Львівський національний університет імені Івана Франка

Ямелинець Тарас Степанович

УДК 631.445:631.43 (477)

Просторовий аналіз деградаційних процесів

сірих лісових ґрунтів західного лісостепу України

11.00.05 – біогеографія та географія ґрунтів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Львів – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Львівському національному університеті імені Івана Франка

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат географічних наук, доцент

Кіт Мирон Григорович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

кафедра ґрунтознавства і географії ґрунтів

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор

Кривульченко Анатолій Іванович,

Кіровоградський державний педагогічний університет

імені Володимира Винниченка,

завідувач кафедри географії та геоекології

кандидат географічних наук, доцент

Круглов Іван Станіславович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

кафедрf фізичної географії

Провідна установа: Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова,

кафедра ґрунтознавства і географії ґрунтів

Захист відбудеться 23 квітня 2004 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.08 у Львівському національному університеті імені Івана Франка (79000, м. Львів, вул. Дорошенка, 41, ауд. 26).

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка (79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 17).

Автореферат розісланий 23 березня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор географічних наук, професор Волошин І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Головною причиною виникнення та розвитку деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів та ґрунтового покриву західного лісостепу є посилення антропогенного навантаження на екосистеми. Неправильна організація сільськогосподарського використання території, відсутність сівозмін, застосування важкої ґрунтооброблювальної техніки, часті механізовані обробітки, надмірні чи недостатні дози мінеральних добрив, зменшення внесення органічних добрив негативно впливають на загальний стан ґрунтів та ґрунтового покриву, сприяють виникненню незворотних негативних змін у функціонуванні агроекосистем.

Ерозійна деградація ґрунту – глобальна загроза, яка у світових масштабах негативно впливає на забезпечення продуктами харчування та енергетичними ресурсами людства, на стан навколишнього середовища, особливо на якість водних ресурсів тощо. Ґрунти, у яких стійкі негативні процеси антропогенного чи природного характеру зумовили зниження їхньої продуктивності та врожаю сільськогосподарських культур, зростання витрат на відновлення їхньої родючості, відносять до деградованих.

Актуальність теми. Деградаційні процеси, які мають місце у межах західного лісостепу і призводять до суттєвого загострення екологічної ситуації та різкого зниження екологовідтворювальних і продуктивних функцій сірих лісових ґрунтів, потребують детального вивчення, спеціального моніторингу та розробки заходів із попередження і ліквідації цих негативних процесів.

Актуальність теми зумовлена тим, що відповідно до багаточисельних досліджень стан земельного покриву західного лісостепу оцінюють як близький до критичного. Понад 65% ґрунтів тою чи іншою мірою еродовані, щорічні втрати гумусу оцінюють у 2.3-2.4 т/га поряд зі зменшенням потужності гумусового горизонту на 0.8-1.0 см. Усе це зумовлює необхідність просторового аналізу деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів західного лісостепу та картування ареалів цих процесів за допомогою ГІС-технологій (ерозія площинна і лінійна, агрофізична, біохімічна та інші види деградацій).

Необхідним є застосування для оцінки ступеня ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів комплексу показників та критеріїв оцінки, серед яких виділяють як фактологічні, так і прогнозуючі види.

Проведені комплексні дослідження і розробка методики оцінки ступеня ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів, застосування ГІС-технологій у процесі визначення потенційних втрат ґрунтової маси є актуальними як у відношенні досліджуваної проблеми деградації ґрунтів, так і у використанні географічних інформаційних систем.

Отже, актуальність проблеми, її теоретичне і практичне значення визначили мету, завдання, предмет, об’єкт, методологію і методику, наукову новизну, практичну цінність проведених досліджень.

Об’єкт і предмет досліджень. Об’єктом досліджень є сірі лісові ґрунти західного лісостепу. Предметом досліджень є деградаційні процеси в сірих лісових ґрунтах західного лісостепу, зміна морфометрії, фізичних та фізико-хімічних властивостей цих ґрунтів під впливом сільськогосподарського освоєння; динаміка деяких сучасних ґрунтових процесів залежно від ступеня антропогенного навантаження.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Вибраний напрям відповідає концепції „Національної програми охорони земель” на 1996-2005 рр., тісно пов’язаний із кафедральною тематикою „Проблеми ґенези, географії і класифікації ґрунтів західного регіону України”. Результати досліджень використовуватимуть під час розробки практичних заходів відповідно до Закону України „Про охорону земель” науково-дослідними та проектно-пошуковими організаціями. Науково-методичні розробки дисертаційної роботи рекомендовані для використання під час встановлення закономірностей у формуванні та розвитку ерозійних процесів, негативній зміні головних властивостей ґрунтів, оцінці сучасного стану ґрунтів згідно з державною науково-технічною програмою „Родючість і охорона ґрунтів” на 2001-2005 рр.

Мета і завдання досліджень. Мета дисертаційної роботи --– оцінити інтенсивність та встановлення ареалів розвитку деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів у межах західного лісостепу, визначення кількісних та якісних показників та критеріїв деградації, розробка методики моніторингу земель, що перебувають у кризовому стані. Однією з головних цілей досліджень є використання основних можливостей ГІС-технологій у процесі вивчення деградаційних процесів та їх просторовому аналізі.

