Глубина промерзания грунта в Подмосковье
Из данной статьи вы узнаете, что собою представляет понятие глубины промерзания грунта и почему его необходимо учитывать при проектировании фундаментов. Мы рассмотрим нормативные величины ГПГ для разных регионов России и узнаем, как определить фактическую и расчетную величину глубины промерзания почвы согласно действующим нормативам СНиП.
Оглавление:
Глубина промерзания грунта (ГПГ) — нормативное понятие, которое описывает среднестатистическую глубину, на которою почва промерзает в холодное время года.
Для расчета глубины промерзания берется среднестатистический показатель сезонного промерзания в конкретном регионе за последние 10 лет.
Рис. 1.0: Карта нормативной глубины промерзания почвы в разных регионах России
Уровень промерзания почвы — одна из основных величин, которые учитываются при проектировании фундаментов любого типа.
Важно учесть! Плитные и ленточные фундаменты, не обладающие достаточной глубиной заложения, отличаются чрезмерной подверженностью воздействиям морозного пучения почвы — они неустойчивы, подвержены деформациям и разрушениям.
Рис. 1.1: Характерный признак неправильно рассчитанной глубины заложение фундамента и, как следствие, повреждение здания под воздействием пучения грунта
Морозное пучение происходит в промерзших пластах почвы, пропитанных влагой. Грунтовые воды, при замерзании, склонны к увеличению своего объема на 2-9%, в результате такого расширения пропитанная водой почва начинает подниматься вверх и давить на фундамент здания, оказывая на него выталкивающее воздействие.
Важно! Чтобы избежать негативных влияний пучения, ленточные и плитные фундаменты должны закладываться ниже глубины промерзания почвы.
При таком расположении основание полностью лишено воздействия вертикальных сил пучения (выталкивающего давление почвы, находящейся под фундаментной лентой). Фундамент подвергается лишь касательному пучению (в результате трения стенок основания и боковых пластов пучинистой почвы), влияние которого можно устранить с помощью обустройства уплотняющей отсыпки по периметру стенок фундамента.
Рис 1.2: Схема промерзания участка застройки
Перед началом любого строительства, проводящегося на пучинистых грунтах, необходимо выяснить ГПГ в конкретном регионе, чтобы в дальнейшем иметь возможность подобрать оптимальную глубину заложения фундамента.
Внимание! Как неправильный расчет нагрузки на фундамент может привести к большим финансовым потерям: ссылка.
Глубина промерзания СНИП
ГПГ — величина, которую без наличия специального оборудования невозможно определить непосредственно перед началом строительства, поскольку ее расчеты требуют предварительного анализа конкретной местности на протяжении более чем 10-ти лет.
До недавнего времени основным документом, в котором были приведены данные о глубине промерзания грунта, являлся СНиП № 20101-82 «Климатология и геофизика строительства», и сопутствующие ему карты разных регионов Российской Федерации.
| Важное замечание! С недавних пор данный нормативный документ был разделен на две отдельные справки — СНИП № 20201-83 «Фундаменты зданий о сооружений» и СНИП № 2301-99 «Климатология строительства». |
В данный документах приведены среднестатистические показатели глубины промерзания почвы для конкретных регионов РФ, ознакомится с которыми вы можете в таблице 1.1
| Город | Сезонная глубина промерзания разных видов почвы (см) | ||
|---|---|---|---|
| Глиняный грунт и суглинок | Супеси и мелкие сухие пески | Крупные и гравелистые пески | |
| Ярославль | 143 | 174 | 186 |
| Архангельск | 156 | 190 | 204 |
| Челябинск | 173 | 211 | 226 |
| Вологда | 143 | 174 | 186 |
| Тюмень | 173 | 210 | 226 |
| Екатеринбург | 157 | 191 | 204 |
| Сургут | 222 | 270 | 290 |
| Казань | 143 | 175 | 187 |
| Саратов | 119 | 144 | 155 |
| Курск | 106 | 129 | 138 |
| Санкт-Петербург | 98 | 120 | 128 |
| Москва | 110 | 134 | 144 |
| Самара | 154 | 188 | 201 |
| Нижний Новгород | 145 | 176 | 189 |
| Рязань | 136 | 165 | 177 |
| Новосибирск | 183 | 223 | 239 |
| Ростов на Дону | 66 | 80 | 86 |
| Орел | 134 | 144 | |
| Псков | 97 | 118 | 127 |
| Пермь | 159 | 193 | 207 |
Таблица 1.
1: Нормативная глубина промерзания почвы в разных городах России
ГПГ зависит от двух основных факторов — среднестатистических минусовых температур в конкретных регионах и типа грунта.
Косвенным фактором, влияющим на ГПГ, является толщина снежного покрова, которым укрыт грунт — чем он толще, тем меньшей будет глубина промерзания. Стоит учитывать, что данные, указанные в нормативных таблицах СНИП, не учитывают толщину снежного покрова, поэтому фактическая величина ГПГ в регионе всегда будет меньшей, чем глубина, указанная в таблице 1.1.
Рис. 1.3: Схема зависимости ГПГ от толщины снежного покрова
Важное замечание! Всем домовладельцам, сталкивающимся с проблемой пучения почвы, стоит помнить о том, что они сами себе могут доставить дополнительных неприятностей, очищая снег и формируя сугробы возле стен дома.
Неравномерное пучение, которое происходит в местах, где почва обладает разной глубиной промерзания, крайне негативно сказывается на состоянии фундамента — из-за различных выталкивающих сил, воздействующих на фундаментную ленту, основание дома перекашивается, в результате чего возникают трещины на стенах и цоколе.
Глубина промерзания грунта в Подмосковье
Как свидетельствуют отзывы опытных строителей, свыше 80% грунтов в Москве и области представлены пучинистой почвой — суглинком, глиной, песками, супесями. При строительстве домов на таких грунтах крайне важно учитывать глубину их промерзания, поскольку фундамент, заложенный выше требуемого уровня, не будет обладать ожидаемой от него надежностью и долговечностью.
ГПГ в Подмосковье варьируется достаточно сильно — от 90 до 200 сантиметров. Такие колебания обусловлены разной плотностью грунтов — чем большая плотность, и чем выше уровень залегания грунтовых вод, тем сильнее будет промерзать почва.
Среднестатистической расчетной величиной ГПГ, учитываемой при строительстве зданий в Подмосковье, принято считать 140 сантиметров. Более детальные показатели для разных городов Подмосковья вы можете увидеть в таблице 1.
2.
| Город | Сезонная глубина промерзания почвы (см) |
|---|---|
| Дубна | 150 |
| Талдом | 130 |
| Сергиев Посад, Александров | 140 |
| Орехово-Зуево | 130 |
| Егорьевск | 130 |
| Коломна | 110 |
| Ступино | 120 |
| Серпухово | 100 |
| Обнинск | 110 |
| Балабаново | 110 |
| Можайск | 125 |
| Волоколамск | 120 |
| Клин, Солнечногорск | 120 |
| Звенигород, Истра | 110 |
| Наро-Фоминск | 125 |
| Чехов | 120 |
| Воскресенск | 110 |
| Павловский Посад, Ногинск, Пушкино | 110 |
| Дмитров | 140 |
| Пушкино, Щепково, Балашиха | 150 |
| Одинцово, Болицыно, Кубинка | 140 |
| Подольск, Домодедово, Люберцы | 100 |
| Железнодорожный | 110 |
| Мытища, Лобня | 140 |
Таблица 1.
2: Глубина промерзания грунта в Московской области
Внимание! Почему пучение способно разрушить ваше будущее строение:как обезопасить себя
Расчетная глубина промерзания грунта
Расчетная величина ГПГ, согласно нормативам СНИП, определяется по формуле: h = √M*k, в которой:
- М — сумма максимальных показателей минусовых температур в холодное время года;
- k — коэффициент, отличающийся для разных видов грунтов.
Величина коэффициента, использующегося в расчетной формуле, составляет:
- 0,23 — для глинистой почвы и суглинков;
- 0,28 — для пылеватой и мелкой песчаной почвы, супесей;
- 0,3 — для средне крупных гравелистых и крупных песков;
- 0,34 — для почвы с вкраплениями крупнообломочных горных пород.
Для примера, определим расчетную величину ГПГ для Вологды. Данные среднемесячных минусовых температур для этого города мы можем взять в документе СНИП № 2101. 99.
Для Вологды она составляет:
Из данной таблицы мы определяем значение M — для этого нам нужно суммировать показатели месяцев, обладающих минусовыми температурами.
- M = 11,6 + 10,7 + 5,4 + 2,9 + 7,9 = 38,5.
Теперь нам нужно извлечь квадратный корень из получившейся величины:
Что позволяет выполнить расчеты согласно основной формуле, учитывая коэффициент типа грунта, на котором будут выполняться строительные работы. Для примера используем коэффициент суглинистой почвы, он равен 0,23.
В результате мы получаем расчетную величину промерзания суглинистой почвы в Вологде равную 143 сантиметрам. Аналогичным образом расчеты выполняются для любых видов почв в других городах России.
Как определить реальную глубина промерзания грунта
Внимание! Фактические и нормативные показатели ГПГ всегда будут отличаться между собой из-за ряда сопутствующих факторов, таких как толщина снега и льда, которыми укрыт грунт.
Рис.
1.4: Нормативная глубина промерзания грунта в РФ (данные на 2006 год)
Для определения реальной глубины промерзания используется специальный прибор — мерзлотомер. Данное устройство представляет собою обсадную трубку, внутри которой размещен наполненный водой шланг с внутренними ограничителями передвижения льда. На шланг нанесена сантиметровая разметка.
Мерзлотомер погружается в грунт на глубину, равную фактической величине ГПГ (все измерения проводятся в холодное время года). Вода в трубке мерзлотомера превращается в лед на участке, где с прибором контактирует промерзшая почва.
Рис. 1.5: Фактическая глубина промерзания почвы в РФ
Спустя 10-12 часов после погружения устройства в почву шланг с водой изымается из обсадной трубки и по замершему участку воды определяется реальная глубина промерзания почвы.
Наши услуги
Услуги компании «Богатырь» это забивка свай и лидерное бурение. Мы имеем собственный автопарк бурильно-сваебойной техники и готовы поставлять сваи на объект с дальнейшим их погружением на строительной площадке.
Цены на забивку свай представлены на странице: цены на забивку свай. Для заказа работ по забивке железобетонных свай, оставьте заявочку.
Глубина промерзания грунта в Московской обл
Зимний период характеризуется промерзанием почв на определённую глубину, что сопровождается застыванием содержащейся в грунте воды, приводящим к расширению и увеличению объёма. Почва, увеличившаяся в объёме, оказывает воздействие на фундамент строения, что приводит к его сдвигам и нарушению естественного положения.Промерзание оказывает отрицательное воздействие, избежать которого можно заложив основание ниже уровня промерзания. Указанный показатель зависит от типа почвы (глина, песок, супесь) и климатической зоны (среднегодовые показатели температуры в конкретном регионе).
Определение уровня промерзания в соответствии с требованиями СНиП
Устанавливается глубина промерзания в соответствии с положениями СНиП 2.
02.01-83. Указывается, что нормативная глубина определяется исходя из средних показателей сезонного промерзания в конкретном регионе, выявленных в результате наблюдений проводимых в течение 10 лет. Внимание! Наблюдения проводятся на открытых, горизонтальных площадках очищенных от снежного покрова, при условии, что глубина залегания грунтовых вод, ниже уровня промерзания. Если многолетние наблюдения не проводились, то степень промерзания определяется посредством теплотехнических расчётов. Если работы проводятся в местности, где почва не промерзает больше чем на 2.5 метра, то для расчётов используется формула: dfn=d0 √Mt.
