Zhutnění půdy (zemědělství) - Soil compaction (agriculture)
Zhutnění půdy , také známé jako degradace struktury půdy , je zvýšení objemové hmotnosti nebo snížení pórovitosti půdy v důsledku vnějšího nebo vnitřního zatížení. Zhutnění může nepříznivě ovlivnit téměř všechny fyzikální, chemické a biologické vlastnosti a funkce půdy . Spolu s erozí půdy je považován za „nejnákladnější a nejzávažnější ekologický problém způsobený konvenčním zemědělstvím “.
V zemědělství je zhutňování půdy složitým problémem, ve kterém dochází k interakci půdy, plodin, počasí a strojů . Vnější tlak v důsledku používání těžkých strojů a nevhodného hospodaření s půdou může vést ke zhutnění podloží a vytváření nepropustných vrstev v půdě, které omezují cykly vody a živin. Tento proces může způsobit efekty na místě, jako je snížený růst plodin, výnos a kvalita, a také efekty mimo lokalitu, jako je zvýšený odtok povrchové vody , eroze půdy , emise skleníkových plynů , eutrofizace , snížené doplňování podzemních vod a ztráta biologické rozmanitosti .
Na rozdíl od zasolení nebo eroze je zhutnění půdy v zásadě problémem pod povrchem, a proto neviditelným jevem. K vhodné lokalizaci, monitorování a správě problému jsou nutné speciální identifikační metody.
Historie a současný stav
Zhutňování půdy není nedávným problémem. Před začátkem mechanizovaného zemědělství bylo používání pluhů spojeno se zhutňováním půdy. Několik studií však ukázalo, že moderní zemědělské techniky zvyšují riziko škodlivého zhutňování půdy.
Historická základna globálního zhutňování půdy je obecně velmi slabá, protože v určitých časových bodech existují pouze měření nebo odhady pro určité regiony/země. V roce 1991 se odhadovalo, že zhutnění půdy představovalo 4% (68,3 milionu hektarů) antropogenní degradace půdy na celém světě. V roce 2013 bylo zhutnění půdy považováno za hlavní důvod degradace půdy v Evropě (přibližně 33 milionů ha postiženo), Africe (18 milionů ha), Asii (10 milionů ha), Austrálii (4 miliony ha) a v některých oblastech severu Amerika.
Přesněji řečeno, v Evropě je přibližně 32% a 18% podloží vysoce a středně náchylných ke zhutnění.
Mechanismus
Na zdravých, dobře strukturovaných půdách částice navzájem interagují a vytvářejí agregáty půdy. Výsledná struktura půdy zvyšuje stabilitu s počtem interakcí mezi částicemi půdy. Voda a vzduch vyplňují dutiny mezi částicemi půdy, kde voda interaguje s částicemi půdy a vytváří kolem sebe tenkou vrstvu. Tato vrstva může chránit interakci částic s částicemi, čímž se snižuje stabilita struktury půdy.
Mechanický tlak působící na půdu je vyvážen zvýšením interakcí částic půdy. To znamená snížení objemu půdy snížením mezer mezi částicemi půdy.
V důsledku toho dochází k vytlačení vody a vzduchu a zvyšuje se objemová hustota půdy, což má za následek sníženou propustnost pro vodu a vzduch.
Citlivost půdy na hutnění závisí na několika faktorech, které ovlivňují interakce půdních částic:
- Struktura půdy s jemnými strukturovanými zeminami (vysoký obsah jílu) je náchylnější ke zhutnění než hrubozrnné půdy.
- Struktura půdy, přičemž stabilnější jsou úhlové, heterogenní struktury.
- Obsah půdní vody , vysoký obsah vody zvyšuje náchylnost ke zhutňování, protože vrstva vody na povrchu částic půdy chrání interakce mezi částicemi půdy
- Počáteční sypná hustota, husté půdy jsou odolnější vůči zhutnění, protože počet interakcí částic je vyšší.
