На протяжении истории воздействие человеческого общества на почвенный покров непрерывно возрастало. В отдаленные времена бесчисленными стадами была сведена растительность и вытоптана дернина на обширной территории аридных ландшафтов. Дефляция (разрушение почв под действием ветра) довершила уничтожение почв. В более близкое время в результате бездренажного орошения десятки миллионов гектаров плодородных почв превратились в засоленные земли и соленые пустыни. В 20 в. большие площади высокоплодородных пойменных почв были затоплены или заболочены в результате строительства плотин и водохранилищ на крупных реках. Однако, как ни велики явления разрушения почв, это лишь небольшая часть результатов воздействия человеческого общества на почвенный покров Земли. Основной результат человеческого воздействия на почву – постепенное изменение процесса почвообразования, все более глубокое регулирование процессов круговорота химических элементов и трансформация энергии в почве.
Один из важнейших факторов почвообразования – растительность Мировой суши – подвергся глубочайшему изменению. За историческое время площадь лесов сократилась более чем вдвое. Обеспечивая развитие полезных ему растений, человек на значительной части суши заменил естественные биоценозы искусственными. Биомасса культурных растений (в отличие от естественной растительности) полностью не поступает в круговорот веществ в данном ландшафте. Значительная часть культурной растительности (до 80%) вывозится с места произрастания. Это приводит к истощению запасов в почве гумуса, азота , фосфора , калия, микроэлементов и в итоге к снижению плодородия почвы.
В отдаленные времена, в связи с избытком земли по отношению к небольшой численности населения, эта проблема решалась за счет того, что после снятия одного или нескольких урожаев обрабатываемый участок на долгое время оставлялся. С течением времени биогеохимическое равновесие в почве восстанавливалось и участок снова можно было обрабатывать.
В лесной полосе применялась подсечно-огневая система земледелия, при которой сжигался лес, а освобожденная площадь, обогащенная зольными элементами сожженной растительности, засевалась. После истощения обрабатываемый участок забрасывался и выжигался новый. Урожай при таком типе земледелии был обеспечен поступлением элементов минерального питания с золой, получаемой за счет сжигания древесной растительности на месте. Большие затраты труда на расчистку окупались очень высокими урожаями. Расчищенный участок использовался 1–3 года на песчаных почвах и до 5–8 лет на суглинистых, после чего его оставляли зарастать лесом или некоторое время использовали как сенокос или пастбище. Если после этого такой участок переставал подвергаться какому-либо воздействию со стороны человека (рубки, выпас скота), то в течение 40–80 лет (в центре и юге лесного пояса) гумусовый горизонт в нем восстанавливался. Для восстановления почв в условиях севера лесной зоны требовался в два-три раза более продолжительный период времени.
Воздействие подсечно-огневой системы приводило к обнажению почвы, увеличению поверхностного стока и эрозии почв, выравниванию микрорельефа, обеднению почвенной фауны. Хотя площадь обрабатываемых участков была сравнительно невелика, а цикл длился долго, за сотни и тысячи лет огромные территории были глубоко преобразованы подсекой. Известно, например, что в Финляндии за 18–19 вв. (т.е. за 200 лет) через подсеку прошло 85% территории.
На юге и в центре лесной зоны последствия подсечной системы особенно остро отразились на массивах песчаных почв, где коренные леса заменились специфическими лесами с господством сосны обыкновенной. Это привело к отступлению на юг северных границ ареалов широколиственных видов деревьев (ильма, липы, дуба и др.). На севере лесной зоны развитие домашнего оленеводства, сопровождаемое усиленным выжиганием лесов, привело к развитию зоны тундры из лесотундры или северной тайги, достигавших, судя по находкам крупных деревьев или их пней, берегов Северного Ледовитого Океана еще в 18–19 веке.
Таким образом, в лесном поясе земледелие привело к наиболее глубоким изменениям живого покрова и ландшафта в целом. Земледелие было, видимо, ведущим фактором широкого распространения в лесном поясе Восточной Европы подзолистых почв. Возможно, этот мощный фактор антропогенного преобразования природных экосистем оказал определенное влияние и на климат.
В степных условиях наиболее древними системами земледелия были залежная и переложная. При залежной системе использованные участки земли после истощения оставлялись на длительное время, при переложной на более короткое. Постепенно количество свободных земель уменьшалось, срок перелога (перерыва между посевами) все сокращался и, в конце концов, достиг одного года. Так возникла паровая система земледелия с двух- или трехпольным севооборотом. Однако такая усиленная эксплуатация почвы без внесения удобрений и с невысокой культурой агротехники способствовали постепенному снижению урожайности и качества продукции.
Жизненная необходимость поставила человеческое общество перед задачей восстановления ресурсов почв. С середины прошлого века началось промышленное производство минеральных удобрений, внесение которых компенсировало элементы питания растений, отчуждаемых с урожаем.
Рост населения и ограниченность площадей, пригодных для земледелия выдвинули на передний план проблему мелиорации (улучшения) почв. Мелиорация направлена, в первую очередь, на оптимизацию водного режима. Территории излишнего увлажнения и заболачивания осушаются, в аридных районах – искусственное орошение. Кроме того, ведется борьба с засолением почв, кислые почвы известкуют, солонцы гипсуют, восстанавливают и рекультивируют площади горных выработок, карьеров, отвалов. Мелиорация распространяется и на высококачественные почвы, еще выше поднимая их плодородие.
В результате деятельности человека возникли совершенно новые типы почв. Например, в результате тысячелетнего орошения в Египте, Индии, государствах Центральной Азии созданы мощные искусственные наносные почвы с высоким запасом гумуса, азота, фосфора, калия и микроэлементов. На обширной территории лессового плато Китая трудом многих поколений созданы особые антропогенные почвы – хейлуту. В некоторых странах более сотни лет проводилось известкование кислых почв, которые постепенно были преобразованы в нейтральные. В особый тип культурных почв превратились почвы виноградников южного берега Крыма, используемые более двух тысяч лет. Отвоеваны моря и превращены в плодородные земли измененные побережья Голландии.
Широкий размах получили работы по предупреждению процессов, разрушающих почвенный покров: создаются лесозащитные насаждения, сооружаются искусственные водоемы и ирригационные системы.
Структура земельного фонда планеты.
По В.П.Максаковскому, общая площадь земельного фонда всей планеты составляет 134 млн. км 2 (это площадь всей суши за исключением площади Антарктиды и Гренландии). Земельный фонд имеет следующую структуру:
11% (14,5 млн. км 2) – обрабатываемые земли (пашни, сады, плантации, сеянные луга);
23% (31 млн. км 2) – естественные луга и пастбища;
30% (40 млн. км 2) – леса и кустарники;
2% (4,5 млн. км 2) – населенные пункты, промышленность, транспортные пути;
34% (44 млн.км 2) – малопродуктивные и непродуктивные земли (тундра и лесотундра, пустыни, ледники, болота, овраги, бедленды и водоемы суши).