Расшифровка формулы:
Mt – коэффициент, сравнимый в численном выражении с абсолютными значениями средних минусовых температур в течение зимнего периода в конкретном регионе (если необходимые наблюдения не велись, то берутся данные гидрометеорологических станций, работающих в идентичных климатических зонах).
d0 – величина, равная уровню промерзания, характерному для конкретного типа почвы.
Согласно требованиями СНиП указанные величины, имеют следующие значения:
- глина (суглинки) – 0.23м;
- крупнообломочная почва – 0.34м;
- пески (супеси) – 0.28м;
- гравелистый песок – 0.30м.
Расшифровка формулы:
dfn – нормативная глубина степени промерзания почвы (указана в подпунктах 2.26 – 2.27 СНиП 2.02.01-83).
kh – коэффициент теплового режима здания, применимый для внешних фундаментов отапливаемых зданий (если работы ведутся с неотапливаемыми объектами, то kh=1.1).
Уровень промерзания почвы в Москве и Подмосковье
Уровень промерзания грунта в Подмосковье зависит от степени насыщения почвы влагой в конкретной местности. Указанный показатель является крайне вариабельным для данного региона и варьируется в пределах 0.
4 – 2 метра. Максимальные показатели характерны для районов с наиболее влажным и плотным грунтом, при условии, что будут иметь место крепкие и устойчивые морозы. Когда на участке рыхлая почва, а влага отсутствует, уровень промерзания будет крайне низким.Фактически в Московской области почва редко промерзает, более чем на метр. Можно ориентироваться на конкретные данные, приведённые для каждого из районов:
- Сергиев-Посад – 1.4м;
- Наро-Фоминск – 0.6 – 1м;
- Можайск – 0.6м;
- Волоколамск – 0.7 – 1.2м;
- Дубна – 1.5 – 2.1м;
- Подольск – 0.4м.
6).Непосредственно в Москве степень промерзания почвы варьируется в пределах 1.2 – 1.32 метра. Конкретные показатели следует рассчитывать исходя из типа почвы на конкретном участке и наблюдений, проводимых в течение длительного времени. Если пренебречь расчётами, то последствия для здания могут быть плачевными.
Полезные материалы
Усиление фундаментов
Достаточно часто в строительстве зданий и сооружений можно столкнуться с проблемой, когда фундамент находится в аварийном состоянии.
Какая глубина промерзания грунта в московской области — Postroyka-Dom.com
Такой параметр как глубина промерзания грунта в Московской области строители чаще всего принимают условно равным 120-140см но, тут нужно учесть, что данная глубина взята с расчетом максимально жестких погодных условий: высокого уровня грунтовых вод, сильных морозов, полного отсутствия снежного покрова.
На практике, показатели реальной глубины промерзания существенно ниже, чем прописано в нормативах, и чаще всего не превышают расстояния в один метр.
Кроме этого, важным моментом является то, что в зимний период, если в доме проживают на постоянной основе, грунт под постройкой нагревается, и расчетная глубина промерзания грунта может быть уменьшена на 15 — 20 %.
Показатели промерзания почвы могут быть уменьшены. Чтобы это осуществить, следует произвести утепление грунта вокруг постройки, путем обустройства специальной теплоизолирующей отмостки. Хороший утеплительный материал, ширина которого 1,5-2 метра, уложенный вокруг постройки, способен существенно снизить глубину замерзания почвы, вокруг фундамента постройки, и свести её к минимуму.
Показатели глубины промерзания почвы зависят, в первую очередь, от того, какого типа грунт характерен для данной местности: грунт глинистого типа не так промерзает как песчаный, по этой причине, в плане промерзания почвы глинистые грунты предпочтительнее.
Кроме этого, на глубину промерзания грунта влияют климатические условия, а если конкретнее, то среднегодовая температура: чем меньшие показатели она имеет, тем большей нормативной глубиной промерзания грунта обладает данная местность.
Mt является безразмерным коэффициентом, чтобы узнать его значение, нужно сложить абсолютные значения среднемесячных минусовых температур в зимний период в данной местности. Данные значения можно взять из СНиПов, используемых в таких отраслях как строительная климатология и геофизика. Более подробная информация в СНиП 2.02.01-83.
Программа для расчета глубина промерзания грунта в московской области
Скачать программу расчета
Видео как пользоваться программой расчета глубина промерзания:
Глубина промерзания грунта в Московской области
Таблица глубины промерзания грунта в МО
Глубина промерзания грунта – именно эта характеристика является лучшим подтверждением тезиса о зависимости результата усилий строительной компании от самых незначительных (на первый взгляд) факторов.
И действительно, с точки зрения большинства заказчиков строительных работ, эта характеристика может взволновать только любителей «дачных экспериментов» с экзотическими растениями. Но такое мнение ошибочно.В действительности, данный критерий относится к категории наиважнейших показателей, от значения которых будет зависеть сама возможность реализации строительных работ на конкретном участке. И окончательным подтверждением значимости этой характеристики служит упоминание критерия «глубина промерзания грунта» в отдельном разделе «Строительных нормативов и правил». Причем, такой чести удостаиваются далеко не все характеристики почвы.
Современные СНиП настаивают, как минимум, на взаимосвязи показателей сезонного промерзания грунта с глубиной заложения фундамента строения. Важность критерия « глубина промерзания грунта » для строительного дела определяется таким физическим процессом, как «пучение почвы». Суть этого явления состоит в изменении расчетного сопротивления и объема грунта под влиянием низких температур.
Ведь содержащаяся в почве вода под воздействием низких температур превращается в лед и увеличивается в объеме на 10 процентов. И под влиянием такого прироста объема при замерзании почвы происходит деформация пучения, выталкивающая фундамент из грунта, а при оттаивании – деформация, засасывающая основание строения в грунт.
И именно поэтому, те документы, где можно встретить упоминания о критерии глубина промерзания грунта – СНиП 2.02.01-83 от 1995 года и прочие справочники – настаивают на взаимосвязи данной характеристики (в сочетании с прочими определяющими факторами) с расчетной глубиной заложения фундамента. А это значит, что глубина промерзания почвы имеет непосредственное отношение к процессу составления сметы земляных и строительных работ «нулевого цикла».
При этом стоит учитывать, что по данным тех же СНиП, показатель промерзания грунта является переменой величиной, значение которой зависит и от вида почвы, и от климатических условий, и от уровня влажности грунта.
Например, глубина промерзания грунта в Московской области может колебаться в пределах от 1,2 до 2 метров. И максимальным влиянием на конечное значение обладает именно состав почвы. Так, по данным отчетов изыскательских групп, наименьшую глубину промерзания (1,2 метра) имеют суглинки и глины, а наибольшую (2 метра) – крупнообломочные грунты.
Причем, указанная глубина промерзания грунта в Московской области, определялась по довольно сложной методике, основанной на, как минимум, десятилетнем наблюдении за данным показателем. Для получения конечной цифры на ровном участке с глубиной залегания грунтовых вод ниже предполагаемой отметки промерзания, устанавливались особые приборы – мерзлотомеры, с которых снимались показания для расчета глубины промерзания. А сам результат основывался на усредненных данных по сезону.
Разумеется, далеко не каждая строительная компания решится на подобные исследования. Да и заказчик строительных работ не будет ждать результатов 10-летних изысканий.
Поэтому, большинство строителей пользуются особыми справочниками или картами, указывающими на расчетную глубину промерзания. А любители перестраховаться могут ориентироваться на «крайние» показатели из таких таблиц.
Например, по данным большинства справочников глубина промерзания грунта в Московской области не превышает двухметровой отметки, а это значит, что заглубленный на 2-2,5 метра фундамент будет гарантированно защищен от деформации пучения.
Впрочем, не стоит забывать и о том, что зависящая от коэффициента среднемесячных зимних температур, нормативная глубина промерзания грунта – СНиП настаивает именно на такой формулировке – оказывает сильнейшее влияние и на трудоемкость строительных работ. Поэтому, в большинстве случаев, строительные компании прибегают к комплексу мероприятий, позволяющих повлиять на количественное выражение данного показателя. Причем, почти всегда, данные мероприятия направлены на повышение теплостойкости самого грунта.
В завершении хочется отметить, что столь важный критерий, как глубина промерзания грунта – СНиП и прочие справочные или нормативные издания только подтверждают этот факт – разумеется, важен для процесса строительства, но относиться к этому показателю нужно «без фанатизма». В конце концов, как показывает практика, для определения заложения фундамента достаточно использовать даже усредненный показатель. Ведь конечная характеристика все равно изменится на 15-20 процентов после строительства на участке постоянно отапливаемого сооружения.
что оказывает влияние на этот показатель
Еще до начала строительства во время проектирования любых зданий и построек такой показатель, как глубина промерзания грунта, является очень важным. Он влияет на правильность расчетов в отношении закладки фундаментов любых сооружений. На промерзание грунта влияют климатические условия, которые в зимний период времени по-разному себя проявляют.
Большой интерес вызывают показатели замерзания земли в Московской области, где строительные работы ведутся наиболее активно за последние годы.
Величина глубины всегда связана с фундаментной конструкцией, поэтому ее важно знать точно, прежде чем начинать строительные работы.
Что может влиять на глубину замерзания почвы?
Вода в почве обязательно кристаллизуется в лед, с наступлением морозов. Объем грунта увеличивается , а когда это происходит, то грунт начинает сдавливать заложенный фундамент с очень большой силой. Он давит на него с силой, равной нескольким десяткам тонн. Если строить с нарушениями, не учитывать глубину промерзания, то в скором времени основание здания начнет подвергаться деформации, затем оно даст трещины и в скором времени может разрушиться. На такой важный показатель всегда влияют следующие факторы:
- Тип грунта — у глинистой почвы пористость выше, чем у песчаного, отчего он промерзает сильней.
- Климатические условия — на уровень промерзания будет влиять среднегодовая температура, чем она ниже, тем больше промерзает почва.
- Уровень грунтовых вод — высокий показатель грунтовых вод будет сильней влиять при замерзании на основание строения.
Строительные нормы и правила (СНиП)
Существует нормативно-правовая база для строительных инженеров, проектантов, архитекторов, частных застройщиков. Документация с картой промерзания грунта была разработана геологами, инженерами еще во времена Советского Союза.
Прошло много лет, но документ, правильно и грамотно составленный, успешно используется и в настоящее время. Указанные в нем требования и основные положения позволяют сделать правильный расчет, и возвести надежное строение. Глубина промерзания грунтов СНиП, согласно документам, зависит от таких условий:
- Назначение здания
- Особенности конструкции и общая нагрузка на фундамент
- Глубина, на которой планируется заложить инженерные коммуникации, а также глубина фундамента близкорасположенных зданий
- Рельеф зоны постройки существующей и планируемой
- Инженерно-геологические условия проектных работ
- Гидрогеологические условия местности под строительство
- Грунтовое промерзание в сезон холодов.
Глубина промерзания грунта в Московской области
Величина промерзания в Московской области колеблется в пределах от 60 см до 1 метра 80 см. Специалисты считают, что такая разница объясняется разной плотностью почвы. Когда грунт плотней, то в сильные морозы он больше промерзает. В почве, в которой больше влаги, уровень промерзания будет больше, чем в сухой. По СНиП средняя величина промерзания по Московской области — 1 метр 40 см. В эти данные были заложены жесткие погодные условия с большим уровнем грунтовых вод, без снега в зимний период и сильные морозы.
На самом деле глубина промерзания составляет максимум 1 метр, в крайне суровые зимы глубина может быть около 1,5 метра. Например, в Западной части Подмосковья глубина замерзания грунта будет примерно 65 см, а в остальных направлениях области до 75 см.
На глубину промерзания большое влияние оказывает тип почвы. Песчаная почва промерзает сильней, чем глинистая, поскольку она более плотная.