Завдання досліджень: оцінити особливості умов ґрунтоутворення західного лісостепу, ґенези сірих лісових ґрунтів, їхнє поширення; встановити регіональні особливості морфологічної будови, фізичних, фізико-хімічних властивостей сірих лісових ґрунтів західного лісостепу; провести оцінку характеру деградації досліджуваних ґрунтів за основними діагностичними критеріями та показниками; здійснити просторову оцінку ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів засобами ГІС-технологій; виділити та оцінити вплив комплексу геоморфологічних факторів на потенційну ерозійну небезпеку; встановити серед багаточисельних емпіричних ерозійних моделей ті, які найдоцільніше використовувати під час вивчення деградаційних процесів та розробити на основі однієї з них програмне ГІС-середовище для аналізу ерозійних втрат ґрунтів.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено напрям та інтенсивність змін морфогенетичних, фізичних, фізико-хімічних властивостей сірих лісових ґрунтів західного лісостепу України різного ступеня їхньої деградації. Запропоновано новий метод оцінки ступеня еродованості за забарвленням орних горизонтів ґрунту з використанням шкали Манселла (Munsell Soil Color Charts). Застосовано методи ГІС-аналізу у процесі вивчення ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів, розроблено та протестовано програмний ГІС-модуль для оцінки потенційних ерозійних втрат ґрунтової маси. Розроблено методику використання окремих ГІС-модулів для оцінки потенційної ерозійної небезпеки території за геоморфологічним фактором.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика дослідження ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів західного лісостепу доповнює існуючу методику дослідження деградаційних процесів ґрунтового покриву.

Систематизація важливих діагностичних показників та критеріїв деградації ґрунтів, розробка підходів до вивчення їх просторової варіабельності та візуалізація засобами геоінформаційних систем можуть бути використані під час проведення великомасштабних ґрунтових обстежень, бонітуванні і ґрунтово-екологічній оцінці, проведенні землеустрою та вибору раціонального землекористування, розробці системи заходів із попередження чи ліквідації деградаційних процесів тощо. Відповідно до розробленої методики визначення ступеня та ареалів ерозійної деградації ґрунтів західного лісостепу України легко встановити території, де треба насамперед впроваджувати контурно-меліоративну організацію території з метою сталого та екологічно збалансованого землекористування.

Створений програмний модуль на основі емпіричної ерозійної моделі характеризується доступністю у користуванні і може бути запропонований як один із максимально полегшених підходів, який не вимагає значних затрат часу та праці, для обчислення та візуалізації можливих проявів ерозійних процесів на певній території. Цей модуль може бути використаний у разі складання проектів землеустрою для нових землекористувачів і землевласників, Львівським державним науково-дослідним та проектно-пошуковим інститутом землеустрою, районними відділами земельних ресурсів для визначення екологічно небезпечних територій та земель, які потребують консервації, районними управліннями сільського господарства та системою агросервісу.

Особистий внесок здобувача: проведено польові та лабораторно-аналітичні дослідження морфологічних, фізичних, фізико-хімічних властивостей сірих лісових ґрунтів західного лісостепу, встановлено їхній ступінь деградації; адаптовано сучасні програмні ГІС-середовища до вимог ґрунтознавчої науки, зокрема, для дослідження ерозійних процесів у ґрунтах; опрацьовано картографічний матеріал засобами географічних інформаційних систем (векторизація, трансформування, геокодування, геостатистичний аналіз тощо); виконано математично-статистичну обробку результатів досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати наукових досліджень доповідали та обговорювали на Міжнародній науковій конференції „Ґенеза, географія та екологія ґрунтів” (Львів, 1999), Міжнародній науковій конференції „Геоінформаційні технології сьогодні” (Львів, 1999), науковій конференції студентів та аспірантів географічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка (Львів, 2000), Міжнародній науковій конференції, присвяченій 50-тиріччю кафедри геоморфології географічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка (Львів, 2001), Міжнародній науковій конференції „Екологічні проблеми басейнів транскордонних річок” (Луцьк, 2002), Міжнародний науковий семінар „Ґенеза, географія та екологія ґрунтів” (Львів, 2003), наукових конференціях професорсько-викладацького складу Львівського національного університету імені Івана Франка (1999-2003), що вказує на теоретичне і практичне значення отриманих результатів.

Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковано у семи наукових статтях, п’ять з яких у виданнях, рекомендованих ВАК України, які цілком відображають зміст дисертації.

Обсяг і структура роботи. Дисертаційна робота охоплює 157 сторінок тексту і складається зі вступу, п’яти розділів та висновків. Загальний обсяг дисертації – 226 сторінок. У роботі наведено 20 таблиць, 54 рисунки, 38 додатків, що містять 18 таблиць та 20 рисунків. Список використаних джерел складається зі 141 найменування.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Умови ґрунтоутворення

Дослідження умов ґрунтоутворення території західного лісостепу проводили шляхом аналізу та узагальнення багаточисельних літературних джерел. Зокрема, дослідження особливостей геологічної будови території західного лісостепу здійснювали із використанням матеріалів А. Архангельського (1948), П. Цися (1962), В. Бондарчука (1963), В. Кір’янова (1986). Особливості четвертинних відкладів вивчали на основі праць П. Заморія (1961), І. Рослого (1990), гідрогеології – А. Бабинця (1961), Ф. Руденка (1972), О. Штогрин, К. Гавриленка (1968). Кліматичні особливості подано за результатами досліджень Л. Данилова (1924), М. Андріанова (1951), К. Геренчука (1972), В. Бабиченко (1981). Дослідження рослинності – Ю. Шеляг-Сосонко (1979), А. Артюшенко, Р. Арап (1982), Г. Денисик (1998). Геоморфологічне районування західного лісостепу здійснене П. Цисем (1962), К. Геренчуком (1972). Дослідження особливостей ґрунтоутворення на території ключових ділянок проводились безпосередньо дисертантом.