Обрабатываемые земли дают 88% необходимых человеку продуктов питания. Луга и пастбищные земли обеспечивают 10% пищи, потребляемой человеком.
Обрабатываемые (прежде всего, пахотные) земли, в основном, сосредоточены в лесных, лесостепных и степных районах нашей планеты.
В первой половине 20 в. половина всех обрабатываемых земель приходилась на черноземы степей и лесостепей, темные почвы прерий, серые и бурые лесные почвы, поскольку обрабатывать эти почвы наиболее удобно и продуктивно, в наше время эти почвы распаханы менее, чем на половину занятой ими территории, однако дальнейшее увеличение распашки этих земель сдерживается рядом причин. Во-первых, ареалы этих почв сильно заселены, в них сосредоточена промышленность, территория пересечена густой сетью транспортных магистралей. Во-вторых, дальнейшая распашка лугов, редких сохранившихся лесных массивов и искусственных насаждений, парков и других рекреационных объектов опасна в экологическом отношении.
Следовательно, необходимы поиски резервов в ареалах распространения других групп почв. Перспективы расширения пахотных земель в мире исследовались почвоведами разных стран. По одному из таких исследований, проведенному русскими учеными с учетом экологических условий, увеличение земледелия экологически допустимо за счет распашки 8,6 млн. км 2 пастбищ и 3,6 млн. км 2 лесов, при этом распашка лесных территорий предполагается, в основном, во влажных тропиках и отчасти в таежных лесах, а пастбищ – на территории сезонно влажных тропиков и субтропиков, а также во влажных тропиках, полупустынях и пустынях. По прогнозу этих ученых наибольшее количество пахотных земель в будущем должно быть сосредоточено в тропическом поясе, на втором месте будут земли субтропического пояса, в то время как традиционно считающиеся главной базой земледелия почвы суббореального пояса (черноземы, каштановые, серые и бурые лесные, темные почвы прерий) займут третье место.
Неравномерность использования в земледелии разных типов почв иллюстрирует картина земледельческого использования почвенного покрова материков. По состоянию на 70-е годы почвенный покров западной Европы был распахан на 30%, Африки – на 14 %, на огромной поверхности Северной и Южной Америки пахотные земли составляли всего 3,5% от этой территории, Австралия и Океания были распаханы чуть более чем на 4%.
Главная проблема мирового земельного фонда – деградация сельскохозяйственных земель. Под такой деградацией понимают истощение почвенного плодородия, эрозию почв, их загрязнение, снижение биологической продуктивности естественных пастбищных угодий, засоление и заболачивание орошаемых площадей, отчуждение земель для нужд жилищного, промышленного и транспортного строительства.
По некоторым расчетам человечество уже потеряло 2 млрд. га некогда продуктивных земель. Только из-за эрозии, широко распространенной не только в отсталых, но и в развитых странах, ежегодно из сельскохозяйственного оборота выпадает 6–7 млн. га. Примерно половина орошаемых земель мира охвачена засолена и заболочена, что также приводит к ежегодной потере в 200–300 тыс. га земель
Разрушение почв в результате деятельности человека.
Окружающая нас природная среда характеризуется тесной связью всех своих составных частей, осуществляемой благодаря циклическим процессам обмена веществ и энергией. Почвенный покров Земли (педосфера) неразрывно связана этими процессами другими компонентами биосферы. Необдуманное антропогенное воздействие на отдельные природные компоненты неотвратимо сказывается на состоянии почвенного покрова. Общеизвестными примерами непредвиденных последствий хозяйственной деятельности человека служат разрушение почв в результате изменения водного режима после вырубки лесов, заболачивание плодородных пойменных земель из-за подъема уровня грунтовых вод после строительства крупных гидроэлектростанций и др. Серьезную проблему создает антропогенное загрязнение почв. Бесконтрольно нарастающее количество выбросов индустриальных и бытовых отходов в окружающую среду во второй половине 20 в. достигло опасного уровня. Химические соединения, загрязняющие природные воды, воздух и почву, по трофическим цепям поступают в растительные и животные организмы, вызывая этим последовательное повышение в них концентрации токсикантов. Охрана биосферы от загрязнения и более экономное и рациональное использование природных ресурсов – глобальная задача современности, от успешного развития которой зависит будущее человечества. В этой связи особо важное значение принимает охрана почвенного покрова, который принимает на себя большую часть техногенных загрязнителей, частично закрепляет их в почвенной массе, частично трансформирует и включает в миграционные потоки.
Проблема возрастающего загрязнения окружающей среды уже давно приобрела общепланетарное значение. В 1972 в Стокгольме состоялась специальная конференция ООН по окружающей среде, на которой была разработана программа, включающая рекомендации по организации глобальной системы мониторинга (контроля) окружающей среды.
Почву необходимо оградить от влияния процессов, разрушающих ее ценные свойства – структуру, содержание почвенного гумуса, микробного населения, и в то же время от поступления и накопления вредных и токсичных веществ.
Эрозия почв.
При нарушении естественного растительного покрова под воздействием ветра и атмосферных осадков может происходить разрушение верхних горизонтов почвы. Это явление получило название эрозии почвы. При эрозии почва теряет мелкие частички и меняет химический состав. Из эродированных почв выносятся важнейшие химические элементы – гумус, азот, фосфор и др., содержание этих элементов в эродированных почвах может сократиться в несколько раз. Эрозия может вызываться несколькими причинами.
Ветровая эрозия вызывается развеванием незакрепленного растительностью почвенного покрова ветром. Количество выдуваемой почвы в отдельных случая достигает очень больших размеров – 120–124 т/га. Ветровая эрозия развивается преимущественно на территориях с уничтоженным растительным покровом и недостаточным атмосферным увлажнением.
В результате частичного развевания почва теряет с каждого гектара десятки тонн гумуса и значительное количество элементов питания растений, что вызывает заметное снижение урожайности. Каждый год из-за ветровой эрозии почв забрасываются миллионы гектар земель во многих странах Азии, Африки, Центральной и Южной Америки.
Развевание почв зависит от скорости ветра, механического состава почвы и ее структурности, характера растительности и некоторых других факторов. Развевание почв легкого механического состава начинается при сравнительно слабом ветре (скорость 3–4 м/с). Тяжелосуглинистые почвы развеваются ветром со скоростью около 6 м/с и больше. Оструктуренные почвы более устойчивы к эрозии, чем распыленные. Эрозионно-устойчивой считается почва, содержащая в верхнем горизонте более 60% агрегатов крупнее 1 мм.
Для защиты почв от ветровой эрозии создают препятствия для движущихся воздушных масс в виде лесных полос и кулис из кустарников и высокостебельных растений.