В Подмосковье в основном почва песчаная, суглинки, торфяники и супесь, крупнообломочные почвы, последние начинают промерзать уже при 0оС. Для песчаной почвы и супесей глубина будет составлять 132 см, а для глинистой и суглинистой почвы — 1 метр 20 см.
В настоящее время есть возможности для уменьшения глубины промерзания земли, если сделать утепление. С этой целью вокруг строения устанавливается теплоизоляционная отмостка. Хороший, качественный утеплитель, проложенный с шириной 1,5-2 метра вокруг строения поможет уменьшить эти показания промерзаний глубины земли, окружающей здание.
Глубина промерзания грунта по Ленинградской области
Почвенный покров этой области характеризуется большим разнообразием и сложностью. К основным почвообразующим породам нужно отнести глину, пески, торф и суглинки. Песчаный грунт слабо подвержен промерзанию. Песок имеет свойство уплотняться и хорошо пропускать через себя влагу. Глинистый грунт считается не самым лучшим для строительных работ.
Его глубина промерзания доходит до 1, 5 метра, а когда морозы сильные, держатся длительное время, то может промерзнуть глубже.
Суглинки и супеси — это в основном глина и песок, поэтому важно знать чего в такой почве больше. Глубина замерзания здесь также высокая. Торфяники представляют собой осушенные болота, поэтому они очень сильно промерзают. Средняя глубина промерзания в Ленинградской области составляет 120-130 см. На этот показатель влияет качество почвы, ландшафт местности и погодные условия.
Влияние состава почвы и глубины вод
В СНиП существует таблица, по ней можно увидеть информацию по замерзанию почвы каждого региона страны. Специалисты считают, что закладка фундамента должна быть ниже уровня промерзания грунта. Воспользовавшись специальной формулой, можно самостоятельно выполнить расчет. Для этого необходимо вывести сумму среднемесячных отрицательных температур, затем извлечь из полученной цифры квадратный корень и затем умножить на коэффициент определенного вида почвы.
- Глинистая почва и суглинок — 0,23
- Песок и супеси — 0,28
- Песок крупнозернистый — 0,3
- Крупнообломочный грунт — 0,34.
На промерзание оказывает большое влияние уровень осадков в виде снежного покрова и льда. Они являются хорошими теплоизоляторами и могут снизить глубину замерзания на 20-40% от максимального показателя.
Большое значение имеют грунтовые воды, поэтому строители часто делают дренаж или осушают почву. Когда уровень грунтовых вод становится меньше, то и глубина промерзания также уменьшается. Если не учитывать влияние грунтовых вод, то зимой и летом строения будут смещаться и подниматься, а это приведет к тому, что здание быстро деформируется, а затем разрушится.
Заключение
По типу грунта можно определить его проседание и пучинистость, последний термин означает способность грунта вспучиваться в период замерзания, когда так происходит, то фундамент здания выталкивается из земли.
Согласно СНиП фундамент необходимо закладывать на песчаном грунте на 10 см ниже глубины замерзания, для глинистых и суглинков на 25 см.
Глубина промерзания грунта в Москве и Московской области
Промерзание почвы – распространение в почве в холодный период года нулевой и отрицательной температур.
Глубина промерзания зависит от типа почвы, от теплоемкости, теплопроводности и влажности почвы, от обработки почвы, от толщины снежного покрова и наличия растительности, предохраняющих почву от сильного выхолаживания. Глубина промерзания является одним из самых важных параметров при определении глубины заложения фундамента, а значит нахождение этого коэффициента обязательно при любом строительстве.
Максимальная глубина промерзания грунта в Москве = 1.56 метра
Под «максимальной» подразумевается глубина промерзания при наихудших условиях — влажный скальный грунт не покрытый снегом на открытой местности.
Для глинистого грунта максимальное значение уменьшается в 1.47 раза, для песков — в 1,2, для гравия — в 1,1:- Суглинки и глины — 1,05 м
- Мелкий песок, супесь — 1,28 м.
- Крупный песок, гравий — 1,37 м.
Глубина промерзания ависит от суммы среднемесячных отрицательных температур, и рассчитывается по формуле:
H = √M*k, где М — сумма среднемесячных отрицательных температур за год, k — коэффициент по каждому из типов грунтов.
Значения нормативной глубины промерзания в Москве
Таблица нормативной глубины промерзания грунта по СП 131.13330.2018 (актуализация СНиП 23-01-99* «Строительная климатология»)
| Суглинки и глины | Песок мелкий, супесь | Песок крупный, гравелистый | Крупно обломочные грунты | |
| Москва | 1.05 м | 1.28 м | 1.37 м | 1. 56 м |
| Новомосковский АО | 1.15 | 1.4 | 1.5 | 1.7 |
| Троицкий АО | 1.18 | 1.44 | 1.54 | 1.74 |
Внимание. До недавнего времени для расчета глубины промерзания грунта использовался Свод правил СП 131.13330.2012 (СНиП 23-01-99*) утративший силу с 2020 года в связи признанием Приказа Минстроя России от 28.11.2018 N 763/пр, утвердившего новый Свод правил СП 131.13330.2018.
Таблица нормативной глубины промерзания грунта по СНиП 23-01-99 (устаревший)
| Суглинки и глины | Песок мелкий, супесь | Песок крупный, гравелистый | Крупно обломочные грунты |
| 1.11 м | 1.34 м | 1.44 м | 1.63 м |
Значения расчетной глубины промерзания в Москве при различных типах строения
Постройки значительно снижают глубину промерзания.
Так, при постоянном проживании в доме с полами по грунту, глубина промерзания грунта снижается почти в два раза.| Тип грунта | Расчетная глубина промерзания грунта (м) при среднесуточной температуре воздуха внутри помещения до | ||||
| 0º С | 5º С | 10º С | 15º С | 20º С и более | |
| Строения без подвалов с полами по грунту | |||||
| — глина и суглинок | 0.99 | 0.88 | 0.77 | 0.66 | 0.55 |
| — супесь, песок мелкий и пылеватый | 1.21 | 1.07 | 0.94 | 0.8 | 0.67 |
| — песок гравелистый, крупный и средней крупности | 1.29 | 1.15 | 1 | 0.86 | 0.72 |
| — крупнообломочные грунты | 1.46 | 1.3 | 1.14 | 0.98 | 0.81 |
| Строения без подвалов с полами по деревянным лагам | |||||
| — глина и суглинок | 1. 1 | 0.99 | 0.88 | 0.77 | 0.66 |
| — супесь, песок мелкий и пылеватый | 1.34 | 1.21 | 1.07 | 0.94 | 0.8 |
| — песок гравелистый, крупный и средней крупности | 1.44 | 1.29 | 1.15 | 1 | 0.86 |
| — крупнообломочные грунты | 1.63 | 1.46 | 1.3 | 1.14 | 0.98 |
| Строения без подвалов с полами по утепленному цокольному перекрытию | |||||
| — глина и суглинок | 1.1 | 1.1 | 0.99 | 0.88 | 0.77 |
| — супесь, песок мелкий и пылеватый | 1.34 | 1.34 | 1.21 | 1.07 | 0.94 |
| — песок гравелистый, крупный и средней крупности | 1.44 | 1.44 | 1.29 | 1.15 | 1 |
| — крупнообломочные грунты | 1.63 | 1.63 | 1.46 | 1.3 | 1.14 |
| Строения с подвалами или с техническими подпольями | |||||
| — глина и суглинок | 0. 88 | 0.77 | 0.66 | 0.55 | 0.44 |
| — супесь, песок мелкий и пылеватый | 1.07 | 0.94 | 0.8 | 0.67 | 0.54 |
| — песок гравелистый, крупный и средней крупности | 1.15 | 1 | 0.86 | 0.72 | 0.57 |
| — крупнообломочные грунты | 1.3 | 1.14 | 0.98 | 0.81 | 0.65 |
| Строения с неотапливаемыми помещениями | |||||
| — глина и суглинок | 1.21 | ||||
| — супесь, песок мелкий и пылеватый | 1.47 | ||||
| — песок гравелистый, крупный и средней крупности | 1.58 | ||||
| — крупнообломочные грунты | 1.79 | ||||
Под опорой, загруженной весом дома, грунт уплотняется и становится слабопучинистым. Если возведение фундамента и дома выполняется в один сезон, то глубину заложения фундамента на пучинистых грунтах можно уменьшить на 30-40 см.
относительно расчетной глубины промерзания. Этот прием используют в регионах с глубиной промерзания более 2х метров. Для дополнительного уменьшения глубины бурения, вокруг дома выполняют грунтовую подсыпку.
Температура грунта в Москве по месяцам
Для лучшего понимания как происходит промерзание и оттаивание грунтов можно ознакомиться с данными приведенными в книге «Справочник работника газовой промышленности» 1989 года. В таблице переведены средние значения температуры грунта по месяцам по данным вытяжных термометров на глубине 0,4 0,8 метра.| Таблица температур грунта в Москве по месяцам | |||
| Месяц | 80 сантиметров | 120 сантиметров | 160 см |
| Средняя | 7,7 °С | 8 °С | 8,3 °С |
| Январь | 1,4 °С | 2,7 °С | 3,8 °С |
| Февраль | 1,1 °С | 2,2 °С | 3,7 °С |
| Март | 0,8 °С | 1,8 °С | 2,6 °С |
| Апрель | 1,4 °С | 1,9 °С | 2,4 °С |
| Май | 7,8 °С | 6,4 °С | 5,6 °С |
| Июнь | 13,1 °С | 11,4 °С | 10,3 °С |
| Июль | 16,9 °С | 15,4 °С | 14 °С |
| Август | 17,6 °С | 17 °С | 16,1 °С |
| Сентябрь | 14,6 °С | 15,2 °С | 15,3 °С |
| Октябрь | 9,7 °С | 11,1 °С | 12,1 °С |
| Ноябрь | 5,1 °С | 7 °С | 8,5 °С |
| Декабрь | 2,5 °С | 4,1 °С | 5,5 °С |
Средняя температура почвы в Московской области в зависимости от глубины
Средняя многолетняя температура почвы на глубинах (по вытяжным термометрам) по СП 20.
13330.2016 (Приложение Г, таблица Г.1).| Средняя температура почвы в Московской области в зависимости от глубины | |||||
| t, °C на глубине 0,8 м | t, °C на глубине 1,6 м | t, °C на глубине 3,2 м | |||
| tmax | tmin | tmax | tmin | tmax | tmin |
| 15,4 | 0,6 | 13,3 | 1,8 | 11,2 | 3,8 |
показатели глубины и температуры, СНиП и карты
Перед началом любого строительства необходимо учитывать глубину, на которую способен промёрзнуть грунт. На такой показатель значительно влияет климатическая среда, проявляющая себя по-разному в зимний период.
Интерес специалистов вызывает глубина промерзания грунта в Московской области, где на протяжении последних лет ведутся довольно активные и многочисленные строительные работы.
Глубина промерзания грунта зависит от температуры в регионеПриродные факторы
Степень глубины всегда соотносится с конструкцией фундамента и её значение необходимо знать абсолютно точно, прежде чем приступать к процессу строительства. С приходом морозов находящаяся в земле вода неминуемо преобразуется в лёд. В связи с увеличением объёма грунта он начинает усиленно сдавливать фундамент.
Если это не учитывается при возведении здания, то основание строения вскоре станет деформироваться, давать трещины, а впоследствии может полностью разрушиться.
В этом видео показана реальная глубина промерзания грунта в зимнее время:
Уровень этого показателя в любой природной зоне зависит от следующих факторов:
- Типа грунта. Глинистая почва является более пористой, по сравнению с песчаной, такой грунт промерзает сильнее.
- Условий местного климата. При достаточно низкой среднегодовой температуре воздуха почва подвергается более значительному воздействию минусовых температур.
- Уровня грунтовых вод. Если этот показатель является высоким, он оказывает немалое влияние на основание здания при замерзании почвы.