- Obsah organické hmoty zvyšuje odolnost proti hutnění, protože organická hmota působí jako pufr, váže minerály a vodu
- pH , ovlivňuje čisté náboje molekul
Příčiny
Zhutnění půdy může nastat přirozeně sušením a zvlhčováním nazývaným konsolidace půdy nebo při působení vnějšího tlaku na půdu. Nejrelevantnějšími příčinami zhutňování půdy v zemědělství způsobenými lidmi jsou používání těžkých strojů, samotná praxe zpracování půdy , nevhodná volba systémů zpracování půdy a pošlapávání hospodářských zvířat .
Využití velkých a těžkých strojů v zemědělství často způsobuje nejen zhutnění ornice, ale i podloží. Zhutnění podloží je obtížnější regenerovat než zhutnění ornice. Intenzitu zhutňování půdy může ovlivnit nejen hmotnost strojů, tj. Zatížení náprav, ale také rychlost a počet průchodů. Husticí tlak kol a pneumatik také hraje důležitou roli pro stupeň zhutnění půdy.
Ať už se používá nebo nepoužívá těžká technika, samotná kultivace půdy může způsobit zhutnění půdy. Zatímco hlavní příčinou zhutňování půdy při činnosti zpracování půdy jsou v dnešní době stroje, vliv zhutnění vyplývající z lehčích zařízení a zvířat na ornici by neměl být opomíjen. Navíc nevhodná volba systémů zpracování půdy může způsobit zbytečné zhutňování půdy. Je však třeba poznamenat, že zpracování půdy může v dlouhodobém horizontu snížit zhutnění ornice ve srovnání s žádnou činností zpracování půdy.
Významnou příčinou zhutňování půdy je také značný přešlap hospodářských zvířat vyplývající z chovu hospodářských zvířat na loukách a zemědělské půdě. To není ovlivněno, zda je pastva spojitá nebo krátkodobá, je však ovlivněna intenzitou pastvy.
Efekty
Účinky na místě
Hlavními účinky na vlastnosti půdy v důsledku zhutnění půdy jsou snížená propustnost vzduchu a snížená infiltrace vody . Hlavními fyzikálními negativními účinky na rostliny je omezený růst kořenů rostlin v reakci na akumulaci rostlinného hormonu ethylenu a dostupnost živin v důsledku zvýšení objemové hmotnosti a zmenšení velikosti pórů v půdě . To může vést k extrémně suché ornici a nakonec způsobí popraskání půdy, protože kořeny absorbují vodu vyžadující transpiraci z horní části půdy, kam mohou rostliny pronikat s omezenou hloubkou kořenů.
Chemické vlastnosti půdy jsou ovlivněny změnou fyzikálních vlastností půdy. Jedním z možných účinků je pokles difúze kyslíku, který způsobuje anaerobní stav. Spolu s anaerobními podmínkami může zvýšení nasycení půdní vody zvýšit denitrifikační procesy v půdě. Možnými důsledky jsou zvýšení emisí N2O , snížení dostupného dusíku v půdě a snížení účinnosti využití dusíku plodinami. To může způsobit zvýšení používání hnojiv.
Biodiverzita půdy je také ovlivněna sníženým provzdušňováním půdy. Silné zhutnění půdy může způsobit snížení mikrobiální biomasy . Zhutnění půdy nemusí ovlivnit množství, ale distribuci makro fauny, která je životně důležitá pro strukturu půdy včetně žížal v důsledku zmenšení velkých pórů.
Všechny tyto faktory negativně ovlivňují růst rostlin, a tak ve většině případů vedou ke snížení výnosů plodin. Protože zhutňování půdy je trvalé, ztráta výnosu plodin jako jedna z „nákladů na zhutnění půdy“ může vést k obavám z dlouhodobých ekonomických ztrát.
Efekty mimo web
Zhutňování půdy a její přímé účinky jsou úzce propojeny s nepřímými efekty mimo lokalitu, které mají globální dopad, viditelné pouze z dlouhodobého hlediska. Akumulační efekty mohou mít za následek komplexní dopady na životní prostředí, které přispívají k probíhajícím globálním environmentálním problémům, jako je eroze, záplavy , změna klimatu a ztráta biologické rozmanitosti v půdě.