Особливості ґенези та географії ґрунтів західного лісостепу

У структурі ґрунтового покриву західного лісостепу переважають сірі лісові та темно-сірі опідзолені суглинкові та легкосуглинкові ґрунти, поруч з якими, в трохи інших умовах ґрунтоутворення, сформувалися опідзолені та реградовані чорноземи, лучні та дернові ґрунти. Найбільші ареали поширення сірих лісових ґрунтів знаходяться в межах Розточчя, Гологоро-Кременецького горбогір’я, Придністровської та Опільської височин. Значні площі досліджуваних ґрунтів розташовані в межах північної частини Хмельницької лесової рівнини та Сокальсько-Торчинського і Луцько-Рівненського лесових пасмових піднять.

Ясно-сірі лісові ґрунти приурочені до сильно розчленованих випуклих схилів значної крутизни, де поширені еродовані відміни, а ясно-сірі оглеєні – до різного роду понижень, що характеризуються надмірним зволоженням. У межах вододілів і пологих схилів західного лісостепу загалом поширені сірі лісові та темно-сірі опідзолені ґрунти.

Згідно з результатами досліджень низки вчених зі всіх теорій ґенези сірих лісових ґрунтів найбільш прийнятною для території західного лісостепу вважають теорію Б. Ахтирцева, в якій вказано на спільну дію процесів опідзолення та лесиважу у процесі формування генетичного профілю досліджуваних ґрунтів.

Методика досліджень

Вивчаючи деградаційні процеси сірих лісових ґрунтів використовували порівняльно-географічний, профільний (морфо-генетичний), порівняльно-аналітичний методи, а також методи варіаційної статистики.

Під час вивчення деградаційних процесів використовувались наступні методи ГІС: картометричні операції, метод геостатистики, метод оверлейнового аналізу, аналіз географічних сіток, метод аналізу просторових змін, метод інтерполяції даних, метод аналізу рельєфу з використанням його цифрової моделі.

Вибрано три дослідні ділянки, а саме: в межах Опільської височини – перша дослідна ділянка, розташована на 600 м південніше від с. Черче Рогатинського р-ну Івано-Франківської обл. (рис. 1). Ділянка має прямокутну форму розміром 200 на 750 м. У геоморфологічному відношенні перша дослідна ділянка знаходиться у межах вододілу між правою притокою р. Гнила Липа – р. Струга та лівою притокою р. Дністер – р. Свірж. Друга дослідна ділянка розташована на 700 м північніше с.  Княже Сокальського р-ну Львівської обл. (див. рис. 1). У геоморфологічному відношенні ділянка знаходиться у межах вододілу між правими притоками р. Західний Буг – р. Спасівки та р. Залижня. Ділянка має трапецієподібну форму розміром 1700 на 700 м. Третя дослідна ділянка складається із двох частин: перша – прямокутної форми розміром 750 на 150 м розташована на 9 км північніше с. Великий Карабчіїв Городоцького р-ну Хмельницької обл.; друга – на 650 м західніше від цього самого села, прямокутної форми розміром 900 на 150 м (див. рис. 1). У геоморфологічному відношенні третя дослідна ділянка розташована у межах вододілу між лівими притоками р. Дністер – р. Смотрич та р. Тернава.

Дослідження здійснювали за квадратами. В центрі кожного квадрата відбирали зразки ґрунту для лабораторних аналізів, а морфологічні властивості визначали безпосередньо у польових умовах на відібраних буром зразках. Забарвлення генетичних горизонтів визначали за допомогою кольорової шкали Манселла. У межах кожної із дослідних ділянок закладали повнопрофільні розрізи.

Морфогенетичні властивості сірих лісових ґрунтів

Морфологічні властивості ґрунтів. Встановлено, що комплекс зовнішніх факторів впливає на внутрішню фаціальну диференціацію ґрунтового профілю у межах території дослідження. Специфіка морфологічної будови досліджуваних ґрунтів зумовлена субмеридіональними змінами комплексу елементарних ґрунтових процесів, які насамперед зумовлені відповідними змінами показників гідротермічних та орографічних умов формування цих ґрунтів. Для території зі спорадичним надмірним зволоженням добре виражені процеси лесиважу, оглинення, можливий періодичний розвиток явищ поверхневого оглеєння. У наслідок таких умов ґрунтоутворення у профілі досліджуваних ґрунтів слабо виражені іржаві плями оглеєння трапляються на глибині 70 см (середнє арифметичне цього показника становить майже 95 см). У східному напрямі зміна гідротермічних умов відображається у підвищеній біогенної акумуляції речовини, у менше вираженій диференціації за елювіально-ілювіальним типом, зменшенні процесів оглинення. У напрямі посилення аридності клімату збільшується інтенсивність темних тонів забарвлення гумусово-елювіального горизонту (НЕ).

Профіль ґрунтів на високих вододільних ділянках характеризується більшою глибиною та прогумусованістю. Для схилів характерними є ґрунтові відміни різного ступеня еродованості, які мають скорочений профіль та частково змінені морфологічні властивості. Характерним є відчутне коливання глибини лінії закипання від НСІ у межах досліджуваної території. В умовах періодично промивного режиму карбонати інтенсивно вилуговуються на значну глибину. Головно лінія закипання знаходиться під перехідним ілювіальним горизонтом (на глибині від 95 до 140 см). Основними формами карбонатних виділень є карбонатна плісень та псевдоміцелій. У західній частині території дослідження для сірих лісових ґрунтів характерними є ознаки сезонного атмосферного оглеєння, що зумовлює появу іржавих плям оглеєння з глибини 75-90 см. Зі зростанням аридизації в горизонті Іе (на глибині 54-60 см) з’являються залізисто-марганцеві колоїдні плівки (R2O3), плями оглеєння – з глибини 100 см і більше.

