ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 9, с. 1112-1123
К 100-ЛЕТИЮ СО ДНЯ РОЖДЕНИЯ Г.В. ДОБРОВОЛЬСКОГО
УДК 631.4
СОЗДАНИЕ ПОЧВОПОДОБНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
© 2015 г. А. В. Смагин1, 2, 3, Н. Б. Садовникова1
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 2Институт экологического почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы 3Институт лесоведения РАН, 119991, Москва, Ленинские горы е-таП: smagin@list.ru Поступила в редакцию 15.08.2015 г.
Изложены основы инновационного направления конструирования почв; рассмотрена краткая характеристика направления, основные виды почвенных конструкций и материалов, использующихся для их создания. На количественном уровне исследуется проблема формирования слоистых почвенных конструкций для поливного земледелия и озеленения городских территорий с повышенной антропогенной нагрузкой. Приведены материалы по технологическому проектированию подобных конструкций с использованием компьютерной среды НУОКи^-Ш для моделирования энергомас-сопереноса в почвенных физических системах. Обоснованы технологические способы внесения биополимерных материалов в почву с расположением на определенных глубинах, гарантирующие увеличение влагоемкости, защиту почв от вторичного засоления и загрязнения водорастворимыми поллютантами, устойчивость почвомодификаторов к биодеструкции. Тестирование слоистых конструкций в ряде зарубежных стран Персидского залива и в Москве подтвердило их высокую эффективность с возможностью увеличения продуктивности зеленых насаждений в 1.5—2 раза с адекватной экономией влаги и защитой корнеобитаемого слоя от водорастворимых солей в условиях естественного или техногенного засоления (загрязнения) и дефицита осадков.
Ключевые слова: почвенные конструкции, технологическое моделирование, биополимерные материалы, водоудерживающая способность, биопродуктивность, вторичное засоление, техногенное загрязнение.
Б01: 10.7868/80032180X15090117
ВВЕДЕНИЕ
Придание почвоведению статуса фундаментальной естественнонаучной дисциплины, как в академических, так и в университетских кругах во многом обусловлено деятельностью академика Г.В. Добровольского, чей столетний юбилей мы отмечаем в этом году. Вместе с тем Глеб Всеволодович — не только организатор науки, но и в первую очередь большой ученый с высоким творческим потенциалом, энциклопедической эрудицией и острой научной интуицией. Он одним из первых стал активно развивать фундаментальное структурно-функциональное количественное направление в изучении почв как сложноорганизо-ванных динамических биокосных систем, компонентов биогеоценозов и биосферы в целом. Наиболее ярким результатом этой деятельности стало учение Г.В. Добровольского и Е.Д. Никитина об экологических функциях почв и их роли в жизни биосферы и человека [8]. Учение приобрело широкий резонанс не только в научных кругах, но и в обществе, поскольку оно рельефно выявило то ведущее значение, которое принадлежит почвам
в обеспечении жизни на планете и ее эволюции. При этом Г.В. Добровольский, отчетливо представляя уязвимость, ранимость почв как природных динамических образований в условиях интенсивной эксплуатации человеком и техногенной нагрузки, никогда не сводил возможную управленческую деятельность в данной сфере лишь к регуляции негативных антропогенных воздействий и к так называемой "охране почв". Будучи сам креативным человеком, мыслителем, он был уверен, что познание сложных законов природной организации биокосных тел позволит не только обоснованно с научной точки зрения управлять их свойствами и функциями, но и целенаправленно создавать искусственные почвенные объекты с заданными характеристиками, используя современные знания и технические возможности.
Для обозначения подобного направления принят термин "конструирование почв". В отечественной науке оно стало активно развиваться на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ [15, 18, 20, 22], а также в
ИЭП МГУ [16, 30] под руководством Г.В. Добровольского. Мы попытались обобщить методологические и технологические сведения из области почвенного конструирования, основываясь как на известных литературных источниках, так и на собственных работах за двадцатилетний период предшествовавших исследований.
ПОНЯТИЕ И ВИДЫ ПОЧВЕННОГО КОНСТРУИРОВАНИЯ
Конструирование почв — инновационное направление в инженерной экологии, почвоведении и земледелии, целью которого является научно обоснованное проектирование и создание с помощью технических средств природных и синтетических материалов в почвенно-грунтовой толще системы рабочих слоев (горизонтов), коммуникаций, барьеров и иных структурных элементов в целях оптимизации почвенных свойств, режимов и экологических функций в антропогенных ландшафтах. Спектр материалов, использующихся в настоящее время в почвенном конструировании чрезвычайно широк — от природных и модифицированных органических и органо-ми-неральных веществ (торфяные и торфо-сапропе-левые почвомодификаторы, гуматы, сложные компосты, осадки сточных вод и станций водо-подготовки, цеолитные комплексы и др.) до синтетических полимерных гидрогелей, пленок, гидрофобных кремний-органических соединений, геотекстилей, пластмассовых и габионных изделий для почвенно-мелиоративных и геостабилизационных конструкций [1—4, 17, 16, 27].