Zabezpečení potravin
Zhutňování půdy způsobuje snížení růstu plodin, výnosu a kvality. Místně mohou mít tyto účinky menší dopady na zajišťování potravin . Pokud však agregujeme ztráty v zásobování potravinami v důsledku zhutnění půdy, může zhutnění ohrozit zabezpečení potravin. To je zvláště důležité pro regiony, které jsou náchylné k suchu a záplavám. Zhutněná půda zde může přispět k suché ornici a zvýšenému povrchovému odtoku . Změna klimatu může navíc zhoršit nepříznivé důsledky zhutňování půdy. Důvodem je, že změna klimatu zahrnuje události, jako jsou vlny veder a bouře, které mohou zvýšit riziko sucha a záplav a odvodňovacích systémů.
Změna klimatu a využívání energie
Půda je skladištěm skleníkových plynů (GHG). Je považován za hlavní pozemský zdroj uhlíku. Půda poskytuje koloběh živin a filtrační služby, reguluje toky skleníkových plynů. Ztráta plynů z půdy do atmosféry je často zvýšena vlivem zhutnění půdy na propustnost a změny v růstu plodin. Když jsou zhutněné půdy podmáčené nebo mají zvýšený obsah vody, mají tendenci způsobovat ztráty metanu (CH4) do atmosféry v důsledku zvýšené aktivity bakterií. Uvolňování oxidu dusného (N2O) skleníkových plynů pochází také z mikrobiologických procesů v půdě a je posíleno použitím dusíkatých hnojiv na orné půdě.
Zhutněná půda navíc vyžaduje další přísun energie. Na kultivaci se používá více paliva a hnojiv ve srovnání s nekompaktní půdou kvůli omezením růstu plodin vyplývajícím ze snížené účinnosti při používání dusíku. Výroba dusíkatých hnojiv je energeticky velmi náročná.
Eroze, záplavy a povrchová voda
Snížená propustnost zhutněné půdy může mít za následek lokální záplavy. Když voda nemůže proniknout, rybníky a těžba vody představují obecné riziko eroze půdy vodou. Na zhutněných půdách jsou stopy kol často výchozím bodem pro odtok a erozi. Půdní eroze se pravděpodobně objeví na svažitých polích nebo zejména kopcovité zemi. To by mohlo vést k přenosu sedimentů [56]. S výjimkou přímých negativních účinků na zemědělce ovlivňuje riziko povrchového odtoku v blízkosti kolejí nepřímo prostředí mimo hospodářství, protože například redistribuuje „sediment, živiny a pesticidy v poli i mimo něj“. Zvláště když je zvýšené riziko eroze povrchové půdy, stává se eutrofizace povrchových vod velkým problémem kvůli zvýšenému množství živin. Na vysoce rizikových oblastech, jako jsou mokré půdy na svazích, může aplikovaná suspenze snadno odtékat. Výsledkem je ztráta čpavku, který znečišťuje povrchové vody, protože vytváří nedostatek kyslíku. Eroze půdy způsobená zhutňováním, která vede k úhynu mnoha druhů, je zodpovědná za pokles kvality stanovišť a tím i ztrátu druhů.
Podzemní vody
Další vliv mimo lokalitu lze pozorovat s ohledem na podzemní vody . Míra infiltrace travní půdy bez provozu je pětkrát vyšší než na půdě s intenzivním provozem. Důsledkem může být snížené doplňování podzemních vod . Zejména v sušších oblastech trpících nedostatkem zásob vody to představuje zásadní riziko. V regionech, kde „ podloží poskytuje značnou část vody, kterou plodiny potřebují ke splnění transpiračních požadavků“, často závislé na zemědělství, je toto nebezpečí zhutnění nejvíce přítomné.