Під час освоєння сірих лісових ґрунтів характерним є розтягнення профілю, зміщення ілювіальної частини ґрунтового профілю донизу. Залежно від використання змінюється забарвлення верхнього горизонту: від сірого в цілинних ґрунтах до темно-сірого в розораних ґрунтах зі значним зростанням вмісту гумусу і сірувато-бурого в їх еродованих відмінах (де виорюється горизонт Ih).

Фізичні властивості ґрунтів. Вивчення характеру розподілу і кількісних співвідношень фракцій гранулометричних елементів дає змогу стверджувати про генетичну однотипність сірих лісових ґрунтів трьох дослідних ділянок. Зміна гідротермічних умов зумовила різну інтенсивність прояву внутрішньо-ґрунтових процесів, насамперед процесу лесиважу, інтенсивність якого зменшується із заходу на схід. Гранулометричний склад сірих лісових ґрунтів на прикладі трьох дослідних ділянок коливається від легко- до важкосуглинкового з відчутною перевагою грубопилуватої фракції (43-58

Досліджувані ґрунти відзначаються доброю мікрооструктуреністю. У складі мікроагрегатів переважають агрегати розміром 0.25-0.05 і 0.05-0.01 мм. Мікроструктура характеризується доброю міцністю, оскільки вміст активного мулу та фракцій менше 0.01 мм є низьким (8-23Величини фактору дисперсності за Качинським змінюються у профілі в діапазоні 10-17що також вказує на досить міцну мікроструктуру.

Тривале застосування важкої сільськогосподарської техніки, особливо на ґрунтах, які не досягли фізичної стиглості, і відповідно характеризуються незначним опором до механічного навантаження, зумовлює перегрупування в упаковці ґрунтової маси, що призводить до зростання щільності будови орних горизонтів (1.22-1.48 г/см3), зменшення показників загальної шпаруватості (49-50%) та шпаруватості аерації (40%) для орних та, особливо, підорних горизонтів сірих лісових ґрунтів. Такий негативний ефект посилюється і насиченням сівозмін просапними і зерновими культурами та низькою часткою в них багаторічних трав.

Фізико-хімічні властивості ґрунтів. Результати досліджень показують, що сірі лісові ґрунти західного лісостепу характеризуються невисоким вмістом гумусу в горизонті Не (1.70-2.08Встановлено, що зміни вмісту гумусу по трьох дослідних ділянках зумовлені, насамперед характером антропогенного навантаження на ґрунт, а не зміною гідротермічних умов. Дуже низькі значення вмісту гумусу характерні для ґрунтів колишніх колгоспних земель, де проходило значне відчуження органіки з урожаєм сільськогосподарських культур, що зумовило дефіцитний баланс гумусу. Високий вміст гумусу (3.36%) на території першої ключової ділянки (ґрунтовий розріз №1) пояснюється високою культурою ведення землеробства на присадибних ділянках.

Відношення С:N в гумусово-елювіальному горизонті досліджуваних ґрунтів порівняно стійке і коливається в межах 10.1-10.4. За показниками гумусного стану збагаченість гумусу азотом є зазвичай середньою і низькою.

У складі гумусу гумусово-елювіального горизонту досліджуваних ґрунтів незначну перевагу мають гумінові кислоти. Вміст фракції ГК-1 дуже низький та низький, а вміст гумінових кислот зв’язаних з кальцієм (ГК-2) та міцно зв’язаних кислот (ГК-3) є середнім. Серед фульвокислот переважають фракції ФК-1а+1 і ФК-3.

Для усіх досліджуваних ґрунтів величина рН-сольового орного горизонту Не становить 6.1-7.3, що характеризує реакцію ґрунтового розчину як близьку до нейтральної чи нейтральну, інколи слаболужну; пониження рівня кислотності для досліджуваних ґрунтів зумовлене насамперед господарською діяльністю людини, вапнування, внесенням лужних добрив, певним рівнем агротехніки. Прикладом є окультурений сірий лісовий ґрунт у межах дослідної ділянки №1, де величина рН-сольового сягає 7.3.

У складі увібраних основ досліджуваних ґрунтів істотно переважає катіон кальцію. Насиченість ґрунтового вбирного комплексу катіонами кальцію висока і його вміст для орного горизонту Не рідко є меншим 12.4 мекв/100 г ґрунту, у відсотках – 70-80

Просторовий аналіз деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів

Деградаційні процеси. Під деградацією ґрунту розуміють зміни у функціонуванні ґрунтової системи, у складі та будові твердої фази, регуляторній функції ґрунтів або ж зміни лише одного з вищевказаних компонентів, що є результатом відхилення від екологічної норми й погіршення параметрів, важливих для функціонування людини та біоти. Деградованими вважають ті ґрунти, в яких стійкі негативні процеси антропогенного чи природного характеру зумовили зниження родючості та підвищення якості врожаю і, відповідно, підвищення витрат на відновлення попереднього рівня виробництва. Першоосновою деградації ґрунтів досліджуваної території треба вважати водну ерозію (насамперед площинний змив), яка зумовлена тривалим використанням ґрунтів у сільськогосподарському виробництві з недотриманням протиерозійних заходів. Така деградація визначається як ерозійна. Негативні зміни, які проходять у ґрунтах внаслідок ерозійної деградації охоплюють, крім процесів деградації фізичних, також деградацію хімічних та біологічних властивостей ґрунтів.