Глинистая почва является более пористой, по сравнению с песчаной, такой грунт промерзает сильнее.Правила и нормы
Инженеры, архитекторы, проектировщики, труд которых связан со строительством зданий, в обязательном порядке используют для работы соответствующую нормативно-правовую базу. Документация, включающая в себя и карту промерзания почв, была разработана ещё советскими специалистами несколько десятилетий назад.
Эти правила повсюду применяются и сегодня. С помощью его требований и основных положений делаются правильные расчеты и возводятся действительно надёжные и долговечные строения.
Исходя из этих нормативных стандартов, известных под наименованием СНиП, степень промерзания грунта связана с определёнными параметрами:
- Назначением здания.
- Отличительными свойствами конструкции и ожидаемой нагрузкой на фундамент.
- Степенью глубины, где ожидается создание коммуникаций.
- Рельефом имеющейся зоны строительства, а также ожидаемой в дальнейшем.
- Содержанием воды в почве на территории, где будет производиться постройка.
- Уровнем промерзания в холодный период года.
Степень промерзания почвы
Уровень промерзания грунта в Московской области варьируется от 60 см до почти 2-метрового уровня. Профессионалы полагают, что столь существенная разница связана с различиями в плотности почвы. Там, где содержание влаги является более высоким, возможно и более значительное промерзание в сезон морозов.
Исходя из СНиП, средний уровень этого показателя в указанном регионе составляет 1,4 метра. При этом учитываются природные условия с высоким уровнем грунтовых вод, отсутствием снега зимой и довольно сильными морозами.
Для защиты фундамента от промерзания грунта следует произвести утеплениеНо в реальности глубина промерзания в Московской области обычно не превышает метра, во время наиболее суровой зимы этот параметр может достигать 1,5 метра. Имеет огромное значение тип почвы: более плотная песчаная земля обычно промерзает сильнее, если сравнивать с глинистой. На подмосковной территории глубина промерзания колеблется между уровнем в 1,2 и 1,32 метра.
Сегодня существуют возможности несколько уменьшить степень глубины промерзания земли. Для этой цели вокруг здания устанавливают отмостку теплоизоляционного характера.
В холодных регионах фундамент следует утеплять качественным утеплителем, иначе он будет поврежденВысококачественный утеплитель непременно поможет снизить показания промерзания почвы поблизости от строения.
На территории Ленинградской области встречается весьма разнообразный покров почвы.
Песчаный грунт промерзает несильно, тогда как глина не очень подходит для осуществления работ строительного плана. Глубина промерзания почвы в Московской области в таких случаях достигает 1,5 метра, а в ситуации сильных и долговременных морозов показатель может ещё увеличиться.
В ситуации супесей и суглинок уровень промерзания также достаточно высок. Необходимо тщательно изучить почву на конкретном участке, прежде чем приступать к возведению строения. В Ленинградской области этот параметр удерживается в границах от 1,2 до 1,3 метра.
Воды и почвенный состав
Из имеющейся в СНиП таблицы нетрудно сделать выводы о степени замерзания грунта в любом регионе. В соответствии с правилами, фундамент должен быть заложен на более низком уровне, по сравнению с промерзанием грунта, расчёт можно осуществить на основании особой формулы.
На глубину промерзания грунта в Подмосковье также воздействует уровень осадков, образующих снежный и ледяной покров.
Они выступают в качестве отличных теплоизоляторов и снижают глубину промерзания в среднем на 30% от максимального для данной местности показателя.
Имеют немалое значение и грунтовые воды, в связи с чем нередко выполняются работы для осушения почвы либо дренаж. При более низком уровне грунтовых вод уменьшается и степень промерзания. Если не учитывать этот параметр, здание в летний и зимний период станет смещаться, в результате его ожидает быстрая деформация и полное разрушение.
Исходя из типа грунта, можно определить степень и точку его проседания и пучинистости, то есть способности вспучиваться при замерзании, когда фундамент выталкивается наружу из земли. В соответствии с правилами СНиП, основание будущего здания следует закладывать на почве песчаного плана и выполнять эти действия на 10 см ниже ожидаемой глубины промерзания. В случае других почв такой показатель может достигать 25 см.
Необходимо полностью учитывать все особенности почвы и понять, на сколько промерзает земля в Московской области, на которой планируется возводить строение.
В противном случае здание рискует быстро начать проседать, разрушаться и будет крайне недолговечным. Финансовые затраты и усилия, приложенные для его постройки, окажутся неоправданными и напрасными.
Почему в Подмосковье разная глубина промерзания?
Глубина промерзания почвы напрямую зависит от ее типа, климатических условий местности, влажности и прочего. Особенности и параметры учитываются при бурении скважин, строительстве и других видах хозяйственной деятельности.
Какова глубина сезонного промерзания почвы? На что влияет этот показатель?
Это случайная величина и не может быть постоянной. Это связано с тем, что одни факторы, влияющие на параметры, не меняются со временем (например, тип почвы, рельеф), а другие, наоборот, постоянно меняются (влажность почвы, высота снежного покрова, интенсивность и продолжительность снижения температура и др.). При строительстве зданий большое значение имеет глубина промерзания грунта. Сегодня Подмосковье активно застраивается.
От того, насколько глубоко промерзнет грунт, зависит глубина фундамента конструкции. При строительстве следует учитывать, что зимой (в случае постоянного проживания) участок под домом утепляется. За счет этого расчетная глубина промерзания почвы может быть уменьшена на пятнадцать-двадцать процентов. Обеспечить максимальное сохранение тепла почвы способна лента качественного утеплителя шириной от полутора до двух метров.Его укладывают по всему дому, создавая тем самым теплоизолирующую шторку.
Что вызывает разную глубину промерзания в Подмосковье?
Диапазон значений от 50 см до 1 м 80 см. Эту разницу специалисты объясняют разной плотностью грунта. Чем сильнее мороз и чем плотнее почва, тем сильнее промерзает земля. В насыщенном влагой грунте показатели будут выше, чем в сухом. Таким образом, среднее значение по Московской области отсутствует. Но есть нормативная глубина промерзания почвы.СНиП устанавливает следующее расчетное значение — 1 метр 40 см. Но надо сказать, что при его определении учитывались исключительно суровые климатические условия: высокий уровень грунтовых вод, сильный мороз, отсутствие снега.
На самом деле глубина промерзания почвы в Подмосковье отличается от существующих нормативов. Часто он не превышает одного метра. Если зима очень холодная, снега практически нет, то уровень может доходить до полутора метров. На западе Подмосковья почва промерзает примерно на 65 см, а на востоке, на севере, в южной части — до 75 см.
Влияние типа почвы
Глубина промерзания почвы в Московской области зависит от различных факторов. Один из них — тип почвы. Таким образом, песчаный грунт промерзает на большую глубину, чем глинистый. Это связано с тем, что глина более пористая, чем песок. Для Подмосковья характерны песчаные почвы, суглинки, крупнозернистые почвы, торфяные болота и супеси. Специалисты, учитывающие все факторы в комплексе, могут максимально точно определить уровень.Например, крупнозернистый грунт начинает промерзать при температуре 0 градусов. Для песков и супесей глубина промерзания составляет 132 сантиметра, для суглинистых и глинистых почв — 1,2 м.
Почему в Подмосковье разная глубина промерзания почвы?
Глубина промерзания почвы напрямую зависит от ее типа, климатических условий, влажности и прочего.
Особенности и параметры учитываются при бурении скважин, строительстве и других видах экономической деятельности.
Какова глубина сезонного промерзания почвы? На что влияет этот показатель?
Это случайная величина и не может быть постоянной. Это связано с тем, что одни факторы, влияющие на показатели, практически не меняются со временем (например, тип почвы, рельеф), а другие, наоборот, постоянно меняются (влажность почвы, высота снежного покрова, интенсивность и продолжительность понижения). температура и т. д.). При строительстве зданий большое значение имеет глубина промерзания грунта.Сейчас в Подмосковье ведется активное строительство. Глубина основания конструкции зависит от того, насколько глубоко промерзнет грунт. При строительстве следует учитывать, что в зимний период (при постоянном проживании) утепляется территория под домом. Благодаря этому расчетная глубина промерзания почвы может быть уменьшена на пятнадцать-двадцать процентов. Лента качественного утеплителя шириной от полутора до двух метров способна обеспечить максимальное сохранение тепла почвы.
Его укладывают по всему дому, создавая тем самым теплоизоляционную отмостку.
В чем причина разной глубины промерзания в Подмосковье?
Диапазон значений от 50 см до 1 м 80 см. Эту разницу специалисты объясняют разной плотностью грунта. Чем сильнее мороз и чем плотнее почва, тем сильнее промерзает земля. В почве, насыщенной влагой, показатели будут выше, чем в сухой. Таким образом, среднее значение для пригородов отсутствует.Но есть нормативная глубина промерзания почвы. СНиП устанавливает следующую расчетную величину — 1 метр 40 см. Но надо сказать, что при его определении были учтены крайне суровые климатические условия: высокий уровень грунтовых вод, сильный мороз, отсутствие снега. На самом деле глубина промерзания почвы в Подмосковье отличается от существующих нормативов. Часто он не превышает одного метра. Если зима очень холодная, снега практически нет, то уровень может доходить до полутора метров.На западе Подмосковья почва промерзает примерно на 65 см, а на востоке, севере и в южной части — до 75 см.
Эффект типа почвы
Глубина промерзания почвы в Московском регионе зависит от различных факторов. Один из них — тип почвы. Так, песчаный грунт промерзает на большую глубину, чем глина. Это потому, что глина более пористая, чем песок. Для окраин характерны песчаные почвы, суглинки, грубые почвы, торфяные болота и супеси. Специалисты могут определить уровень максимально точно, учитывая при расчетах все факторы, входящие в комплекс.Например, крупнозернистый грунт начинает промерзать при температуре от 0 градусов. Для песков и супесей глубина промерзания составляет 132 сантиметра, а для суглинистых и глинистых грунтов — 1,2 м.
(PDF) Динамика сезонного промерзания почв в Центральной России
253
Динамика сезонного промерзания почв в Центральной России
А. Маслаков, В. Гребенец, Д. Аблязина, Д. Шмелев, А. Радостева, В. Пастухова,
В. Антонов, А. Быковский, Г. Гаврилов, А. Горбатюк, Д.Манджиев, П. Мельник, А. Савелева,
А. Смирнов, Г.
Хмельницкий, А. Шпунтова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, географический факультет, Москва, Россия
Г. Краев
Центр экологии и продуктивности лесов , РАН
ДА Стрелецкий
Университет Джорджа Вашингтона, Вашингтон, округ Колумбия, США
Аннотация
Пространственные закономерности сезонного промерзания зависят от климатических условий, литологических свойств, условий теплообмена
на поверхности земли, структуры ландшафта и других факторов.Наблюдения показали, что сезонно-мерзлый слой
в Центральной России в основном подвержен icro микроклиматическим и наземным условиям. Исследования позволили
нам установить корреляцию. глубины промерзания и криогенные сооружения со структурой снежного покрова и с метеорологическими характеристиками
. Оценка динамики промерзания грунта позволяет прогнозировать развитие
деформаций, «связанных» с «криогенным» сдвигом, «улучшить» параметризацию »оценок« пружины »и«
».
для «включения» влияния «сезонного» замораживания на сельскохозяйственные и почвенные процессы.
Ключевые слова: криогенное пучение; пейзаж; Центральная Россия; литология; сезонное замораживание; снежный покров.
Введение
Сезонные заморозки происходят почти повсеместно в Центральной России. Он характеризуется переменной интенсивностью, пространственной неоднородностью и значительной временной изменчивостью.
