересіченій місцевості; цей процес супроводжується перенесенням твердих частинок, розчиненням породи водою, зміною рельєфу земної поверхні. Найбільш небезпечною формою водної ерозії є селі та зсуви. Температурні коливання зумовлюють утворення розколин у скельних породах і відшарування. Швидка зміна дня й ночі впливає тільки на поверхневий шар скелі, тоді як перехід від літа до зими - на значно глибші шари. При низьких температурах відбувається руйнування породи внаслідок розширення води в тріщинах. Через замерзання і танення частинки, що відокремилися, рухаються вниз по схилу. Біологічні процеси руйнування гірських порід зумовлюють також живі організми - лишайники та мохи. Частіше живі організми лише прискорюють дію інших. Тварини, рухаючись по ґрунту, подрібнюють частинки, що полегшує знесення їх вітром або водою.

Розвиток ерозії пов’язаний також з рельєфом місцевості, стійкістю ґрунту щодо змиву та розмиву, рівнем покриття схилів лісовою або трав’янистою рослинністю.

Прискорена (антропогенна) ерозія спричинюється одночасним впливом вирубування лісів, над інтенсивним тваринництвом і неправильним використанням ґрунтів під сільськогосподарські потреби. Оранка, сінокосіння та збирання врожаю, робота сільськогосподарських машин, меліорація земель, знищення лісів, надмірне розорювання території, безконтрольне випасання худоби сприяють прискореній ерозії. Шар ґрунту, що руйнується при нормальній ерозії протягом століть, при антропогенній знищується за дуже короткі проміжки часу (швидкість антропогенної ерозії може бути в 100 разів більшою, ніж швидкість природної).

Ерозія ґрунтів проявляється у вигляді змиву верхнього ґрунтового покриву або розмиву його вглиб. З огляду на це розрізняють площинну (поверхневу) ерозію, що супроводжується поступовим видаленням з поверхні компонентів ґрунту, та лінійну ерозію, при якій відбувається розмив фунту у вертикальному напрямку. Найбільш небезпечною є площинна ерозія. Вона завдає великої шкоди народному господарству, оскільки під дією стікаючих дощових і талих вод по схилу змивається і переноситься верхня, найбільш родюча частина ґрунту. Лінійна ерозія проявляється в утворенні ярів та балок. Для оцінки ерозійної небезпеки земель використовують індекс опадів -показник, що умовно враховує кінетичну енергію дощів за певний період максимальної інтенсивності їх випадання. Період, для якого розраховується ерозійний індекс опадів, приймається рівним 10, 20, 30 хв.

Шляхом підбору за метеорологічними даними відповідного відрізка часу за конкретну зливу, що дає найбільший шар опадів, розраховують максимальну інтенсивність дощу за 10, 20, 30 хв., яку ділять на тривалість періоду, а також кінетичну енергію кожного дощу.

Так, для України сумарна кінетична енергія зливових опадів за теплий період Ек змінюється від 1,1 до 1,3 кДж/м2 на півдні до 4,0 кДж/м2 у зоні Карпат; середня інтенсивність дощу І змінюється від 1 мм/хв для дрібного дощу до 9...12 мм/хв для дуже сильної зливи; максимальна інтенсивність дощу тривалістю 10 хв. становить 0,8...3,0 мм/хв. Ерозійний індекс дощів, небезпечних для ґрунту, може коливатися від 11 до 36.

Унаслідок ерозії на значних площах руйнуються цінні сільськогосподарські угіддя, різко зменшуються гумусові ресурси, вміст азоту, фосфору й калію в ґрунті, що впливає на його родючість, замулюються ріки, канали та водні джерела, зростає розчленування території ярами, погіршується її гідрологічний режим.

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»