Для характеристики ступеня деградації ґрунту використано комплекс показників та критеріїв оцінки. Серед фактологічних показників досліджено зменшення потужності ґрунтового профілю та ерозійні втрати ґрунтової маси, зменшення вмісту гумусу та його ерозійні втрати, ущільнення ґрунту, деградація структурного стану ґрунту (за вмістом агрономічно цінних агрегатів). Серед групи прогнозуючих показників – норма середньорічних ерозійних втрат ґрунту, обчислених за допомогою емпіричного модифікованого універсального рівняння оцінки ерозійних втрат ґрунту (RUSLE) з одночасним використанням ГІС-технологій.

Відповідно до нормативних показників (зменшення потужності генетичних горизонтів та зменшення вмісту гумусу) змиті відміни досліджуваних ґрунтів знаходяться у задовільному і передкризовому стані, потужність змитого шару досягає 30 см, вміст гумусу зменшується на 10-30

До основних діагностичних критеріїв, пов’язаних з ущільненням ґрунту, належать загальна шпаруватість та щільність будови. Відповідно до нормативних показників деградованості ґрунтів (величина щільності будови та загальна шпаруватість) усі досліджувані ґрунти характеризуються слабким та середнім ступенем деградації, що зумовлює незадовільну водопроникність ґрунту, сприяє інтенсифікації процесів площинного змиву навіть на схилах крутизною менше 3о.

Одним із важливих фактологічних показників ерозійної деградації ґрунтів є зменшення вмісту агрономічно цінних повітряно-сухих агрегатів розміром 0.25-10 мм. Дослідженнями з’ясовано, що для сірих лісових ґрунтів західного лісостепу властиві усі рівні цієї деградації: від слабкого до кризового. Заміна властивої для цілинних ґрунтів класичної дрібнозернистої структури на грудкувато-брилувату, значне руйнування агрономічно-цінних агрегатів під час використання важкої ґрунтооброблювальної техніки зумовило переважання сірих лісових ґрунтів з високим рівнем деградації їх структурного стану.

Дослідження негативних просторових змін окремих діагностичних властивостей та ознак ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів західного лісостепу проведені шляхом їх детального вивчення і аналізу на спеціальних дослідних ділянках з використанням сучасних методик та ГІС-технологій.

Просторова оцінка ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів. Після опрацювання низки наукових джерел (Л. Прасолов, 1939, Б. Ахтирцев, 1979, М. Заславський, 1979, 1983, Ю. Чендев, 1997, А. Фриз, 1999) та аналізу результатів досліджень на дослідних ділянках з метою просторової оцінки ерозійної деградації проведено вивчення тих діагностичних властивостей сірих лісових ґрунтів, за допомогою яких можна оцінити ступінь еродованості. Це такі властивості: забарвлення верхнього (переважно орного) горизонту ґрунту і глибина залягання нижньої границі горизонту Іе, вміст гумусу, рН-сольове і вміст фізичної глини у шарі ґрунту 0-20 см.

Базовою моделлю для вивчення всіх основних показників впливу на розвиток ерозійних процесів (крутизна, довжина, форма та експозиція схилу) вважають тривимірну цифрову модель рельєфу, створену засобами ArcView 3.2a та ArcGis .0. Створення тематичних картосхем за крутизною, формою та експозицією схилів дало можливість методами оверлейнового аналізу та геостатистики обчислити та візуалізувати картосхеми потенційної ерозійної небезпеки за геоморфологічними умовами території. На основі проведених досліджень отриманий діапазон значень кожної комірки (від 0 до 45 одиниць), розбитий на п’ять класів, з яких три останніх (10-45 одиниць) становляють найбільшу небезпеку внаслідок потенційно можливих проявів водної ерозії. Створені картосхеми визначають комплексну оцінку основних геоморфологічних чинників за ерозійною небезпекою та території, в межах яких можлива значна інтенсифікація процесів водної ерозії. До найбільш ерозійнонебезпечних за геоморфологічним фактором треба віднести дослідну ділянку №3а, що зумовлено переважанням у її межах схилів ерозійно небезпечної експозиції та значної крутизни. У межах інших дослідних ділянок ерозійно небезпечні схили носять локальний характер, зумовлені головно присутністю схилів значної крутизни (рис. ).

Аналіз фактичних польових та лабораторних даних окремих діагностичних критеріїв змитості сірих лісових ґрунтів дав можливість порівняти ці дані із картосхемами ерозійної небезпеки за геоморфологічним чинником (рис. ) та знайти пояснення ерозійним процесам, що мають місце у межах поданих дослідних ділянок.

Рис. 2. Комплексний вплив геоморфологічних особливостей території на ступінь її ерозійної небезпечності

Встановлені діагностичні властивості для кожної дослідної ділянки вивчалися за квадратами, що дало можливість інтерпретувати дані та здійснити у подальшому їхній просторовий аналіз засобами ГІС. Ступінь змитості сірих лісових ґрунтів найбільш обґрунтовано можна встановити за зміною вмісту гумусу в верхньому шарі ґрунту. Сірі лісові ґрунти в межах двох дослідних ділянок (№2 та №3а і 3б) характеризуються дефіцитним балансом гумусу. Більшу частину території цих ділянок займають ґрунти, втрати гумусу яких досягають 50%. Порівняно високий вміст гумусу в шарі ґрунту 0-20 см (2.0-4.0%) характерний для 80% території дослідної ділянки №1 (в межах Опільської височини), що пояснюється високою культурою ведення землеробства на присадибних ділянках (рис. 3). З’ясовано особливості просторових змін запасів гумусу в шарі найбільшої його концентрації 0-20 см.