Пространственные и временные закономерности сезонного промерзания
подвержены влиянию нескольких факторов, включая метеорологические,
климатические, геологические и ландшафтные условия, а также
антропогенные преобразования.Глубина сезонного промерзания —
, непосредственно отслеживается только в нескольких зональных метеорологических обсерваториях
. Однако обсерватории не выявляют влияния
различных географических комплексов, характерных для региона
, а также различий в снежном покрове и литологии.
Одной из основных задач современной криолитологии и гидрометеорологии
является определение реакции криосферы
на климатические изменения. Как один из элементов криосферы
, «сезонно» замороженный слой »также« отражает »
таких откликов.Он часто определяет развитие
географических комплексов, влияет на обмен газом
между почвой, растительностью и атмосферой, а
влияет на формирование микрорельефа, а также условия
стока с территории. Фенофазы растительного покрова
различны при разной глубине промерзания. Сезонное «промерзание» почвы
оказывает достаточно существенное влияние на
работу хозяйственных объектов.Таким образом, мониторинг
развития сезонно мерзлого слоя имеет практическое значение
для управления окружающей средой.
Методы исследования
Основными задачами 13-летнего мониторинга динамики сезонно-мерзлого слоя
в Центральной России
были выявление основных факторов, определяющих глубину
сезонного промерзания, и оценка вклад каждого фактора
в изменчивость сезонно мерзлого слоя в
различных ландшафтных и наземных условиях при различных метеорологических условиях
.
Полевые исследования проводились в зоне смешанных лесов
Средней России: в Калужской области,
Владимирской области и Московской области. Необходимые для анализа результатов метеорологические данныебыли получены на ближайших метеостанциях
.
Динамика сезонных промерзаний отслеживалась на
следующих территориях (рис. 1):
• Среднее течение реки Протва на территории
Полевая учебно-исследовательская база Сатино
Государственный университет Москвы (МГУ) зимой 1999–2003 гг .;
• Среднее течение реки Клязьмы в окрестностях
«Учебно-научная база» МСУ вблизи »
г. Петушки зимой 2003–2004 гг. ;
• Правый берег Москвы-реки в районе Звенигорода
Биологическая станция МГУ зимой 2004–2006 гг.,
2007–2009 и 2011–2012 гг .;
• Правый берег реки Оки в районе города
Пущино Московской области зимой
2006–2007;
• Берег Можайского водохранилища у д.
Красновидово зимой 2009–2010 гг.
Рисунок № 1. «Карта» области «полевых исследований»: № 1 – Сатино; № 2 –
Петушки; 3 — Звенигород; 4 — Пущино; 5 — Красновидово.
Оптимальная глубина промерзания почвы для смягчения последствий изменения климата в сельском хозяйстве холодных регионов
Йосуке Янаи
1 Центр сельскохозяйственных исследований Хоккайдо, НАРО, Мемуро, Хоккайдо, 082-0081, Япония
Юкиёси Ивата
92 Центр сельскохозяйственных исследований, НАРО, Мемуро, Хоккайдо, 082-0081, ЯпонияТомоёси Хирота
2 Центр сельскохозяйственных исследований Хоккайдо, НАРО, Саппоро, Хоккайдо 062-8555, Япония
1 Хоккайдо Центр сельскохозяйственных исследований , Мемуро, Хоккайдо, 082-0081, Япония
2 Центр сельскохозяйственных исследований Хоккайдо, НАРО, Саппоро, Хоккайдо 062-8555, Япония
* Нынешний адрес: Офис стратегического управления, штаб-квартира, Национальные исследования в области сельского хозяйства и пищевых продуктов Организация (НАРО), Цукуба, Ибараки 305-8517, Япония.
† Текущий адрес: Институт сельского строительства, НАРО, Цукуба, Ибараки 305-8609, Япония.
Поступила 4 мая 2016 г .; Принято 15 февраля 2017 г.
Это произведение находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons, если иное не указано в кредитной линии; если материал не включен в лицензию Creative Commons, пользователям необходимо получить разрешение от держателя лицензии на воспроизведение материала.Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите веб-сайт http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/Abstract
Для выращивания картофеля-добровольца использовалась борьба с заморозками почвы на фермах ( Solanum tuberosum L.) , серьезная проблема с сорняками, вызванная изменением климата на севере Японии. Для эффективного искоренения неубранных мелких клубней картофеля необходимо глубокое промерзание почвы; однако этот процесс может замедлить оттаивание почвы и увеличить ее увлажнение весной, тем самым задерживая начало сельскохозяйственной деятельности и увеличивая выбросы закиси азота из почвы.Напротив, развитие поверхностного промерзания почвы способствует перезимовке неубранных клубней картофеля и вымыванию нитратов с поверхности почвы из-за периодической инфильтрации талой воды. В этом исследовании мы синтезировали эксперименты по манипулированию снежным покровом на фермах, чтобы определить оптимальную глубину промерзания почвы, которая может уничтожить неубранные клубни картофеля, не влияя на начало сельскохозяйственной деятельности, при минимальном загрязнении азотом сельскохозяйственных земель. Оптимальная глубина промерзания почвы составила 0.28–0,33 м по годовой максимальной глубине промерзания почвы. Борьба с заморозками почвы — многообещающая практика смягчения воздействия изменения климата на сельское хозяйство в холодных регионах, которая была инициирована местными фермерами и в дальнейшем продвигается национальными и местными исследовательскими институтами.
Антропогенное изменение климата стало серьезной проблемой общества, и знания об эффективных адаптациях к изменению климата постепенно накапливаются в государственном и частном секторах сельского хозяйства во всем мире 1 .Например, в районе Токачи, крупнейшем районе выращивания картофеля ( Solanum tuberosum L.) в Японии, глубина промерзания почвы уменьшилась с конца 1980-х годов из-за изменения климата 2 . Установлено, что мелкое промерзание почвы способствует перезимовке неубранных мелких клубней картофеля 3 . Таким образом, картофель-добровольец стал серьезной проблемой, связанной с сорняками в системе местного севооборота и в производстве семян 3 , 4 . Чтобы решить эту проблему, местные фермеры в районе Токачи начали убирать снежный покров зимой, используя сельскохозяйственную технику, такую как тракторы и бульдозеры, чтобы повысить эффективность замораживания клубней картофеля.Однако отсутствие знаний и опыта иногда мешало контролировать глубину промерзания почвы 4 . Впоследствии национальный исследовательский институт в сотрудничестве с некоторыми местными научно-исследовательскими институтами разработал веб-систему поддержки принятия решений, которая помогла контролировать максимальную годовую глубину промерзания почвы (D max ). Эта система включает в себя (1) визуализацию в реальном времени суточной прогнозируемой глубины промерзания почвы с использованием математической модели для определения температуры почвы на произвольной глубине под снежным покровом 5 и (2) службу оповещения, предлагающую рекомендуемые сроки для проведения манипуляции со снежным покровом на каждом поле.Эта система предполагает, что для борьбы с заморозками почвы D max должен находиться в диапазоне от 0,3 до 0,4 м, чтобы гарантировать уничтожение картофеля с минимальными трудозатратами, затратами и рисками в сельском хозяйстве (см.) 3 . Таким образом, контроль глубины промерзания почвы с помощью научно обоснованного метода позволил выращивать картофель-добровольцев на площади в несколько десятков гектаров на каждое фермерское домохозяйство без использования агрохимикатов или тяжелого труда летом 4 . В настоящее время добровольное выращивание картофеля с использованием метода борьбы с заморозками почвы стало обычным явлением среди фермеров в районе Токачи и его окрестностях на востоке Хоккайдо на севере Японии.
Схема методики «борьбы с заморозками почвы на фермах» и концептуальная диаграмма, показывающая оптимальную глубину промерзания почвы для выращивания картофеля-добровольцев.
Считается, что в дополнение к добровольному выращиванию картофеля борьба с заморозками почвы оказывает множественное воздействие на сельское хозяйство в холодных регионах 6 . На протяжении веков считалось, что заморозки почвы оказывают неблагоприятное воздействие на сельское хозяйство, например, эрозию почвы в период таяния снега 7 , 8 и задержку начала сельскохозяйственной деятельности из-за чрезмерного увлажнения почвы в начале периода таяния снегов. весна.В последнее время возникают опасения относительно временно больших выбросов парникового газа (закиси азота) сразу после таяния снега во время таяния почвы 9 , 10 , 11 , 12 . Кроме того, известно, что талая вода немедленно проникает в почву, когда глубина промерзания почвы становится мельче 13 , 14 , 15 , что приводит к повышенному риску загрязнения воды из-за вымывания остаточных нитратов с поверхности почвы 16 , 17 .Эти события, вызванные изменением климата, предполагают, что необходимо определить новую оптимальную глубину промерзания почвы, чтобы избежать негативного воздействия на местное сельское хозяйство и окружающую среду. В этом исследовании мы проанализировали результаты, полученные в ходе полевых исследований, проведенных в районе Токачи, для оценки оптимальной глубины промерзания почвы. Подавление картофеля-добровольца рассматривалось как предполагаемый положительный эффект от борьбы с заморозками почвы, в то время как меньшее соотношение инфильтрации талой воды и повышенная потеря нитратов с поверхности почвы считались отрицательными эффектами.Поскольку большая часть (52%) мировых площадей выращивания картофеля расположена между 44 ° N и 58 ° N 18 , а регион Токачи расположен вокруг южной границы зоны, наши результаты могут помочь преодолеть проблему картофеля-добровольцев в этом регионе. картофелепроизводящие холодные регионы, избегая при этом негативных последствий.
Результаты
Среднее количество ростков картофеля весной ( λ ; ростки га −1 ) на полевом участке (таблица S1) было смоделировано с учетом количества клубней картофеля, оставшихся после осеннего сбора урожая ( несобранных). ; клубни га -1 ) и D max ( D max ; m) следующим образом:
Коэффициент всхожести картофеля, определяемый как изменился на 0.24 раза (= exp (-14,4 × 0,1)) на каждые 0,10 м увеличения D max (). Действительно, коэффициенты всхожести картофеля-добровольца при D max 0,20, 0,25, 0,30 и 0,35 м были 0,04, 0,02, 0,01 и <0,01 соответственно. Эти результаты показали, что текущая используемая глубина промерзания почвы (0,3–0,4 м) снижает коэффициент всхожести до неузнаваемого уровня (<0,01).
Параметризация соотношений между годовой максимальной глубиной промерзания почвы и ( a ) коэффициентом всхожести картофеля-добровольца, ( b ) коэффициентом инфильтрации талой воды в почву и ( c ) коэффициентом удержания нитратов на поверхности почвы .Сплошная линия указывает прогнозируемое значение с доверительным интервалом 95%. См. Также дополнительные таблицы 1, 2 и 3.
Среднее отношение ( q ; безразмерный) инфильтрации снеготаяния ( Inf ; мм) к общему количеству талой воды ( SnowMelt ; мм) на экспериментальной участок (дополнительная таблица 2) был смоделирован с учетом D max ( D max ; м):
Средние коэффициенты инфильтрации талой воды в почву при D max из 0.10, 0,20, 0,30, 0,40 и 0,50 м составляли 0,95, 0,80, 0,48, 0,16 и 0,04 соответственно, что указывает на заметное снижение между 0,20 и 0,40 м от D max (). D max , вызывающий половину степени инфильтрации, составлял от 0,29 до 0,30 м.