Kromě toho je množství hnojiva použitého na zhutněných půdách větší, než mohou rostliny pojmout. Přebytek dusičnanů v půdě má tedy tendenci vyluhovat se do podzemních vod, což má za následek znečištění . Vzhledem k poklesu filtrační schopnosti půdy, mikrobiální rozklad z pesticidů je omezena i pesticidy jsou s větší pravděpodobností dostanou do spodní vody.
Metody identifikace
Zhutnění půdy lze identifikovat buď v terénu, v laboratoři nebo pomocí dálkového průzkumu. Abychom získali spolehlivá data a výsledky, je nutná kombinace různých metod, protože „neexistuje žádná univerzální univerzální metoda pro identifikaci kompaktních půd“.
V oboru
Jevy jako zamokření na povrchu nebo v podpovrchových vrstvách, viditelné snížení pórovitosti a změny struktury půdy, půdní vlhkosti a barvy půdy jsou indikátory zhutnění půdy v terénu. V horní půdě se díky zeslabenému provzdušňování může objevit modrošedá barva půdy a vůně sirovodíku. Zvýšení pevnosti půdy lze měřit penetrometrem, což je v podstatě zařízení pro měření odporu půdy. Dalším důležitým ukazatelem zhutnění půdy je samotná vegetace. Pomocí vzorů růstu plodin, bledých barev listů a růstu kořenů je možné vyvodit závěry o míře zhutnění. Zejména při pokusu identifikovat zhutnění půdy v terénu pomocí výše uvedených měření bylo považováno za zvláště důležité provést srovnání potenciálně zhutněné půdy a nekompaktní půdy poblíž.
V laboratoři
Sypná hustota půdy, distribuce velikosti pórů, propustnost pro vodu a relativní koeficient difúze zdánlivého plynu poskytují dobrý přehled o propustnosti půd pro vzduch a vodu, a tedy o stupni zhutnění. Jelikož jsou hrubé póry nejdůležitější pro infiltraci vody, výměnu plynu a transport, doporučuje se při měření pórovitosti a difuzního koeficientu se na ně zaměřit. Data získaná v laboratoři jsou spolehlivá, pokud bylo analyzováno určité množství vzorků. Proto je nutné shromáždit velké množství půdních vzorků po celém vzorku, který je předmětem zájmu.
Dálkový průzkum
Dálkové snímání pomáhá rozpoznat změny struktury půdy, růstu kořenů, kapacity akumulace vody a biologické aktivity. "Detekce těchto vlastností přímo na povrchu holé půdy nebo nepřímo vegetací vede k identifikaci tohoto typu degradace.". To je užitečné zejména pro velké oblasti. Jako prevence zhutňování půdy může dálkové snímání modelovat náchylnost půd zvážením struktury půdy, hodnoty svahu, vodního režimu a ekonomických faktorů, jako je typ zemědělství nebo používané stroje.
Omezení
Zhutnění půdy je často lokální a závisí na mnoha faktorech, které se mohou během několika čtverečních metrů lišit. Díky tomu je velmi těžké odhadnout náchylnost zemin ke zhutnění ve velkém měřítku. Protože metody dálkového průzkumu nejsou schopny přímo identifikovat zhutnění půdy, existují omezení identifikace, monitorování a kvantifikace, zejména v globálním měřítku. Výše uvedené identifikační metody jsou pro velké oblasti nedostačující, protože není možné získat dostatečně velký vzorek bez poškození půdy a udržení finančního přínosu na rozumné úrovni.
Vyhýbání se a zmírňování
Částečná obnova zhutněné půdy trvá několik desetiletí, a proto je nesmírně důležité přijmout aktivní opatření k regeneraci funkcí půdy. Protože zhutňování půdy je velmi obtížné identifikovat a zvrátit, je třeba věnovat zvláštní pozornost vyhýbání se a zmírňování.
Reakce veřejné politiky
Valné shromáždění OSN se dohodlo na společném boji proti degradaci půdy. Členské státy se zejména zavázaly „využívat a šířit moderní technologie pro sběr, přenos a hodnocení degradace půdy“.