Створено низку подібних тематичних картосхем для інших діагностичних ознак та властивостей. Інтенсивність ерозійних процесів та ступінь ерозійної деградації ґрунтів визначали за зменшенням потужності генетичного горизонту НЕ стосовно еталону. Характерним для всіх дослідних ділянок є те, що у передкризовому та кризовому стані (потужність змитого шару 35-40 см) знаходяться ґрунти, які розташовані на вузьких вододілах та схилах значної крутизни. Найбільш деградованим є ґрунтовий покрив дослідних ділянок №3а, 3б та №2 (східна частина), стан якого оцінюється від задовільного до кризового. Нормальний стан ґрунтового покриву характерний для дослідної ділянки №1 (змито до 5 см).

Риc. 3. Картосхема вмісту гумусу в шарі ґрунту 0-20 см

Встановлено тісний зв’язок просторової зміни ступеня еродованості сірих лісових ґрунтів із величиною рН, вмістом фізичної глини в шарі ґрунту 0-20 см і забарвленням верхнього горизонту. Так, ерозійні процеси суттєво знижують кислотність, на що вказує зростання величини рН-сольового в еродованих відмінах досліджуваних ґрунтів. Це зумовлено залученням в оранку менш кислих ілювіальних горизонтів та материнської породи. Виявлене зростання вмісту фізичної глини у верхньому горизонті сильнозмитих ґрунтів, зумовлене змивом гумусового горизонту НЕ і Іh та інтенсивним залученням в оранку важчого горизонту Іе.

Результати досліджень вказують на правомірність віднесення такої морфологічної ознаки як забарвлення до важливих діагностичних ознак ерозійної деградації ґрунтів. Розроблено методику визначення забарвлення з використанням шкали Манселла та подальшим опрацюванням і візуалізацією засобами ГІС. Так, для досліджуваних ґрунтів, що знаходяться в кризовому стані, тобто в яких змито до 35 см верхнього горизонту та вміст гумусу відносно еталону, зменшився на 20-50%, забарвлення орного горизонту за освітленістю та чистотою тону змінюється від сірувато-бурого (10YR5/2) до палево-бурого (10YR6/3). Це зумовлено приорюванням нижніх, світліших горизонтів ґрунту. Сірі лісові ґрунти, які за потужністю змитої товщі та зменшенням вмісту гумусу відносять до нормального та задовільного стану, характеризуються головно темно-сірувато-бурим (10YR3/2) та темно-бурим (10YR4/3) забарвленням орного горизонту.

Отже, результати польових і лабораторних досліджень та їхній аналіз засобами ГІС показали, що змив ґрунтів на території західного лісостепу перевищує допустимі норми, а інтенсивність ерозії може змінюватися від слабкої (дослідна ділянка №1) до катастрофічної (дослідна ділянка №3а). Втрати родючого шару ґрунту зумовлюють зниження врожайності сільськогосподарських культур. Так, згідно з багаточисельними дослідженнями, врожай на слабозмитих ґрунтах зменшується в середньому на 30%, на середньозмитих – на 40% і на сильнозмитих – на 60% в порівняно з незмитими ґрунтами. Тому, основними напрямами оптимізації властивостей та режимів сірих лісових ґрунтів західного лісостепу є покращання гумусного стану, фізичних властивостей, водно-повітряного режиму тощо. Досягнути позитивних результатів можна у разі застосування ефективних науково-обґрунтованих агротехнічних, меліоративних, агрономічних і протиерозійних заходів. Припинення процесів ерозійної деградації та застосування відповідного комплексу заходів для підвищення родючості сірих лісових ґрунтів повинні стати головною складовою регіональної програми охорони ґрунтів.

Розробка на основі емпіричного рівняння (RUSLE) програмного ГІС середовища для аналізу ерозійних втрат сірих лісових ґрунтів. Відібрано серед значної кількості емпіричних моделей змиву ґрунтів поверхневим стоком періодичних водних потоків найбільш універсальну. Це модифіковане універсальне рівняння оцінки ерозійних втрат ґрунту (Revised Universal Soil Loss Equation – RUSLE), яке відноситься до цифрових із середнім рівнем аналізу (grey-box) емпіричних моделей:

A=RЧKЧLЧSЧCЧP,

де: А – втрати ґрунту на одиницю площі (т/га), R – фактор опадів, К – фактор властивостей ґрунту, L – фактор довжини схилів, S – фактор крутизни схилів, С – фактор рослинного покриву, Р – фактор протиерозійних заходів.

Для цієї моделі, окрім вивчення вхідних та вихідних даних, визначено певні закономірності в роботі системи. Аналіз великої кількості літературних джерел дав змогу виділити найбільш оптимальні для природних умов України в цілому та західного лісостепу зокрема, формули та залежності. Під час визначення потенційних ерозійних втрат ґрунту використовувався зливовий ерозійний індекс (R-фактор), обчислений М. Заславським (1983). Для впровадження цієї емпіричної моделі (RUSLE) використано сучасні ГІС-технології. Так, застосування програмного продукту фірми ESRI ArcView 3.2a та ArcGis дало можливість розробити програмний модуль Erosion RUSLE для обчислення середньорічних втрат ґрунтової маси внаслідок водної ерозії.

Оцінка можливих втрат ґрунту засобами ГІС-модуля Erosion RUSLE. Програмний модуль є результатом повної інтеграції ГІС-пакету ArcView з моделлю процесу. Програмний модуль побудований за принципом послідовного внесення усіх факторів, необхідних для обчислення ерозійних втрат з територій різних за площею, природними умовами, сільськогосподарським використанням та певним комплексом протиерозійних заходів. Оболонка (інтерфейс) програми є доступною для користувача і, крім робочих вікон уведення та обробки даних, містить значну кількість допоміжної текстової та іншої візуальної інформації.

На прикладі дослідної ділянки №2 випробувано програмний модуль Erosion RUSLE. Результати польових та лабораторних аналізів для цієї дослідної ділянки дали змогу обчислити всі фактори, необхідні під час застосування емпіричної моделі RUSLE (рис. 4).