Ожидается, что задержка нитратов на поверхности почвы из-за развития глубокого промерзания почвы будет иметь аналогичную зависимость от степени инфильтрации талой воды, поскольку она хорошо растворяется в воде и будет переноситься в почвенном растворе.Однако мы обнаружили совершенно другую взаимосвязь 19 (). Среднее содержание нитратов в поверхностной (глубина 0–0,4 м) почве после таяния снега ( μ ; кг N га −1 ) было смоделировано с учетом D max ( D max ; м) и содержание нитратов в поверхностном слое почвы перед снегопадом ( AutumnN ; кг N га -1 ) на экспериментальном участке (Таблица S3) следующим образом:
Коэффициент удерживания нитратов, определенный как измененный в 1,45 раза (= exp (3.7 × 0,1)) на каждые 0,10 м увеличения D max . Действительно, средние (с доверительным интервалом 95%) коэффициенты удерживания нитратов при D max 0,10, 0,20, 0,30, 0,40 и 0,50 м составили 0,15 (0,08–0,23), 0,22 (0,13–0,31), 0,32. (0,19–0,44), 0,47 (0,24–0,69) и 0,67 (0,26–1,09) соответственно. D max , который вызывал половинное удержание нитратов на поверхности почвы, был оценен как 0,42 и глубже 0,32 м при рассмотрении среднего и 95% доверительного интервала соответственно.Эта высокая неопределенность коэффициента удержания нитратов в почве, вероятно, отражает большую пространственную изменчивость количества инфильтрации талого снега в зависимости от микрорельефа поверхности земли. Кроме того, измеренный и смоделированный коэффициент удерживания нитратов, превышающий 1,0, может свидетельствовать о наличии разряда нитратов. Можно предположить, что нитрификация происходит после таяния снега, когда при глубоком промерзании почвы легко высвобождаются разлагаемые органические вещества, такие как клеточные компоненты микробов 20 , поскольку замерзание почвы не оказывает значительного вреда нитрификаторам 21 .Измеренные профили содержания нитратов в почве до снегопада и после таяния снега, а также временные ряды средней суточной температуры воздуха, толщины снежного покрова и глубины промерзания почвы показаны на дополнительном рисунке 1.
С учетом результатов параметризации манипуляций со снежным покровом эксперименты, как показано выше, и результаты, полученные с учетом сельскохозяйственных / экологических последствий, был предложен оптимальный диапазон глубины промерзания почвы 0,28–0,33 м для D max следующим образом (). Нижний предел оптимума D max (0.28 м) было относительно легко определить, учитывая, что он позволяет эффективно управлять коэффициентом всхожести картофеля-добровольца на уровне 0,01 или меньше. В этом случае степень инфильтрации талой воды составляла 0,53, а степень удерживания нитратов составляла 0,42. Напротив, другой предел оптимального D max (0,33 м) было трудно обоснованно определить, потому что коэффициент удерживания нитратов имел большую неопределенность в ответ на D max . Кроме того, отсутствовали точные пороговые значения, чтобы избежать затопления талыми водами, эрозии почвы и задержки начала сельскохозяйственной деятельности в ответ на D max .Поэтому в настоящем исследовании мы предложили, чтобы предел D max был просто точкой пересечения, то есть 0,33 м (), что указывает на то, что D max уравновешивает эти два фактора, чтобы избежать заметного выщелачивания нитратов. В этом случае коэффициент инфильтрации талой воды составлял 0,35, а задержка нитратов составляла 0,51. Таким образом, мы предварительно, но количественно предложили оптимальный диапазон D max как 0,28–0,33 м, исходя из этих соображений, чтобы искоренить всход картофеля-добровольцев при одновременном контроле выщелачивания нитратов и инфильтрации талой воды.Дальнейшие последствия оптимального D max обсуждаются в следующем разделе.
Расчет оптимальной глубины промерзания почвы (0,28–0,33 м) в зависимости от соотношения всхожести картофеля-добровольца (красный цвет), инфильтрации талой воды (синий цвет) и удержания нитратов на поверхности почвы (фиолетовый цвет).Сплошные линии обозначают прогнозируемое значение с доверительным интервалом 95%.
Обсуждение
Предложенный диапазон оптимального значения D max (0,28–0,33 м) был относительно уже и мельче, чем ранее предложенное значение (0.3–0,4 м) 3 в связи с дополнительными соображениями о возможных неблагоприятных последствиях глубокого промерзания почвы для сельского хозяйства и окружающей среды. Более высокий коэффициент удержания нитратов за счет более глубокого промерзания почвы может быть интересной тенденцией, потому что борьба с заморозками почвы для выращивания картофеля-добровольца также может позволить уменьшить загрязнение грунтовых вод нитратами. Однако D max менее 0,35 м может быть предпочтительнее, чтобы не увеличивать риск временного увеличения выбросов парниковых газов (закиси азота) из почвы сразу после оттаивания почвы 9 , 22 (дополнительный рисунок 2).Кроме того, что важно, предлагаемый диапазон D max был определен нашими полевыми данными, которые в основном были получены на месторождениях Андисол. Поскольку Andisol характеризуется высокой проницаемостью, диапазон значений D max может быть аналогичен диапазону значений для других полей, например, с песчаной почвой. Напротив, почвы, имеющие более низкую проницаемость, могут иметь меньшую степень инфильтрации талой воды в почву, даже если D max значительно мельче. Меньшая степень инфильтрации талой воды в почву может обеспечить более высокий коэффициент удержания нитратов в поверхностном слое почвы.Следовательно, более глубокий предел оптимальной D max может быть менее 0,33 м, как определено в нашем исследовании (), в случае почв, имеющих более низкую водопроницаемость. Другими словами, предлагаемый нами оптимальный D max может быть применим в качестве эталона для достижения добровольной борьбы с картофелем с минимальным неблагоприятным воздействием на борьбу с заморозками почвы для различных типов почв. Если глубина D max составляет 0,28 м, и поля могут проникать в поверхностные воды талой воды, целевой показатель D max должен быть изменен на основе допустимого уровня всхожести картофеля-добровольца для отдельных фермеров.Таким образом, поддержание D max в оптимальном диапазоне может позволить адаптироваться и смягчить последствия изменения климата. Для расширенного применения мер по борьбе с заморозками почвы в качестве меры смягчения последствий изменения климата необходимы дальнейшие исследования для установления взаимосвязи между сезонной динамикой выбросов парниковых газов (закиси азота) и управлением почвами 23 .
Выращивание картофеля-добровольцев с помощью метода борьбы с заморозками почвы является многообещающей стратегией адаптации к изменению климата, которая была инициирована некоторыми местными фермерами и поддержана национальными и местными научно-исследовательскими институтами, и она получила широкое признание многих местных фермеров. и исследователи.Известно, что промерзание почвы в значительной степени сдерживается толстым снежным покровом, то есть D max можно оценить с помощью индекса промерзания (сумма среднесуточных температур воздуха за дни с температурой ниже 0 ° C до тех пор, пока толщина снежного покрова не станет 0,20. м и более) 2 . Таким образом, наша внутрихозяйственная борьба с заморозками почвы может быть применима в регионах, где температура воздуха значительно падает (средняя температура воздуха от −12 до −5 ° C в период с декабря по февраль) и сплошной снежный покров появляется в начале зимы, когда среднее количество осадков достигает от 50 до 150 мм с декабря по январь 3 .Поскольку принцип борьбы с заморозками почвы состоит в том, чтобы просто компенсировать теплоизоляционный эффект толстого снежного покрова, чтобы подвергать поверхность почвы воздействию холодного воздуха, это можно легко выполнить на большой площади в несколько десятков гектаров с использованием обычных сельскохозяйственных машин индивидуальные местные фермеры менее трудоемким и трудоемким образом 3 . То есть эффективность метода борьбы с заморозками почвы имеет определенные ограничения в зависимости от величины и скорости изменения климата 24 .Как упоминалось выше, если холодная зима сопровождается чрезвычайно короткими снегопадами, окружающий D max будет больше 0,33 м; Развитие глубокого промерзания почвы будет иметь неблагоприятные последствия, потому что глубину промерзания почвы невозможно контролировать без снежного покрова. Напротив, в случае теплой зимы промерзание почвы будет ограниченным и, следовательно, будет недостаточным для борьбы с картофелем-добровольцем. Однако сценарии изменения климата для региона Токачи 25 , 26 , т.е.е. средняя температура воздуха зимой изменяется от нынешней (-8 ° C) до конца 21-го -го века (2081–2100; -5 ° C), предполагают, что D max около 0,3 м может быть достигнуто 3 . Таким образом, оптимальный D max , определенный в настоящем исследовании, может способствовать улучшению и предоставлению большего количества возможностей для выполнения множественных и немедленных действий по адаптации в различных регионах и в разные периоды времени на голых полях, где собирают картофель. В дополнение к голым полям, метод борьбы с заморозками почвы и концепция оптимального D max могут применяться в условиях перезимовки, таких как поля, засеянные озимой пшеницей ( Triticum aestivum L.) 27 . Кроме того, метод борьбы с заморозками почвы может использоваться для предотвращения загрязнения грунтовых вод, способствуя тому, что нитраты почвы остаются на поверхностном слое 16 независимо от того, были ли поля засеяны картофелем или нет. Ученые из национальных и местных научно-исследовательских институтов должны предоставить научную основу для перспективной практики фермеров, чтобы разработать эффективные меры адаптации к изменениям климата в сельском хозяйстве, благоприятные для пользователей и окружающей среды.
Методы
Статистическое моделирование
Оптимальная глубина промерзания почвы была оценена путем повторного анализа опубликованных данных относительно коэффициента всхожести картофеля-добровольца и инфильтрации талой воды в почву; Кроме того, на ферме был проведен эксперимент по изменению снежного покрова для определения удержания нитратов на поверхности почвы из-за глубокого промерзания почвы. Для характеристики реакции на годовую максимальную глубину промерзания почвы (D max ) применялась обобщенная линейная модель (GLM) 28 .
Картофель-добровольец
Мы оценили опубликованные данные относительно D max ( D max ; м), количества неубранных клубней картофеля и проросших проростков, а также результирующего коэффициента всхожести картофеля-добровольца во время снежного покрова на ферме. манипуляционный эксперимент, проведенный на 4 объектах в районе Токачи в течение 2 лет (2010–11, 2011–12) 4 . Для статистического моделирования сообщенное количество оставшихся клубней картофеля после сбора урожая и появления всходов картофеля на единицу площади квадратного метра ( м 2 ) было умножено на 10000, а затем округлено до ближайшего целого числа для преобразования в единицу измерения. (ha -1 ) и до целочисленного значения (Таблица S1).Кроме того, год исследования и обработка снежного покрова на одном и том же поле рассматривались как отдельный участок исследования. Далее, поскольку клубень картофеля имеет 0, 1 или несколько проростков, т. Е. Не существует верхнего предела количества проросших проростков, мы предположили, что наблюдаемое изменение количества проростков картофеля на гектар ( Ростки ) следует распределению Пуассона. среднего λ (уравнение 4). Мы устанавливаем D max в качестве объясняющей переменной, а количество несобранных клубней картофеля на гектар ( Несобранных ) в качестве смещения в линейном предикторе.Впоследствии была применена функция лог-связи (уравнение 5). Коэффициенты в ур. 5 ( β s 0 , β s 1 ) были оценены с использованием функции «glm» программного пакета R 29 .
Инфильтрация талой воды
Мы повторно оценили опубликованные данные о взаимосвязи между D max ( D max ; м), количеством воды, проникшей в почву, и количеством талой воды во время манипуляций со снежным покровом. эксперимент на исследовательской станции Мемуро (Центр сельскохозяйственных исследований Хоккайдо, НАРО: 143 ° 05′E, 42 ° 53′N) в районе Токачи в течение более 4 лет (2005–06 30 , 2006–07 30 , 2007 –08 30 и 2008–09 15 ).В этих исследованиях глубину промерзания почвы контролировали путем снятия снежного покрова в начале зимы. Суммарный суточный нисходящий поток воды на глубине почвы 0,5 м в период таяния снега был задан как количество воды, проникшей в почву ( Inf ; мм). Аналогичным образом, кумулятивное уменьшение водного эквивалента снега в период таяния снега было установлено равным количеству талой воды ( SnowMelt ; мм). Эти значения немного отличались от опубликованных данных 15 , 30 , потому что они были округлены до ближайшего целого числа для преобразования в целое значение для статистического моделирования (таблица S2).Кроме того, год обучения рассматривался как отдельный участок исследования. Основываясь на том факте, что количество воды, просочившейся в почву, было не больше, чем количество талой воды, то есть данные Inf / SnowMelt находились в диапазоне от 0 до 1, мы предположили, что наблюдаемые изменения в Inf соответствуют биномиальному уравнению. распределение среднего q и верхнего предела SnowMelt (уравнение 6). Мы установили D max в качестве объясняющей переменной в линейном предикторе, а затем применили функцию логит-связи (ур.7). Коэффициенты ( β q 0 , β q 1 ) в уравнении. 7 были оценены с использованием функции «glm» программного пакета R 29 .