Одним из глобальных последствий эрозионных процессов, происходивших как в очень давние времена, так и в наше время является образование антропогенных пустынь. К ним относят пустыни и полупустыни Центральной и Передней Азии и Северной Африки, которые своим образованием были обязаны, вероятнее всего, скотоводческим племенам, заселявших когда-то эти территории. То, что не могло быть съедено бесчисленными стадами овец, верблюдов, лошадей, было вырублено и сожжено скотоводами. Незащищенная после уничтожения растительности почва подвергалась опустыниванию. В совсем близкое от нас время, буквально на глазах нескольких поколений, аналогичный процесс опустынивания вследствие непродуманного овцеводства охватил многие районы Австралии.
Общая площадь антропогенных пустынь к концу 1980-х превысила 9 млн. км 2 , а это почти равно территории США или Китая и составляет 6,7% всего земельного фонда планеты. Процесс антропогенного опустынивания продолжается и сейчас. Под угрозой опустынивания оказались еще от 30 до 40 млн. км 2 в пределах более 60 стран. Проблему опустынивания относят к глобальным проблемам человечества.
Основные причины антропогенного опустынивания – это избыточный выпас скота, вырубка лесов, а также чрезмерная и неправильная эксплуатация обрабатываемых земель (монокультурность, вспашка целины, возделывание склонов).
Остановить процесс опустынивания можно, и такие попытки предпринимаются, прежде всего в рамках ООН. Еще в 1997 Международной конференцией ООН в Найроби был принят план борьбы с опустыниванием, касающийся, в первую очередь, развивающихся стран и включавший 28 рекомендаций, осуществление которых, по мнению экспертов, могло бы, по крайней мере, предотвратить расширение этого опасного процесса. Однако осуществить его удалось лишь частично – по разным причинам и, в первую очередь, из-за острой нехватки средств. Предполагалось, что для претворения этого плана в жизнь потребуется 90 млрд. долларов (по 4,5 млрд. в течение 20 лет), но полностью изыскать их так и не удалось поэтому срок действия этого проекта был продлен до 2015 года. А численность населения в аридных и полуаридных регионах мира, по оценкам ООН, составляет сейчас более 1,2 млрд. человек.
Водная эрозия – разрушение незакрепленного растительностью почвенного покрова под воздействием текучих вод. Атмосферные осадки сопровождаются плоскостным смывом мелких частиц с поверхности почвы, а ливневые дожди вызывают сильное разрушение всей почвенной толщи с образованием промоин и оврагов.
Этот вид эрозии появляется при уничтожении растительного покрова. Известно, что травянистая растительность задерживает до 15–20% выпадающих осадков, а кроны деревьев еще больше. Особо важную роль играет лесная подстилка, которая полностью нейтрализует ударную силу дождевых капель и резко снижает скорость текучей воды. Сведение лесов и уничтожение лесной подстилки вызывает усиление поверхностного стока в 2–3 раза. Усиленный поверхностный сток влечет за собой энергичный смыв верхней части почв, наиболее богатой гумусом и элементами питания, и способствует энергичному образованию оврагов. Благоприятные условия для водной эрозии создает и распашка обширных степей и прерий и неправильная обработка почвы.
Смыв почв (плоскостная эрозия) усиливается явлением линейной эрозии – размывом почв и почвообразующих пород в результате роста оврагов. В отдельных районах овражная сеть столь развита, что занимает большую часть территории. Образование оврагов полностью разрушает почву, усиливают процессы поверхностного смыва и расчленяют пахотные площади.
Масса смываемой почвы в районах земледелия составляет от 9 т/га до десятков тонн с каждого гектара. Количество органических веществ, смываемых на протяжении года со всей суши нашей планеты, составляет внушительную цифру – около 720 млн. т.
Предупредительными мероприятиями водной эрозии являются сохранение лесных насаждений на крутых склонах, правильная вспашка (с направлением борозд поперек склонов), регулирование выпаса скота, укрепление почвенной структуры посредством рациональной агротехники. Для борьбы с последствиями водной эрозии применяют создание полезащитных лесных полос, устройство различных инженерных сооружений для задержания поверхностного стока – плотин, запруд в оврагах, водозадерживающих валов и канав.
Эрозия – один из наиболее интенсивно протекающих процессов разрушения почвенного покрова. Самая отрицательная сторона эрозии почвенного покрова заключается не во влиянии на потери урожая данного года, а в разрушении строения почвенного профиля и потере важных составных его частей, для восстановления которых требуются сотни лет.
Засоление почв.
На территориях с недостаточным атмосферным увлажнением урожайность сельскохозяйственных культур сдерживается недостаточным количеством поступающей в почву влаги. Для восполнения ее недостатка с давних времен применяется искусственное орошение. Во всем мире почвы орошаются на площади свыше 260 млн. га.
Однако неправильное орошение приводит к накоплению солей в орошаемых почвах. Главными причинами антропогенного засоления почв являются бездренажное орошение и неконтролируемая подача воды. В результате этого повышается уровень грунтовых вод и когда уровень грунтовых вод достигает критической глубины, начинается энергичное соленакопление за счет испарения содержащей соли воды, поднимающейся к поверхности почвы. Этому способствует и орошение водой с повышенной минерализацией.
В результате антропогенного засоления во всем мире ежегодно теряется около 200–300 тыс. га высокоценных поливных земель. Для охраны от антропогенного засоления создаются дренажные устройства, которые должны обеспечить расположение уровня грунтовых вод на глубине не менее 2,5–3 м, и системы каналов с гидроизоляцией для предотвращения фильтрации воды. В случае накопления водорастворимых солей рекомендуется промывка почв с дренажным водоотводом для удаления солей из корнеобитаемого слоя почвы. Охрана почв от содового засоления включает в себя гипсование почв, применение минеральных удобрений, содержащих кальций, а также введение в севооборот многолетних трав.
Для предупреждения негативных последствий орошения необходим постоянный контроль за водно-солевым режимом на орошаемых землях.
Рекультивация почв, нарушенных промышленностью и строительством.
Хозяйственная деятельность человека сопровождается разрушением почвы. Площадь почвенного покрова неуклонно уменьшается за счет строительства новых предприятий и городов, прокладки дорог и линий высоковольтных электропередач, затопления сельскохозяйственных угодий при строительстве гидроэлектростанций, развития горнодобывающей промышленности. Так, огромные карьеры с отвалами выработанной породы, высокие терриконы вблизи шахт являются неотъемлемой частью пейзажа районов действия горнодобывающей промышленности.
Многими странами проводится рекультивация (восстановление) разрушенных участков почвенного покрова. Рекультивация – это не просто засыпка горных выработок, а создание условий для быстрейшего формирования почвенного покрова. В процессе рекультивации происходит формирование почв, создание их плодородия. Для этого на отвальные грунты наносят гумусированный слой, однако если отвалы содержат токсичные вещества, то сначала его покрывают слоем нетоксичной породы (например, лёсса) на которую уже наносится гумусированный слой.