Evropská unie řeší zhutňování půdy prostřednictvím sedmého akčního programu EU pro životní prostředí, který vstoupil v platnost v roce 2014. Uznává, že degradace půdy je vážnou výzvou, a uvádí, že do roku 2020 má být půda v celé Unii obhospodařována udržitelným způsobem.
Národní vlády regulovaly zemědělské postupy, aby zmírnily účinek zhutňování půdy. Například v Německu zemědělci působí podle federálního zákona o ochraně půdy. Zákon uvádí, že zemědělci mají povinnost předběžné opatrnosti vůči zhutňování půdy podle uznávaných osvědčených postupů. Osvědčené postupy se mohou případ od případu lišit a zahrnují různé biologické, chemické a technické metody.
Biologické metody
Zavádění hluboce zakořeněných rostlin je přirozeným způsobem regenerace zhutněných půd. Plodiny s hlubokým zakořeněním poskytují cykly zvlhčení a sušení vyvolané plodinou, které rozpraskají půdu, proniknutím kořenů rozbijí nepropustné vrstvy půdy a zvýší organickou hmotu [80]. Technika zaï popisuje systém výsadby jám, které se hloubí do chudé půdy. Tyto jámy o průměrném průměru 20–40 cm a hloubce 10–20 cm jsou naplněny organickou hmotou a poté vysety po prvním dešti sezóny. Tato technika šetří půdu, zachycuje vodu a postupně rehabilituje strukturu a zdraví podkladové půdy. Systematickým způsobem dlouhodobé regenerace degradované půdy (např. Zhutněné půdy) je transformace konvenčního zemědělství na agrolesnictví. Agrolesnické systémy se zaměřují na stabilizaci ročního výnosu a zdravou údržbu ekosystému kombinací pěstování plodin a stromů na stejném místě [81]
Chemické metody
Protože zhutňování půdy může vést ke sníženému růstu plodin, a tím ke snížení ekonomického výnosu, používání hnojiv, zejména dusíku a fosforu, se zvyšuje. Tato rostoucí poptávka způsobuje několik problémů. Fosfor se vyskytuje v mořských ložiscích, magmatických ložiskách nebo v guanu . Fosfor získaný z mořských ložisek obsahuje kadmium a uran. Oba prvky mohou mít toxické účinky na půdu, rostliny, a tedy i na lidi nebo zvířata jako spotřebitele.
Další příležitostí ke zvýšení úrodnosti půdy kromě používání minerálních hnojiv je vápnění. Vápněním by měla být zvýšena hladina pH a nasycení báze na úroveň vhodnější pro mikroorganismy a zejména zemní červy v ornici. Zvýšenou aktivitou půdní fauny by mělo být dosaženo uvolnění půdy a následné vyšší pórovitosti a zlepšené propustnosti vody a vzduchu.
Technické metody
Technické metody se zaměřují hlavně na snížení a kontrolu tlaku, který na půdu působí těžké stroje. Za prvé, myšlenkou řízeného kolového provozu je oddělení kolových drah a prostoru pro zakořenění rostlin. Očekává se zmenšení plochy zhutněné pneumatikami, což sníží negativní dopady na růst plodin. V některých oblastech byla zavedena technologie založená na GIS pro lepší monitorování a řízení dopravních cest.
Nízký tlak v pneumatikách je dalším způsobem, jak rozložit tlak působící na větší povrch a změkčit celkový tlak. Pro integrované řízení je doporučeno počítačově modelovat zranitelnost pěstebního dvora, aby se zabránilo jízdě po zranitelné půdě.
Žádné obdělávání půdy nemusí přispívat k lepšímu stavu půdy, protože šetří více vody než tradiční zpracování půdy, ale jelikož je obdělávání půdy přípravou plodin pro budoucí setí nebo výsadbu, žádné zpracování půdy nemusí ve všech případech přinést pozitivní výsledek. Uvolnění již zhutněných vrstev půdy hlubokým utržením může být prospěšné pro růst rostlin a stav půdy.