Удержание нитратов на поверхности почвы
Мы провели внутрихозяйственный эксперимент для оценки удержания нитратов в поверхности почвы после таяния снега на полях с различной годовой максимальной глубиной промерзания почвы ( D max ; м). Эксперимент по манипулированию снежным покровом проводился на двух экспериментальных полях исследовательской станции Мемуро.Тип почвы классифицируется как Andisols, полученный из вулканического пепла, который является основным типом почвы в районе Токачи. Содержание нитратов в почве на глубине 0–0,40 м (кг N га –1 ) до снегопада и после таяния снега было установлено на уровне Осенний N и Весной N , соответственно (Таблица S3). Для статистического моделирования год исследования и исследуемое экспериментальное поле рассматривались как независимый участок исследования. Далее, поскольку содержание нитратов является непрерывным значением и не должно иметь отрицательных значений, мы предположили, что вариации наблюдаемого содержания нитратов в поверхностной почве после таяния снега соответствуют гамма-распределению параметра формы s и параметра скорости r (уравнение .8), которые связаны со средним значением μ с s / r и дисперсией с s / r 2 . Согласно определению параметра дисперсии ϕ, эти параметры связаны с дисперсией с μ 2 ϕ; таким образом, s равно 1 / ϕ, а r равно 1 / ϕ μ . Мы устанавливаем D max в качестве объясняющей переменной и AutumnN в качестве члена смещения в линейном предикторе.Впоследствии функция логарифмической связи была применена к линейному предсказателю (уравнение 9). Параметры в ур. 8 ( с, r ) и коэффициенты в ур. 9 (β N 1 , β N 2 ) были оценены с использованием функции «glm» программного пакета R 29 .
Эксперимент на поле озимой пшеницы
В 2008 и 2009 годах озимая пшеница ( Triticum aestivum L.) выращивалась на экспериментальном поле, где было проверено влияние интенсивности обработки почвы на урожайность сельскохозяйственных культур и потоки парниковых газов в почве 9 .Базальные азотные удобрения вносились в количестве 60 кг N га -1 в соответствии с местными традиционными методами ведения сельского хозяйства. В период с декабря 2008 по март 2009 года регулирование толщины снежного покрова не производилось, т.е. обработка снежного покрова не проводилась на участках традиционной обработки почвы (CT) и уменьшенной обработки почвы (RT), которые имеют ширину 8 м с востока на запад и 48 м. протяженность с севера на юг (оба были размером 384 м 2 ). Эти участки находились на расстоянии 13 м друг от друга с востока (RT) на запад (CT).Глубина промерзания почвы измерялась один раз в неделю или чаще с использованием метода морозильной трубки 31 , и годовая максимальная глубина промерзания почвы (D max ) составила 0,12 м и 0,14 м на участках CT и RT, соответственно. (Таблица S3). В следующем 2009–2010 годах озимая пшеница выращивалась аналогичным образом, и эксперимент по манипулированию снежным покровом проводился поочередно для 3 участков уплотнения снежного покрова и контрольных участков; Каждый опытный участок имел размер 64 м 2 .Уплотнение снежного покрова производилось два раза в месяц в декабре 2009 г. и январе 2010 г. трактором 27 ; среднее значение D max для троек составляло 0,49 м и 0,47 м на участках обработки по сравнению с 0,05 м и 0,04 м на контрольных участках CT и RT, соответственно (Таблица S3). Для оценки содержания нитратов в поверхностном слое почвы до снегопада и после таяния снега с каждого участка отбирали пробы почвы с глубины 0–0,40 м с помощью ручного шнека с интервалами 0,10 м в середине декабря и начале мая.Хорошо перемешанные образцы свежей почвы встряхивали с 2 M раствора хлорида калия в течение 60 минут для извлечения нитрата, и его концентрацию в экстракте определяли с использованием метода медно-кадмиевого восстановления с использованием системы анализа потока (QuAAtro; SEAL Analytical. Gmbh, Нордерштедт, Германия). Среднее содержание нитратов в почве (мг N кг -1 сухой почвы) для почвы толщиной 0,10 м было преобразовано в единицу кг N га -1 путем отдельного определения зависящей от слоя объемной плотности, которая составила 0.77, 0,88 и 1,23 г см −3 для глубин 0–0,10, 0,10–0,30 и 0,30–0,40 м графика CT, соответственно, по сравнению с 0,76, 0,77 и 0,58 г см −3 для глубины 0–0,10, 0,10–0,20 и 0,20–0,40 м графика RT соответственно.
Эксперимент на кукурузном поле
На экспериментальном поле, расположенном к востоку от участка RT, кукуруза ( Zea mays L.) выращивалась летом 2009 года в соответствии с местной традиционной практикой. После сбора урожая в конце августа 50 кг N га -1 сульфата аммония было внесено с помощью разбрасывателя для улучшения разложения остатков кукурузы.Это поле (приблизительный размер 1 га) оставалось незащищенным в течение зимы и было разделено на две части для обработки (обработка снежного покрова) и контрольной (окружающий снежный покров) участка. Обработка уплотнения снежного покрова проводилась два раза в месяц в декабре 2009 г. и январе 2010 г. Среднее значение D max на контрольной и обработанной участках составило 0,03 м и 0,42 м соответственно. Образцы керна почвы были отобраны с каждого участка с глубины 0–1,0 м с помощью шнекового двигателя в конце ноября и начале апреля для оценки содержания нитратов в поверхностном слое почвы до снегопада и после таяния снега.Образец керна разрезали с интервалом 0,10 м в поле, и часть свежих образцов почвы встряхивали с 2 M раствора хлорида калия в течение 60 мин для извлечения нитрата. Концентрация нитратов в экстракте была определена, и среднее содержание нитратов в почве (мг N кг -1 сухой почвы) для почвы толщиной 0,10 м было преобразовано в единицу кг N га -1 , как описано выше. . Насыпная плотность контрольной и лечебной площадок была принята равной 0.83, 1,01, 0,95, 0,67, 0,91, 1,15, 1,12 и 1,10 г см −3 для 0–0,1, 0,1–0,2, 0,2–0,4, 0,4–0,5, 0,5–0,6, 0,6–0,7, 0,7– 0,8 и 0,8–1,0 м соответственно.
Дополнительная информация
Как цитировать эту статью: Yanai, Y. et al . Оптимальная глубина промерзания почвы для смягчения последствий изменения климата в сельском хозяйстве холодных регионов. Sci. Реп. 7 , 44860; DOI: 10,1038 / srep44860 (2017).
Примечание издателя: Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий на опубликованных картах и принадлежностей организаций.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке J.S.P.S. Номера грантов KAKENHI JP15K14831 (для T.H., Y.I. и Y.Y.), JP25292153 (для T.H. и Y.I.).
Сноски
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Вклад авторов Задумал и разработал эксперимент: Y.Y. Ю.И., Т.Х. Проведены эксперименты: Ю.Ю. и Ю.И. Проанализированы данные: Ю.Ю. и Т. Составили рукопись: Ю.Ю., Ю.И. и Т.
Ссылки
- IPCC.Резюме для политиков. В. Изменение климата 2014: воздействия, адаптация и уязвимость. Часть A: Глобальные и отраслевые аспекты. Вклад Рабочей группы II в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [ред. и др.] Издательство Кембриджского университета, Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, стр. 1–32 (2014). [Google Scholar]
- Хирота Т. и др. Уменьшение глубины промерзания почвы и ее связь с изменением климата в Токачи, Хоккайдо, Япония.J. Meteorol. Soc. Япония 84, 821–833 (2006). [Google Scholar]
- Хирота Т. и др. Борьба с заморозками почвы: Адаптация сельского хозяйства к изменчивости климата в холодном регионе Японии. Mitig. Адаптировать. Strateg. Glob. Чанг. 16. С. 791–802 (2011). [Google Scholar]
- Язаки Т. и др. Эффективное умерщвление клубней картофеля-добровольца ( Solanum tuberosum L.) с помощью борьбы с заморозками почвы с использованием агрометеорологической информации — адаптивная мера противодействия изменению климата в холодном регионе. Agric.Для. Meteorol. 182–183, 91–100 (2013). [Google Scholar]
- Hirota T., Pomeroy J. W., Granger R. J. и Maule C.P. Расширение метода восстановления силы для оценки температуры почвы на глубине и оценки мерзлых грунтов под снегом. J. Geophys. Res. Атмос. 107, 4767 (2002). [Google Scholar]
- Хаяси М. Зона холодной вадозы: гидрологическое и экологическое значение мерзлых почвенных процессов. Vadose Zo. J. 12, 2136 (2013). [Google Scholar]
- Лафлен Дж. М., Лейн Л.Дж. И Фостер Г. Р. WEPP: новое поколение технологии прогнозирования эрозии. J. Почвенные водные ресурсы. 46, 34–38 (1991). [Google Scholar]
- Лин К. Х. и МакКул Д. К. Моделирование глубины таяния снега и промерзания почвы на основе энергетического бюджета. Пер. ASABE 49, 1383–1394 (2006). [Google Scholar]
- Флесса Х., Дёрш П. и Биз Ф. Сезонные колебания потоков N 2 O и CH 4 в различных обрабатываемых пахотных почвах на юге Германии. J. Geophys. Res. 100, 23115–23124 (1995).[Google Scholar]
- Pennock D., Farrell R., Desjardins R., Pattey E. & MacPherson J. I. Масштабные измерения выбросов N 2 O при таянии снега с помощью камеры. Может. J. Почвоведение. 85, 113–125 (2001). [Google Scholar]
- Янаи Ю. и др. Накопление закиси азота и истощение запасов кислорода в сезонно мерзлых почвах на севере Японии — эксперименты по изменению снежного покрова. Soil Biol. Biochem. 43, 1779–1786 (2011). [Google Scholar]
- Кога Н., Цурута Х., Савамото Т., Нисимура С. и Яги К. N 2 Выбросы O и поглощение CH 4 на пахотных полях, управляемых с использованием традиционных и сокращенных систем обработки почвы в северной Японии. Global Biogeochem. Циклы 18, GB40205 (2004). [Google Scholar]
- Ивата Ю., Хаяси М. и Хирота Т. Сравнение инфильтрации снеготаяния при различных условиях промерзания почвы под влиянием снежного покрова. Vadose Zo. J. 7, 79–86 (2008). [Google Scholar]
- Ивата Ю., Хаяси М., Судзуки С., Хирота Т.И Хасегава С. Влияние снежного покрова на промерзание почвы, движение воды и инфильтрацию снега: эксперимент с парным участком. Водный ресурс. Res. 46, 1–11 (2010). [Google Scholar]
- Ивата Ю. и др. Влияние дождя, температуры воздуха и снежного покрова на последующую инфильтрацию весеннего таяния снега в тонкий слой мерзлой почвы на севере Японии. J. Hydrol. 2011. Т. 401. С. 165–176. [Google Scholar]
- Ивата Ю., Язаки Т., Сузуки С. и Хирота Т. Движение воды и нитратов на сельскохозяйственных полях с различной глубиной промерзания почвы: полевые эксперименты и численное моделирование.Аня. Glaciol. 54, 157–165 (2013). [Google Scholar]
- Ватанабэ К. и др. Инфильтрация воды в мерзлый грунт с одновременным таянием мерзлого слоя. Vadose Zo. J. 12, No. 1 (2013). [Google Scholar]
- Hijmans R.J. Глобальное распространение урожая картофеля. Являюсь. J. Pot Res. 78, 403–412 (2001). [Google Scholar]
- Батль-Агилар Дж., Кук П. Г. и Харрингтон Г. А. Сравнение гидравлических и химических методов определения гидравлической проводимости и скорости утечки в глинистых водоёмах.J. Hydrol. 532. С. 102–121 (2016). [Google Scholar]
- Янаи Ю., Тойота К. и Окадзаки М. Влияние последовательных циклов замораживания-оттаивания почвы на микробную биомассу почвы и потенциал разложения органических веществ в почвах. Почвоведение. Завод Нутр. 50, 821–829 (2004). [Google Scholar]
- Янаи Ю., Тойота К. и Окадзаки М. Влияние последовательных циклов замерзания-оттаивания почв на нитрификационный потенциал почв. Почвоведение. Завод Нутр. 50, 831–837 (2004). [Google Scholar]
- Янаи Ю. и другие.. Манипуляции со снежным покровом на сельскохозяйственных полях: как вариант уменьшения выбросов парниковых газов. Ecol. Res. 29. С. 535–545 (2014). [Google Scholar]
- Исидзима К., Накадзава Т. и Аоки С. Вариации концентрации закиси азота в атмосфере в северной и западной частях Тихого океана. Теллус Б 61, 408–415 (2009). [Google Scholar]
- IPCC. Limate Change 2014. Обобщающий отчет. Вклад рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата [под редакцией Core Writing Team, Пачаури Р.К. и Мейер Л. А.] МГЭИК, Женева, Швейцария, 151 стр. (2014).