В некоторых странах на отвалах и карьерах создают экзотические архитектурно-ландшафтные комплексы. На отвалах и терриконах разбиваются парки, в карьерах устраиваются искусственные озера с рыбой и колониями птиц. Например, на юге Рейнского буроугольного бассейна (ФРГ) отвалы с конца прошлого века отсыпали с расчетом создания искусственных холмов, позже покрытых лесной растительностью.
Химизация земледелия.
Успехи земледелия, достигнутые в результате внедрения достижений химии, хорошо известны. Высокие урожаи получаются благодаря использованию минеральных удобрений, сохранение выращиваемой продукции достигается с помощью пестицидов – ядохимикатов, созданных для борьбы с сорняками и вредителями. Однако все эти химические средства нужно применять очень осторожно и строго соблюдать разработанные учеными количественные нормы вносимых химических элементов.
1. Применение минеральных удобрений
Когда дикие растения отмирают, они возвращают в почву поглощенные ими химические элементы, поддерживая этим биологический круговорот веществ. Но с культурной растительностью этого не происходит. Масса культурной растительности лишь частично возвращается в почву (примерно на одну треть). Человек искусственно нарушает сбалансированный биологический круговорот, вывозя урожай, а вместе с ним и поглощенные из почвы химические элементы. В первую очередь это относится к «триаде плодородия»: азоту, фосфору и калию. Но человечество нашло выход из этого положения: для восполнения потерь элементов питания растений и повышения урожайности эти элементы вносятся в почву в форме минеральных удобрений.
Проблема азотных удобрений.
Если количество вносимого в почву азота превышает потребности растений, то избыточные количества нитратов частично поступают в растения, а частично выносятся почвенными водами, что вызывает увеличение нитратов в поверхностных водах, а также ряд других отрицательных последствий. При избытке азота происходит увеличение нитратов и в продукции сельского хозяйства. Поступая в организм человека, нитраты могут частично трансформироваться в нитриты, которые вызывают тяжелое заболевание (метгемоглобинемия), связанное с затруднением транспортировки кислорода по кровеносной системе.
Применение азотных удобрений должно осуществляться со строгим учетом необходимости азота для выращиваемой культуры, динамики его потребления данной культурой и состава почвы. Нужна продуманная система охраны почв от избыточного количества соединений азота. Это особенно актуально в связи с тем, что современные города и крупные животноводческие предприятия являются источниками загрязнения азотом почв и вод.
Разрабатываются приемы использования биологических источников этого элемента. Таковыми служат азотофиксирующие сообщества высших растений и микроорганизмов. Посевы бобовых культур (люцерны, клевера и др.) сопровождаются связыванием азота до 300 кг/га.
Проблема фосфорных удобрений.
С урожаем выводится около двух третей фосфора, захваченного сельскохозяйственными культурами из почвы. Эти потери также восстанавливают путем внесения в почву минеральных удобрений.
Современное интенсивное сельское хозяйство сопровождается загрязнением поверхностных вод растворимыми соединениями фосфора и азота, которые накапливаются в конечных бассейнах стока и вызывают бурный рост водорослей и микроорганизмов в этих водоемах. Это явление называется эвтрофикацией водоемов. В таких водоемах кислород быстро расходуется на дыхание водорослей и на окисление их обильных остатков. Вскоре создается обстановка дефицита кислорода, из-за которой погибают рыбы и другие водные животные, начинается их разложение с образованием сероводорода, аммиака и их производных. Эвтрофикацией поражены многие озера, в том числе Великие озера Северной Америки.
Проблема калийных удобрений.
При внесении высоких доз калийных удобрений неблагоприятное действие не обнаружено, но в силу того, что значительная часть удобрений представлена хлоридами, часто сказывается воздействие ионов хлора, отрицательно влияющего на состояние почвы.
Организация охраны почв при широком использовании минеральных удобрений должна быть направлена на сбалансированность вносимых масс удобрений с урожаем, с учетом конкретных ландшафтных условий и состава почвы. Внесение удобрений должно быть максимально приближено к тем стадиям развития растений, когда они нуждаются в массированном поступлении соответствующих химических элементов. Основная задача охранных мероприятий должна быть направлена на предотвращение выноса удобрений с поверхностным и подземным водным стоком и на недопущение поступления избыточных количеств вносимых элементов в продукцию сельского хозяйства.
Проблема ядохимикатов (пестицидов).
По данным ФАО, ежегодные потери во всем мире от сорняков и вредителей составляют 34 % от потенциально возможной продукции и оцениваются в 75 млрд. долл. Применение ядохимикатов сохраняет значительную часть урожая, поэтому их применение быстро внедряется в сельское хозяйство, однако это влечет за собой многочисленные отрицательные последствия. Уничтожая вредителей, они разрушают сложные экологические системы и способствуют гибели многих животных. Некоторые ядохимикаты постепенно накапливаются по трофическим цепям и, поступая с продуктами питания в организм человека, могут вызывать опасные заболевания. Некоторые биоциды воздействуют на генетический аппарат сильнее, чем радиация.
Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более.
Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. В 1972 на территории Швеции с атмосферными осадками выпало ДДТ больше, чем производилось этой стране.
Охрана почв от загрязнения пестицидами предусматривает создание возможно менее токсичных и менее стойких соединений. Разрабатываются приемы уменьшения доз без снижения их эффективности. Очень важно сокращение авиационного распыления за счет наземного, а также применение строго выборочной обработки.
Несмотря на принимаемые меры, при обработке полей пестицидами лишь незначительная их часть достигает объекта воздействия. Большая часть накапливается в почвенном покрове и природных водах. Важная задача – ускорить разложение ядохимикатов, распад их на нетоксичные компоненты. Установлено, что многие пестициды разлагаются под воздействием ультрафиолетового облучения, некоторые ядовитые соединения разрушаются в результате гидролиза, однако наиболее активно пестициды разлагаются микроорганизмами.
Сейчас во многих странах, в том числе в России, осуществляется контроль за загрязнением окружающей среды пестицидами. Для пестицидов установлены нормы предельно допустимых концентраций в почве, которые составляют сотые и десятые доли мг/кг почвы.
Индустриальные и бытовые выбросы в окружающую среду.
На протяжении двух последних столетий резко возросла производственная деятельность человечества. В сферу промышленного использования в нарастающем количестве вовлекаются разнообразные виды минерального сырья. Сейчас люди расходуют на различные нужды 3,5 – 4,03 тыс. км 3 воды в год, т.е. около 10% суммарного стока всех рек мира. Одновременно в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов, а в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн газов и пыли. Производственная деятельность человека превратилась в глобальный геохимический фактор.
Такое интенсивное воздействие человека на окружающую среду естественно отражается и на почвенном покрове планеты. Опасны и техногенные выбросы в атмосферу. Твердые вещества этих выбросов (частицы от 10 мкм и крупнее) оседают вблизи от источников загрязнения, более мелкие частицы в составе газов переносятся на большие расстояния.
Загрязнение соединениями серы.
Сера выделяется при сжигании минерального топлива (угля, нефти, торфа). Значительное количество окисленной серы выбрасывается в атмосферу при металлургических процессах, производстве цемента и др.