Резюмируя известную информацию в данной области, можно предложить следующую группировку почвенных конструкций, целенаправленно создаваемых человеком с использованием, как ручного труда, так и технических средств [16]:
— земледельческие искусственно создаваемые почвы;
— почвенные конструкции плоскостных спортивно-игровых сооружений;
— технические геостабилизационные конструкции;
— технические почвенно-мелиоративные конструкции;
— влагоаккумулятивные солезащитные почвенные конструкции аридных земель и урбано-генных ландшафтов.
Искусственные земледельческие почвы, как правило, создаются и существуют столетиями [7, 16]. К данному виду, соответствующему по международной классификации ант-росолям, можно отнести древнеорошаемые ирри-гационно-аккумулятивные почвы речных долин и рисовых плантаций, китайские насыпные почвы "хейлуту", североевропейские рукотворные
почвы "плагген", рукотворные "монастырские" почвы о. Валаам и Соловецких островов и иные высокоокультуренные почвы садов и огородов [21]. Основной фактор их формирования — внесение органических веществ, сопутствующих материалов и удобрений, направленное на улучшение качества исходных почв и их плодородия. Под действием человека и природных факторов в таких почвах формируются мощные (30 см и более) гумусово-аккумулятивные и органогенные горизонты, сосредотачивающие в себе необходимые для получения устойчивых высоких урожаев качественной сельскохозяйственной продукции запасы влаги и питательных элементов. Тем самым антропогенное формирование подобных объектов осуществляется в соответствии с закономерностями природной биогенной организации, что гарантирует их устойчивость и эффективное функционирование.
Отдельное место в данной общности земледельческих почв занимают почвенные конструкции так называемой структурной мелиорации осушаемых торфяников. В отличие от минеральных субстратов рукотворных почв, органогенные отложения уже содержат в избытке органическое вещество, и в задачу земледельцев входит его сохранение, усиление процессов гумификации, защита от эрозии, механического воздействия обрабатывающих орудий и техники, микробной деструкции. С этой целью применяются три вида технологий: смешанное пескование ("северный" способ), послойно-смешанное пескование и покровная (римпауская) культура [2, 9]. Применение оригинальных технических средств, позволяет производить значительные объемы земляных работ и значительно ускоряет время формирования необходимых в данных условиях функциональных горизонтов-слоев.
Почвенным конструкциям плоскостных спортивно-игровых сооружений (футбольные поля, теннисные корты, поля для гольфа и регби, ипподромы и др.) посвящено достаточно много публикаций [5, 10, 23—26]. Их технологическая схема включает несколько искусственных минеральных слоев (от двух до пяти), часто с подземными коммуникациями для полива, дренажа и искусственного подогрева, и органо-минерального поверхностного плодородного слоя. В совокупности все слои формируют сложное природно-антропогенное почвоподоб-ное тело [10]. Его функциональные границы захватывают в том числе и природные субстраты в виде остаточных горизонтов почв, а внутренняя часть отличается контрастной текстурной диффе-ренцированностью профиля. Поэтому нередко характеристики транспорта влаги и растворенных веществ и, соответственно, фитопродуктивность таких конструкций, сильно отличаются от запланированных в проекте. И без предварительных
проработок, с использованием современных гидрофизических моделей, подобные сложные объекты, с учетом их дороговизны и значимости, не следовало бы проектировать методом "проб и ошибок" [16].
Среди факторов, влияющих на устойчивость спортивных газонов, наиболее значимыми являются механическая нагрузка, водно-воздушный и тепловой режимы и агрохимический прессинг. Механическое воздействие спортсменов (длительностью до 40—60 часов в месяц и более) во время тренировок и проведения соревнований на травяной покров и биогенный горизонт почвенной конструкции неминуемо ведет к их деградации. Значительное воздействие на конструкцию оказывают искусственные поливы. Отсутствие научно обоснованных норм в определении данного режима часто приводит к сильному переувлажнению биогенного слоя конструкции спортивных газонов. Так, по данным [10], тренировочное поле клуба "Спартак" (Московская обл.) получает в результате полива дополнительно в течение года около 1500 мм влаги, что превышает годовую норму более чем в два раза и сопоставимо с гумидными субтропиками и тропиками.
Полив и искусственное прогревание наряду с фитопродуктивностью способствуют активизации микробиологических и биохимических процессов выветривания и деструкции, создают благоприятные условия для миграции твердого вещества почв и выноса питательных веществ из органомине
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.