- Курихара К. и др. Проекция климатических изменений над Японией из-за глобального потепления с помощью региональной климатической модели высокого разрешения в МРТ. СОЛА, 1, 97–100 (2005) [Google Scholar]
- Инацу М., Томинага Дж., Кацуяма Ю. и Хирота Т. Изменение глубины промерзания почвы на востоке Хоккайдо согласно климатическим сценариям +2 K-world. СОЛА, 12, 153–158 (2016). [Google Scholar]
- Шимода С., Язаки Т., Нишио З., Хамасаки Т. и Хирота Т.Возможна борьба с заморозками почвы за счет уплотнения снега на полях озимой пшеницы. J. Agric. Meteorol. 71, 276–281 (2015). [Google Scholar]
- Кубо Т. Введение в статистическое моделирование для анализа данных (на японском языке, оригинальное название переведено) (Iwanami Shoten, 2012).
- R Основная команда. R: Язык и среда для статистических вычислений http://www.r-project.org/ (2014) (дата обращения: 01.03.2016).
- Ивата Ю., Хасегава С., Судзуки С., Немото М. и Хирота Т. Влияние глубины промерзания почвы и температуры почвы на нисходящее движение воды в почве в период таяния снега.J. Japanese Soc. Почва Phys. 117, 11–21 (на японском языке с резюме на английском языке) (2011). [Google Scholar]
- Ивата Ю., Хирота Т., Сузуки Т. и Кувао К. Сравнение глубин промерзания и оттаивания почв, измеренных с помощью морозильных трубок и другими методами. Холодный Рег. Sci. Technol. 71, 111–117 (2012). [Google Scholar]
Междесятилетние изменения глубины промерзания и периода промерзания почвы в районе Трехречного источника в Китае с 1960 по 2014 год
На основе данных о глубине промерзания почвы, полученных 14 метеорологическими станциями в районе Трехречного источника В регионе (TRSR) в Китае в период с 1960 по 2014 гг. Были проанализированы тенденции глубины промерзания, первой даты, последней даты и продолжительности замерзания почвы, а также других метеорологических переменных, таких как температура воздуха, высота снежного покрова и осадки, наблюдавшиеся в те же локации.Результаты показали следующее. (1) Непрерывная, ускоренная тенденция к уменьшению глубины промерзания в TRSR возникла в периоды 1985–2014 и 2000–2014 годов по сравнению с периодом 1960–2014 годов. (2) Первая дата замораживания была отложена, а последняя дата замораживания значительно продвинута. Продвинутые тенденции в отношении замораживания последней даты были более значительными, чем отложенные тенденции в отношении замораживания первой даты. Продолжительность замораживания также ускорилась. (3) На глубину и период промерзания сильно влияли температура воздуха, индекс таяния и влажность почвы (осадки), но не снег.Глубина замораживания, первая дата замораживания, последняя дата замораживания и продолжительность также влияли друг на друга. (4) Ожидается, что эти тенденции к уменьшению глубины и продолжительности замерзания продолжатся, учитывая тенденции к повышению температуры воздуха и осадков в этом регионе.
1. Введение
Замерзшая почва является чувствительным индикатором изменения климата. Это сильно коррелирует с температурой воздуха [1–3]. Как наблюдения, так и моделирование показывают, что условия мерзлых почв в настоящее время быстро меняются в ответ на глобальное потепление.Температура почвы продолжала повышаться в течение последних нескольких десятилетий [1, 4, 5]; уменьшились площади вечной мерзлоты и сезонной мерзлоты [6–8]; активный слой стал намного толще [9–12]; изменились ландшафты [13–15]. Это ухудшение мерзлого грунта окажет глубокое влияние на энергетические и гидрологические циклы за счет ускорения разложения органического углерода в почве и увеличения выброса CO 2 из почвы в атмосферу, изменяя наземные экосистемы и тем самым создавая петлю положительной обратной связи. ведущие к дальнейшему изменению климата [16–21].
Глубина и период замерзания (включая дату начала замерзания, дату последнего замерзания и продолжительность) мерзлого грунта, на которые сильно влияют температура воздуха, снег, влажность почвы и растительность [22–26], являются важными показателями замерзания. почвенные условия. Их междесятилетние изменения, а также вариации климатических переменных в местном и региональном масштабах все еще относительно плохо изучены. Основным препятствием для понимания реакции мерзлого грунта на изменение климата, а также взаимодействия между почвой и атмосферой является отсутствие долгосрочных наблюдений.По этой причине другие климатические показатели, такие как температура почвы и минимальная температура воздуха, данные дистанционного зондирования и численное моделирование, используются для характеристики глубины промерзания и периода промерзания грунта. Frauenfeld et al. [27] применили метод линейной интерполяции для определения глубины изотермы 0 ° C на основе данных о температуре почвы, измеренных на глубине от 0,2 до 3,2 м, с использованием данных о среднемесячной температуре почвы, собранных между 1930 и 1990 годами с 242 станций, расположенных по всей России.Они обнаружили, что активный слой вечной мерзлоты увеличился на 20 см, а глубина сезонного мерзлого грунта уменьшилась на 34 см в период с 1956 по 1990 год. Anandhi et al. [28] и Wang et al. [25] рассчитали дату первого замораживания, дату последнего замораживания и продолжительность периода заморозков почвы на основе минимальных суточных температур воздуха в Канзасе, США и Китае. Все их результаты показали, что первая дата замораживания была отложена, а последняя дата была перенесена на период их исследования. Используя данные специального микроволнового датчика / тепловизора (SSMI) на Тибетском плато (TP), Li et al.[29] обнаружили тенденцию к более позднему началу замерзания почвы примерно на 10 дней и более ранней дате начала таяния почвы примерно на 14 дней в период 1988–2007 гг. В последнее время численное моделирование использовалось для исследования изменений в цикле замораживания-оттаивания приповерхностных слоев почвы в ответ на потепление на ТП с 1981 по 2010 гг. [24]. Подобные результаты были найдены и в другом месте. Однако следует отметить, что хотя изотерма 0 ° C и минимальная температура воздуха могут использоваться как оценка глубины промерзания и периода промерзания почвы; они не совпадают с «истинным» значением.В то время как данные дистанционного зондирования и численное моделирование могут анализировать пространственные вариации, долгосрочные трещины между десятилетними вариациями не могут быть показаны из-за нехватки данных.
Район истоков трех рек (TRSR) расположен там, где берут начало две самые длинные реки Китая, Янцзы и Желтая, и транснациональная река Меконг (называемая в Китае Ланканг). Он расположен на северо-востоке ТП, который представляет собой мозаичную переходную зону сезонной мерзлоты и прерывистой и сплошной вечной мерзлоты [30, 31].Этот регион особенно чувствителен к воздействиям изменения климата [4, 32–36]. Одно надежное наблюдение заключается в том, что температура воздуха в этом регионе повышалась в среднем на 0,32–0,36 ° C за десятилетие –1 за последние полвека (с 1960 по 2010 г.) [33, 35], в то время как средняя скорость составила определено, что оно будет даже больше, если измерять его за последние 35 лет (десятилетие 0,46 ° C −1 между 1980 и 2014 годами) [4]. Это потепление происходит быстрее, чем средние значения, наблюдавшиеся за тот же период времени на ТП и Китае [37–41].В этом исследовании мы использовали наблюдаемые данные о глубине промерзания почвы, полученные с метеорологических станций, для исследования междесятилетних изменений глубины и периода промерзания в TRSR с 1960 по 2014 гг. Используя данные 14 станций, мы проанализировали тенденции глубины промерзания и период замерзания (включая первую дату, последнюю дату и продолжительность) мерзлого грунта и изучил их взаимосвязь с температурой воздуха, индексом таяния, высотой снежного покрова и осадками, а также друг с другом.
2. Данные и методы
Основные данные, использованные в этом исследовании, включают наблюдаемую глубину промерзания почвы, температуру воздуха, высоту снежного покрова и количество осадков.Данные были доступны для 14 метеорологических станций, расположенных на всей территории TRSR (Рисунок 1). В том числе 11 метеостанций на 55 лет (с 1960 по 2014 г.) и три метеостанции на 30 лет (с 1980 по 2014 г.). Все данные собирались ежедневно на этих станциях, которые расположены в зоне сезонного мерзлого грунта. Список станций представлен в Таблице 1, а расположение станций показано на Рисунке 1. Глубина промерзания почвы измерялась один раз в день (08:00 по пекинскому времени) с использованием прибора для измерения мерзлого грунта, когда земля температура поверхности была ниже 0 ° C [42].Как правило, установка мерзлого грунта размещалась в естественном растительном покрове в поле наблюдения [42]. Покров наблюдательного поля на этих метеостанциях представлял собой типичный альпийский луг с высотой полога не более 0,20 м летом и не более 0,05 м зимой (рис. 2). Аппарат для мерзлого грунта состоял из двух основных труб: внешней и внутренней. Внутренняя трубка представляла собой резиновую трубку с чистой водой. Глубина промерзания грунта определялась глубиной промерзания воды во внутренней трубе [42].Максимальная глубина замерзания была выбрана из всех ежедневных данных о глубине замерзания для каждого года, чтобы представить годовую глубину замерзания. Данные были представлены, когда глубина промерзания превышала максимальный диапазон устройства для замерзания грунта в исходных данных. Глубина замерзания в этом году не была включена в это исследование. Высота снежного покрова измерялась один раз в день (08:00 по пекинскому времени) с использованием снежной шкалы, когда снежный покров составлял более 0,5. Данные основаны на среднем значении трех измерений [42]. Чтобы охватить весь период возможных событий замораживания, годовые значения первой даты замораживания, последней даты замораживания и продолжительности замораживания были рассчитаны для каждого года, начинающегося 1 сентября предыдущего года и заканчивающегося 31 августа текущего года. , когда глубина застывания не равнялась нулю.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||