Наибольший вред приносят поступление серы в виде SO 2 , сернистой и серной кислоты. Оксид серы, проникая через устьица зеленых органов растений, вызывает снижение фотосинтетической активности растений и уменьшение их продуктивности. Сернистая и серная кислоты, выпадая с дождевой водой, поражают растительность. Присутствие SO 2 в количестве 3 мг/л вызывает снижение рН дождевых вод до 4 и образование «кислых дождей». К счастью, время жизни этих соединений в атмосфере измеряется от нескольких часов до 6 дней, однако за это время они могут переносится с воздушными массами на десятки и сотни километров от источников загрязнения и выпадать в виде «кислых дождей».
Кислые дождевые воды повышают кислотность почв, подавляют деятельность почвенной микрофлоры, усиливают вынос из почвы элементов питания растений, загрязняют водоемы, поражают древесную растительность. В некоторой мере действие кислотных осадков может быть нейтрализовано известкованием почв.
Загрязнение тяжелыми металлами.
Не меньшую опасность для почвенного покрова представляют загрязнители, выпадающие вблизи от источника загрязнения. Именно так проявляется загрязнение тяжелыми металлами и мышьяком, которые образуют техногенные геохимические аномалии, т.е. участки повышенной концентрации металлов в почвенном покрове и растительности.
Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на земную поверхность сотни тысяч тонн меди, цинка, кобальта, десятки тысяч тонн свинца, ртути, никеля. Техногенное рассеяние металлов (этих и других) происходит также при других производственных процессах.
Техногенные аномалии вокруг производственных предприятий и индустриальных центров имеют протяженность от нескольких километров до 30–40 км в зависимости от мощности производства. Содержание металлов в почве и растительности довольно быстро уменьшается от источника загрязнения к периферии. В пределах аномалии можно выделить две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным разрушением почвенного покрова, уничтожением растительности и животного мира. В этой зоне очень высокая концентрация металлов-загрязнителей. Во второй, более обширной зоне, почвы полностью сохраняют свое строение, но микробиологическая деятельность в них угнетена. В загрязненных тяжелыми металлами почвах, четко выражено увеличение содержания металла снизу вверх по профилю почв и наиболее высокое его содержание в самой наружной части профиля.
Главный источник загрязнения свинцом – автомобильный транспорт. Большая часть (80–90%) выбросов оседает вдоль автомагистралей на поверхности почв и растительности. Так образуются придорожные геохимические аномалии свинца шириной (в зависимости от интенсивности движения автотранспорта)от нескольких десятков метров до 300–400 м и высотой до 6 м.
Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения и затем в организмы животных и человека, обладают способностью постепенно накапливаться. Наиболее токсичны ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, отравление ими вызывает тяжелые последствия. Менее токсичны цинк и медь, однако загрязнение ими почв подавляет микробиологическую деятельность и снижает биологическую продуктивность.
Ограниченное распространение металлов-загрязнителей в биосфере в значительной мере обязано почве. Большая часть легкоподвижных водорастворимых соединений металлов, поступая в почву, прочно связывается с органическим веществом и высокодисперсными глинистыми минералами. Закрепление металлов-загрязнителей в почве настолько прочно, что в почвах старых металлургических районах Скандинавских стран, где около 100 лет назад прекратилась выплавка руд, высокое содержание тяжелых металлов и мышьяка осталось до сих пор. Следовательно, почвенный покров выполняет роль глобального геохимического экрана, задерживающего значительную часть элементов-загрязнителей.
Однако защитная способность почв имеет свои пределы, поэтому охрана почв от загрязнения тяжелыми металлами является актуальной задачей. Для сокращения поступления выбросов металлов в атмосферу необходим постепенный переход производства на замкнутые технологические циклы, а также обязательно применение очистных сооружений.
Наталия Новоселова
Литература:
Почвы СССР
. М., Мысль, 1979
Глазовская М.А., Геннадиев А.Н. , М., МГУ, 1995
Добровольский В.В. География почв с основами почвоведения
. М., Владос, 2001
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии
. М., Наука, 2003
Н. Новоселова Воздействие человека на почву
Воздействие человеческого общества на почвенный покров представляет собой одну из сторон общего влияния человека на окружающую среду. На протяжении истории воздействие человеческого общества на почвенный покров непрерывно возрастало. В отдаленные времена бесчисленными стадами была сведена растительность и вытоптана дернина на обширной территории аридных ландшафтов. Дефляция (разрушение почв под действием ветра) довершила уничтожение почв. В более близкое время в результате бездренажного орошения десятки миллионов гектаров плодородных почв превратились в засоленные земли и соленые пустыни. В 20 веке большие площади высокоплодородных пойменных почв были затоплены или заболочены в результате строительства плотин и водохранилищ на крупных реках. Однако, как ни велики явления разрушения почв, это лишь небольшая часть результатов воздействия человеческого общества на почвенный покров Земли. Основной результат человеческого воздействия на почву — постепенное изменение процесса почвообразования, все более глубокое регулирование процессов круговорота химических элементов и трансформация энергии в почве
Один из важнейших факторов почвообразования — растительность Мировой суши — подвергся глубочайшему изменению. За историческое время площадь лесов сократилась более чем вдвое. Обеспечивая развитие полезных ему растений, человек на значительной части суши заменил естественные биоценозы искусственными. Биомасса культурных растений (в отличие от естественной растительности) полностью не поступает в круговорот веществ в данном ландшафте. Значительная часть культурной растительности (до 80 %) вывозится с места произрастания. Это приводит к истощению запасов в почве гумуса, азота, фосфора, калия, микроэлементов и в итоге к снижению плодородия почвы. В отдаленные времена, в связи с избытком земли по отношению к небольшой численности населения, эта проблема решалась за счет того, что после снятия одного или нескольких урожаев обрабатываемый участок на долгое время оставлялся. С течением времени биогеохимическое равновесие в почве восстанавливалось и участок снова можно было обрабатывать.
В лесной полосе применялась подсечно-огневая система земледелия, при которой сжигался лес, а освобожденная площадь, обогащенная зольными элементами сожженной растительности, засевалась. После истощения обрабатываемый участок забрасывался и выжигался новый. Урожай при таком типе земледелии был обеспечен поступлением элементов минерального питания с золой, получаемой за счет сжигания древесной растительности на месте. Большие затраты труда на расчистку окупались очень высокими урожаями. Расчищенный участок использовался 1-3 года на песчаных почвах и до 5-8 лет на суглинистых, после чего его оставляли зарастать лесом или некоторое время использовали как сенокос или пастбище. Если после этого такой участок переставал подвергаться какому-либо воздействию со стороны человека (рубки, выпас скота), то в течение 40-80 лет (в центре и юге лесного пояса) гумусовый горизонт в нем восстанавливался. Для восстановления почв в условиях севера лесной зоны требовался в два-три раза более продолжительный период времени. Воздействие подсечно-огневой системы приводило к обнажению почвы, увеличению поверхностного стока и эрозии почв, выравниванию микрорельефа, обеднению почвенной фауны. Хотя площадь обрабатываемых участков была сравнительно невелика, а цикл длился долго, за сотни и тысячи лет огромные территории были глубоко преобразованы подсекой. Известно, например, что в Финляндии за 18-19 вв. (т. е. за 200 лет) через подсеку прошло 85 % территории.