Рис. 4. Вхідні дані обчислення та візуалізації ерозійних втрат ґрунту в межах другої дослідної ділянки на основі модифікованого універсального рівняння RUSLE з використанням ГІС-технологій

Остаточним результатом програмного модуля є растрова Grid-тема величини втрат ґрунтової маси з цієї території в тоннах на гектар. Стандартна шкала, яка використовується для цієї теми, складена згідно з існуючими нормативами ерозійної деградації ґрунтового покриву, тому вона дає змогу, окрім визначення ступеня розвитку ерозійних процесів на певній території, встановити комплекс необхідних заходів для поліпшення екологічної ситуації. Побудовано картосхеми-сценарії можливих втрат ґрунтової маси в межах другої дослідної ділянки унаслідок різних типів сільськогосподарського використання (рис. 5). Картосхеми-сценарії наочно відображають необхідність впровадження ґрунтозахисної системи землеробства з контурно-меліоративною організацією території.

Рисунок 5. Картосхеми-сценарії потенційних втрат ґрунту внаслідок різних типів ведення сільського господарства

Сценарій 2 та 3 відображає максимально можливий діапазон значень і таким чином максимальне поле дій в межах концепції сталого землекористування. Дані створених сценаріїв дають підставу вважати окремі площі під ріллею проблемними ділянками. Так, завдяки сценарію №2, який обчислено для чорного пару, можна локалізувати ділянки, які чутливо реагують на ерозію.

Аналіз картосхем-сценаріїв дає підставу стверджувати про можливість ведення інтенсивного землеробства в межах рівнинної частини дослідної ділянки №2 та ґрунтозахисного землеробства – на схилах. На землях, що прилягають до гідрографічної сітки, доцільно створювати близькі до природних агрофітоценози із врахуванням еколого-технологічних груп земель. Впровадження так званого „сталого землекористування” („sustainable landuse”) поруч із врахуванням біологічних особливостей вирощуваних культур, характеру гідро-, лучно-, лісомеліоративних заходів дасть змогу уникнути небезпечних втрат ґрунту від водної ерозії (понад 2.5 т/га) та підвищити рентабельність рослинництва навіть за умови низького рівня ресурсозабезпеченості. Сценарій 3 наочно відображає необхідність розміщення на землях крутизною до 3о польових сівозмін із можливим максимальним насиченням просапними культурами. Перевагу треба надавати різноглибокій оранці із проведенням усіх агротехнічних робіт впоперек схилу чи контурно. На схилах крутизною 3-7о, де для чорного пару втрати ґрунтової маси досягають 17.5 т/га, необхідно застосовувати ґрунтозахисні технології, тобто різноглибокий відвальний та безвідвальний обробіток, мульчування, лункування, оранку впоперек схилу або контурно. Треба відмовитися від посіву просапних та технічних культур. Схили, де втрати ґрунту досягають катастрофічних масштабів (понад 17.5 т/га) і крутизна яких більше 7о, повинні підлягати залуженню багаторічними травами.

Сценарій 4 підтверджує істотне зниження потенційних втрат ґрунту під час водної ерозії за умови посіву багаторічних трав на ерозійнонебезпечних схилах крутизною понад о.

Отже, аналіз картосхем-сценаріїв показав, що основною умовою формування "сталого землекористування" є перерозподіл сільськогосподарських культур на певній території, тобто посіви культур з високою ґрунтозахисною ефективністю переносяться з рівнинної частини на схилові території, а їхнє місце повинні зайняти просапні, технічні та інші "ерозійнонебезпечні" культури, що зведе до мінімуму можливість прояву негативних процесів водної ерозії. Дані потенційної ерозійної небезпеки отримані, за допомогою програмного модуля Erosion RUSLE, можна використовувати під час парцелярного планування території в процесі приватизації земельних ділянок. Цей модуль дає змогу визначити максимально ефективні заходи внаслідок одночасного найменшого економічного та екологічного навантаження, підібрати оптимальний склад сівозмін для певної території, виділити ділянки, де необхідно провести консервацію земель.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вперше здійснено просторовий аналіз деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів західного лісостепу за допомогою ГІС-технологій. Розроблено нові шляхи вирішення важливої прикладної наукової та екологічної проблеми деградації сірих лісових ґрунтів, опрацьовано основні фактологічні та прогнозуючі діагностичні критерії та показники.

У процесі роботи детально досліджено особливості морфологічної будови, фізичні, фізико-хімічні властивості сірих лісових ґрунтів західного лісостепу, проведено просторову оцінку ерозійної деградації цих ґрунтів засобами ГІС-технологій та розроблено на основі модифікованого універсального рівняння оцінки ерозійних втрат ґрунту (Revised Universal Soil Loss Equation – RUSLE) програмного ГІС-модуля Erosion RUSLE. З метою встановлення причин деградації вивчено умови ґрунтоутворення західного лісостепу та генезу сірих лісових ґрунтів.

Основну увагу приділяли прикладному значенню досліджень, а саме: розроблено підходи до вивчення просторової варіабельності окремих деградаційних процесів сірих лісових ґрунтів західного лісостепу та візуалізації засобами геоінформаційних систем, здійснено систематизацію важливих діагностичних показників та критеріїв ерозійної деградації ґрунтів.