На юге и в центре лесной зоны последствия подсечной системы особенно остро отразились на массивах песчаных почв, где коренные леса заменились специфическими лесами с господством сосны обыкновенной. Это привело к отступлению на юг северных границ ареалов широколиственных видов деревьев (ильма, липы, дуба и др.). На севере лесной зоны развитие домашнего оленеводства, сопровождаемое усиленным выжиганием лесов, привело к развитию зоны тундры из лесотундры или северной тайги, достигавших, судя по находкам крупных деревьев или их пней, берегов Северного Ледовитого Океана еще в 18-19 веке. Таким образом, в лесном поясе земледелие привело к наиболее глубоким изменениям живого покрова и ландшафта в целом. Земледелие было, видимо, ведущим фактором широкого распространения в лесном поясе Восточной Европы подзолистых почв. Возможно, этот мощный фактор антропогенного преобразования природных экосистем оказал определенное влияние и на климат. В степных условиях наиболее древними системами земледелия были залежная и переложная. При залежной системе использованные участки земли после истощения оставлялись на длительное время, при переложной на более короткое. Постепенно количество свободных земель уменьшалось, срок перелога (перерыва между посевами) все сокращался и, в конце концов, достиг одного года. Так возникла паровая система земледелия с двух- или трехпольным севооборотом. Однако такая усиленная эксплуатация почвы без внесения удобрений и с невысокой культурой агротехники способствовали постепенному снижению урожайности и качества продукции.
Жизненная необходимость поставила человеческое общество перед задачей восстановления ресурсов почв. С середины прошлого века началось промышленное производство минеральных удобрений, внесение которых компенсировало элементы питания растений, отчуждаемых с урожаем. Рост населения и ограниченность площадей, пригодных для земледелия выдвинули на передний план проблему мелиорации (улучшения) почв. Мелиорация направлена, в первую очередь, на оптимизацию водного режима. Территории излишнего увлажнения и заболачивания осушаются, в аридных районах — искусственное орошение. Кроме того, ведется борьба с засолением почв, кислые почвы известкуют, солонцы гипсуют, восстанавливают и рекультивируют площади горных выработок, карьеров, отвалов. Мелиорация распространяется и на высококачественные почвы, еще выше поднимая их плодородие. В результате деятельности человека возникли совершенно новые типы почв. Например, в результате тысячелетнего орошения в Египте, Индии, государствах Центральной Азии созданы мощные искусственные наносные почвы с высоким запасом гумуса, азота, фосфора, калия и микроэлементов. На обширной территории лессового плато Китая трудом многих поколений созданы особые антропогенные почвы – хейлуту. В некоторых странах более сотни лет проводилось известкование кислых почв, которые постепенно были преобразованы в нейтральные. В особый тип культурных почв превратились почвы виноградников южного берега Крыма, используемые более двух тысяч лет. Отвоеваны моря и превращены в плодородные земли измененные побережья Голландии.
Разрушение почв в результате деятельности человека. Окружающая нас природная среда характеризуется тесной связью всех своих составных частей, осуществляемой благодаря циклическим процессам обмена веществ и энергией. Почвенный покров Земли (педосфера) неразрывно связана этими процессами другими компонентами биосферы. Необдуманное антропогенное воздействие на отдельные природные компоненты неотвратимо сказывается на состоянии почвенного покрова. Общеизвестными примерами непредвиденных последствий хозяйственной деятельности человека служат разрушение почв в результате изменения водного режима после вырубки лесов, заболачивание плодородных пойменных земель из-за подъема уровня грунтовых вод после строительства крупных гидроэлектростанций и др. Серьезную проблему создает антропогенное загрязнение почв. Бесконтрольно нарастающее количество выбросов индустриальных и бытовых отходов в окружающую среду во второй половине 20 в. достигло опасного уровня. Химические соединения, загрязняющие природные воды, воздух и почву, по трофическим цепям поступают в растительные и животные организмы, вызывая этим последовательное повышение в них концентрации токсикантов. Охрана биосферы от загрязнения и более экономное и рациональное использование природных ресурсов — глобальная задача современности, от успешного развития которой зависит будущее человечества. В этой связи особо важное значение принимает охрана почвенного покрова, который принимает на себя большую часть техногенных загрязнителей, частично закрепляет их в почвенной массе, частично трансформирует и включает в миграционные потоки. Проблема возрастающего загрязнения окружающей среды уже давно приобрела общепланетарное значение. В 1972 в Стокгольме состоялась специальная конференция ООН по окружающей среде, на которой была разработана программа, включающая рекомендации по организации глобальной системы мониторинга (контроля) окружающей среды. Почву необходимо оградить от влияния процессов, разрушающих ее ценные свойства — структуру, содержание почвенного гумуса, микробного населения, и в то же время от поступления и накопления вредных и токсичных веществ.
Эрозия почв. При нарушении естественного растительного покрова под воздействием ветра и атмосферных осадков может происходить разрушение верхних горизонтов почвы. Это явление получило название эрозии почвы. При эрозии почва теряет мелкие частички и меняет химический состав. Из эродированных почв выносятся важнейшие химические элементы — гумус, азот, фосфор и др., содержание этих элементов в эродированных почвах может сократиться в несколько раз. Эрозия может вызываться несколькими причинами. Ветровая эрозия вызывается развеванием незакрепленного растительностью почвенного покрова ветром. Количество выдуваемой почвы в отдельных случая достигает очень больших размеров — 120-124 т/га. Ветровая эрозия развивается преимущественно на территориях с уничтоженным растительным покровом и недостаточным атмосферным увлажнением. В результате частичного развевания почва теряет с каждого гектара десятки тонн гумуса и значительное количество элементов питания растений, что вызывает заметное снижение урожайности. Каждый год из-за ветровой эрозии почв забрасываются миллионы гектар земель во многих странах Азии, Африки, Центральной и Южной Америки. Развевание почв зависит от скорости ветра, механического состава почвы и ее структурности, характера растительности и некоторых других факторов. Развевание почв легкого механического состава начинается при сравнительно слабом ветре (скорость 3-4 м/с). Тяжелосуглинистые почвы развеваются ветром со скоростью около 6 м/с и больше. Оструктуренные почвы более устойчивы к эрозии, чем распыленные. Эрозионно-устойчивой считается почва, содержащая в верхнем горизонте более 60 % агрегатов крупнее 1 мм.
Для защиты почв от ветровой эрозии создают препятствия для движущихся воздушных масс в виде лесных полос и кулис из кустарников и высокостебельных растений. Одним из глобальных последствий эрозионных процессов, происходивших как в очень давние времена, так и в наше время является образование антропогенных пустынь. К ним относят пустыни и полупустыни Центральной и Передней Азии и Северной Африки, которые своим образованием были обязаны, вероятнее всего, скотоводческим племенам, заселявших когда-то эти территории. То, что не могло быть съедено бесчисленными стадами овец, верблюдов, лошадей, было вырублено и сожжено скотоводами. Незащищенная после уничтожения растительности почва подвергалась опустыниванию. В совсем близкое от нас время, буквально на глазах нескольких поколений, аналогичный процесс опустынивания вследствие непродуманного овцеводства охватил многие районы Австралии. Остановить процесс опустынивания можно, и такие попытки предпринимаются, прежде всего в рамках ООН. Еще в 1997 Международной конференцией ООН в Найроби был принят план борьбы с опустыниванием, касающийся, в первую очередь, развивающихся стран и включавший 28 рекомендаций, осуществление которых, по мнению экспертов, могло бы, по крайней мере, предотвратить расширение этого опасного процесса. Однако осуществить его удалось лишь частично — по разным причинам и, в первую очередь, из-за острой нехватки средств. Предполагалось, что для претворения этого плана в жизнь потребуется 90 млрд. долларов (по 4,5 млрд. в течение 20 лет), но полностью изыскать их так и не удалось поэтому срок действия этого проекта был продлен до 2015 года. А численность населения в аридных и полуаридных регионах мира, по оценкам ООН, составляет сейчас более 1,2 млрд. человек.
Водная эрозия — разрушение незакрепленного растительностью почвенного покрова под воздействием текучих вод. Атмосферные осадки сопровождаются плоскостным смывом мелких частиц с поверхности почвы, а ливневые дожди вызывают сильное разрушение всей почвенной толщи с образованием промоин и оврагов. Этот вид эрозии появляется при уничтожении растительного покрова. Известно, что травянистая растительность задерживает до 15-20 % выпадающих осадков, а кроны деревьев еще больше. Особо важную роль играет лесная подстилка, которая полностью нейтрализует ударную силу дождевых капель и резко снижает скорость текучей воды. Сведение лесов и уничтожение лесной подстилки вызывает усиление поверхностного стока в 2-3 раза. Усиленный поверхностный сток влечет за собой энергичный смыв верхней части почв, наиболее богатой гумусом и элементами питания, и способствует энергичному образованию оврагов. Благоприятные условия для водной эрозии создает и распашка обширных степей и прерий и неправильная обработка почвы. Смыв почв (плоскостная эрозия) усиливается явлением линейной эрозии — размывом почв и почвообразующих пород в результате роста оврагов. В отдельных районах овражная сеть столь развита, что занимает большую часть территории. Образование оврагов полностью разрушает почву, усиливают процессы поверхностного смыва и расчленяют пахотные площади. Масса смываемой почвы в районах земледелия составляет от 9 т/га до десятков тонн с каждого гектара. Количество органических веществ, смываемых на протяжении года со всей суши нашей планеты, составляет внушительную цифру — около 720 млн. т. Предупредительными мероприятиями водной эрозии являются сохранение лесных насаждений на крутых склонах, правильная вспашка (с направлением борозд поперек склонов), регулирование выпаса скота, укрепление почвенной структуры посредством рациональной агротехники. Для борьбы с последствиями водной эрозии применяют создание полезащитных лесных полос, устройство различных инженерных сооружений для задержания поверхностного стока — плотин, запруд в оврагах, водозадерживающих валов и канав.
Эрозия — один из наиболее интенсивно протекающих процессов разрушения почвенного покрова. Самая отрицательная сторона эрозии почвенного покрова заключается не во влиянии на потери урожая данного года, а в разрушении строения почвенного профиля и потере важных составных его частей, для восстановления которых требуются сотни лет.
Засоление почв. На территориях с недостаточным атмосферным увлажнением урожайность сельскохозяйственных культур сдерживается недостаточным количеством поступающей в почву влаги. Для восполнения ее недостатка с давних времен применяется искусственное орошение. Во всем мире почвы орошаются на площади свыше 260 млн. га.Однако неправильное орошение приводит к накоплению солей в орошаемых почвах. Главными причинами антропогенного засоления почв являются бездренажное орошение и неконтролируемая подача воды. В результате этого повышается уровень грунтовых вод и когда уровень грунтовых вод достигает критической глубины, начинается энергичное соленакопление за счет испарения содержащей соли воды, поднимающейся к поверхности почвы. Этому способствует и орошение водой с повышенной минерализацией. В результате антропогенного засоления во всем мире ежегодно теряется около 200-300 тыс. га высокоценных поливных земель. Для охраны от антропогенного засоления создаются дренажные устройства, которые должны обеспечить расположение уровня грунтовых вод на глубине не менее 2,5-3 м, и системы каналов с гидроизоляцией для предотвращения фильтрации воды. В случае накопления водорастворимых солей рекомендуется промывка почв с дренажным водоотводом для удаления солей из корнеобитаемого слоя почвы. Охрана почв от содового засоления включает в себя гипсование почв, применение минеральных удобрений, содержащих кальций, а также введение в севооборот многолетних трав. Для предупреждения негативных последствий орошения необходим постоянный контроль за водно-солевым режимом на орошаемых землях.
Рекультивация почв, нарушенных промышленностью и строительством. Хозяйственная деятельность человека сопровождается разрушением почвы. Площадь почвенного покрова неуклонно уменьшается за счет строительства новых предприятий и городов, прокладки дорог и линий высоковольтных электропередач, затопления сельскохозяйственных угодий при строительстве гидроэлектростанций, развития горнодобывающей промышленности. Так, огромные карьеры с отвалами выработанной породы, высокие терриконы вблизи шахт являются неотъемлемой частью пейзажа районов действия горнодобывающей промышленности. Многими странами проводится рекультивация (восстановление) разрушенных участков почвенного покрова. Рекультивация — это не просто засыпка горных выработок, а создание условий для быстрейшего формирования почвенного покрова. В процессе рекультивации происходит формирование почв, создание их плодородия. Для этого на отвальные грунты наносят гумусированный слой, однако если отвалы содержат токсичные вещества, то сначала его покрывают слоем нетоксичной породы (например, лёсса) на которую уже наносится гумусированный слой. В некоторых странах на отвалах и карьерах создают экзотические архитектурно-ландшафтные комплексы. На отвалах и терриконах разбиваются парки, в карьерах устраиваются искусственные озера с рыбой и колониями птиц. Например, на юге Рейнского буроугольного бассейна (ФРГ) отвалы с конца прошлого века отсыпали с расчетом создания искусственных холмов, позже покрытых лесной растительностью.