2. Вивчено морфогенетичні властивості сірих лісових ґрунтів західного лісостепу. Виявлено суттєві зміни у процесах ґрунтоутворення досліджуваних ґрунтів, які зумовлені їхнім інтенсивним сільськогосподарським використанням. Найчастіше такі зміни мають негативний характер, тобто призводять до зниження родючості та зменшення екологовідтворних функцій ґрунтів. З’ясовано, що кількісні показники будови профілю сірих лісових ґрунтів західного лісостепу не виходять за межі діапазону їхніх коливань на підзональному рівні. Виявлено, що у процесі освоєння сірих лісових ґрунтів характерним є розтягнення профілю, зміщення ілювіальної частини ґрунтового профілю донизу. Залежно від характеру ведення землеробства змінюється забарвлення верхнього горизонту: від сірого в цілинних ґрунтах до темно-сірого в розораних ґрунтах зі значним зростанням вмісту гумусу в одному випадку, і до сірувато-бурого кольору в еродованих відмінах (де виорюється горизонт Ih) в іншому.

Характер розподілу і кількісні співвідношення фракцій гранулометричних елементів дає змогу стверджувати про генетичну однотипність сірих лісових ґрунтів трьох дослідних ділянок. Доведено, що досліджувані ґрунти характеризуються високим потенціалом агрегації і навіть у разі тривалого їх розорювання у них наявні високі потенціальні можливості відтворення мікроструктури. Структурний стан для незмитих відмін досліджуваних ґрунтів вважають задовільним, інколи добрим, а для змитих – незадовільним. Виявлено відсутність істотної різниці у значеннях загальної шпаруватості для орних горизонтів ґрунтів різного ступеня змитості, що пояснюється насамперед агротехнікою вирощування сільськогосподарських культур, особливо просапних, а не зменшенням потужності гумусових горизонтів. Згідно зі шкалою якісної оцінки загальної шпаруватості, запропонованої Н. А. Качинським (1965), загальну шпаруватість оцінюють для орних горизонтів сірих лісових ґрунтів як незадовільну (40-50

Сірі лісові ґрунти західного лісостепу характеризуються порівняно низькими вмістом та запасами гумусу, середньою та низькою збагаченістю азотом, високою гуміфікацією органічної речовини, фульватно-гуматним типом гумусу. Для типу сірих лісових ґрунтів характерна підвищена кислотність, на величину якої насамперед впливає господарська діяльність людини.

У ґрунтовому вбирному комплексі сірих лісових ґрунтів західного лісостепу значну перевагу мають катіони кальцію та магнію.

3. Розроблено методику вивчення деградаційних процесів на ключових ділянках, яка полягає у розбивці цих ділянок на квадрати, в межах кожного з яких визначали необхідні показники та властивості для подальшого їх опрацювання засобами географічних інформаційних систем.

4. Проведений аналіз комплексу показників та критеріїв оцінки ступеня деградації сірих лісових ґрунтів показує, що досліджувані ґрунти характеризуються високим рівнем деградації. Насамперед це стосується ущільнення ґрунту та зменшення вмісту агрономічно-цінних агрегатів. За цими двома критеріями стан досліджуваних ґрунтів визначають як передкризовий та кризовий. Це зумовлено заміною властивої для цілинних ґрунтів класичної дрібнозернистої структури на грудкувато-брилувату, значним руйнуванням агрономічно-цінних агрегатів у сільськогосподарському використанні.

Згідно з нормативними показниками (зменшення потужності генетичних горизонтів та зменшення вмісту гумусу) змиті відміни досліджуваних ґрунтів знаходяться у задовільному і передкризовому стані, потужність змитого шару досягає 30 см, вміст гумусу зменшується на 10-30 %.

5. Під час вивчення ерозійної деградації сірих лісових ґрунтів західного лісостепу проведено аналіз тривимірної моделі рельєфу засобами ГІС. Засобами 3D Analyst та SpatialAnalyst у середовищі ArcGis для кожної із дослідних ділянок створено растрові моделі крутизни, експозиції та форм схилів. Застосування таких методів ГІС як оверлейновий аналіз, методу геостатистики та аналізу просторових змін дало змогу обчислити та візуалізувати картосхеми потенціально можливих проявів водної ерозії. Розроблено класифікацію з виділенням п’яти класів за величиною потенційної ерозійної небезпеки ґрунтів.

Здійснено порівняння обчисленої потенційної небезпеки виникнення ерозії для дослідних ділянок з даними фактичної змитості ґрунтів, отриманими унаслідок польових досліджень та лабораторних аналізів.

6. Відібрано шість основних фактологічних діагностичних ознак та властивостей деградації сірих лісових ґрунтів. Аналіз просторових особливостей зміни цих ознак здійснювали за допомогою ГІС-технологій.

Ступінь змитості сірих лісових ґрунтів найбільш обґрунтовано оцінюється за зміною вмісту гумусу в верхньому шарі ґрунту. Досліджено, що сірі лісові ґрунти в межах двох дослідних ділянок (№2 та №3а і 3б) характеризуються дефіцитним балансом гумусу. Більшу частину території цих ділянок займають ґрунти, втрати гумусу яких досягають 50Порівняно високий вміст гумусу в шарі ґрунту 0-20 см (2.0-4.0характерний для 80території дослідної ділянки №1 (в межах Опільської височини), що пояснюється високою культурою ведення землеробства на присадибних ділянках. Характерним для всіх дослідних ділянок є те, що у передкризовому та кризовому стані (потужність змитого шару 35-40 см) знаходяться ґрунти, які розташовані на вузьких ерозійнонебезпечних вододілах та схилах значної крутизни. Найбільш деградованим є ґрунтовий покрив дослідних ділянок №3а, 3б та №2 (східна частина), стан якого оцінюється від задовільного до кризового. Нормальний стан ґрунтового покриву характерний для дослідної ділянки №1 (змито до 5 см гумусового горизонту). Встановлено тісний зв’язок між ступенем еродованості сірих лісових ґрунтів та просторовою