Химизация земледелия. Успехи земледелия, достигнутые в результате внедрения достижений химии, хорошо известны. Высокие урожаи получаются благодаря использованию минеральных удобрений, сохранение выращиваемой продукции достигается с помощью пестицидов – ядохимикатов, созданных для борьбы с сорняками и вредителями. Однако все эти химические средства нужно применять очень осторожно и строго соблюдать разработанные учеными количественные нормы вносимых химических элементов.
1. Применение минеральных удобрений
Когда дикие растения отмирают, они возвращают в почву поглощенные ими химические элементы, поддерживая этим биологический круговорот веществ. Но с культурной растительностью этого не происходит. Масса культурной растительности лишь частично возвращается в почву (примерно на одну треть). Человек искусственно нарушает сбалансированный биологический круговорот, вывозя урожай, а вместе с ним и поглощенные из почвы химические элементы. В первую очередь это относится к «триаде плодородия»: азоту, фосфору и калию. Но человечество нашло выход из этого положения: для восполнения потерь элементов питания растений и повышения урожайности эти элементы вносятся в почву в форме минеральных удобрений.
Проблема азотных удобрений. Если количество вносимого в почву азота превышает потребности растений, то избыточные количества нитратов частично поступают в растения, а частично выносятся почвенными водами, что вызывает увеличение нитратов в поверхностных водах, а также ряд других отрицательных последствий. При избытке азота происходит увеличение нитратов и в продукции сельского хозяйства. Поступая в организм человека, нитраты могут частично трансформироваться в нитриты, которые вызывают тяжелое заболевание (метгемоглобинемия), связанное с затруднением транспортировки кислорода по кровеносной системе.
Применение азотных удобрений должно осуществляться со строгим учетом необходимости азота для выращиваемой культуры, динамики его потребления данной культурой и состава почвы. Нужна продуманная система охраны почв от избыточного количества соединений азота. Это особенно актуально в связи с тем, что современные города и крупные животноводческие предприятия являются источниками загрязнения азотом почв и вод. Разрабатываются приемы использования биологических источников этого элемента. Таковыми служат азотофиксирующие сообщества высших растений и микроорганизмов. Посевы бобовых культур (люцерны, клевера и др.) сопровождаются связыванием азота до 300 кг/га.
Проблема фосфорных удобрений. С урожаем выводится около двух третей фосфора, захваченного сельскохозяйственными культурами из почвы. Эти потери также восстанавливают путем внесения в почву минеральных удобрений.
Современное интенсивное сельское хозяйство сопровождается загрязнением поверхностных вод растворимыми соединениями фосфора и азота, которые накапливаются в конечных бассейнах стока и вызывают бурный рост водорослей и микроорганизмов в этих водоемах. Это явление называется эвтрофикацией водоемов. В таких водоемах кислород быстро расходуется на дыхание водорослей и на окисление их обильных остатков. Вскоре создается обстановка дефицита кислорода, из-за которой погибают рыбы и другие водные животные, начинается их разложение с образованием сероводорода, аммиака и их производных. Эвтрофикацией поражены многие озера, в том числе Великие озера Северной Америки.
Проблема калийных удобрений. При внесении высоких доз калийных удобрений неблагоприятное действие не обнаружено, но в силу того, что значительная часть удобрений представлена хлоридами, часто сказывается воздействие ионов хлора, отрицательно влияющего на состояние почвы. Организация охраны почв при широком использовании минеральных удобрений должна быть направлена на сбалансированность вносимых масс удобрений с урожаем, с учетом конкретных ландшафтных условий и состава почвы. Внесение удобрений должно быть максимально приближено к тем стадиям развития растений, когда они нуждаются в массированном поступлении соответствующих химических элементов. Основная задача охранных мероприятий должна быть направлена на предотвращение выноса удобрений с поверхностным и подземным водным стоком и на недопущение поступления избыточных количеств вносимых элементов в продукцию сельского хозяйства.
Проблема ядохимикатов (пестицидов). По данным ФАО, ежегодные потери во всем мире от сорняков и вредителей составляют 34 % от потенциально возможной продукции и оцениваются в 75 млрд. долл. Применение ядохимикатов сохраняет значительную часть урожая, поэтому их применение быстро внедряется в сельское хозяйство, однако это влечет за собой многочисленные отрицательные последствия. Уничтожая вредителей, они разрушают сложные экологические системы и способствуют гибели многих животных. Некоторые ядохимикаты постепенно накапливаются по трофическим цепям и, поступая с продуктами питания в организм человека, могут вызывать опасные заболевания. Некоторые биоциды воздействуют на генетический аппарат сильнее, чем радиация. Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более. Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды. В 1972 на территории Швеции с атмосферными осадками выпало ДДТ больше, чем производилось этой стране.
Охрана почв от загрязнения пестицидами предусматривает создание возможно менее токсичных и менее стойких соединений. Разрабатываются приемы уменьшения доз без снижения их эффективности. Очень важно сокращение авиационного распыления за счет наземного, а также применение строго выборочной обработки. Несмотря на принимаемые меры, при обработке полей пестицидами лишь незначительная их часть достигает объекта воздействия. Большая часть накапливается в почвенном покрове и природных водах. Важная задача – ускорить разложение ядохимикатов, распад их на нетоксичные компоненты. Установлено, что многие пестициды разлагаются под воздействием ультрафиолетового облучения, некоторые ядовитые соединения разрушаются в результате гидролиза, однако наиболее активно пестициды разлагаются микроорганизмами. Сейчас во многих странах, в том числе в России, осуществляется контроль за загрязнением окружающей среды пестицидами. Для пестицидов установлены нормы предельно допустимых концентраций в почве, которые составляют сотые и десятые доли мг/кг почвы.
Индустриальные и бытовые выбросы в окружающую среду. На протяжении двух последних столетий резко возросла производственная деятельность человечества. В сферу промышленного использования в нарастающем количестве вовлекаются разнообразные виды минерального сырья. Сейчас люди расходуют на различные нужды 3,5-4,03 тыс. км3 воды в год, т. е. около 10 % суммарного стока всех рек мира. Одновременно в поверхностные воды поступают десятки миллионов тонн бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов, а в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн газов и пыли. Производственная деятельность человека превратилась в глобальный геохимический фактор. Такое интенсивное воздействие человека на окружающую среду естественно отражается и на почвенном покрове планеты. Опасны и техногенные выбросы в атмосферу. Твердые вещества этих выбросов (частицы от 10 мкм и крупнее) оседают вблизи от источников загрязнения, более мелкие частицы в составе газов переносятся на большие расстояния.
Загрязнение соединениями серы. Сера выделяется при сжигании минерального топлива (угля, нефти, торфа). Значительное количество окисленной серы выбрасывается в атмосферу при металлургических процессах, производстве цемента и др. Оксид серы, проникая через устьица зеленых органов растений, вызывает снижение фотосинтетической активности растений и уменьшение их продуктивности. Сернистая и серная кислоты, выпадая с дождевой водой, поражают растительность. Присутствие SO2 в количестве 3 мг/л вызывает снижение рН дождевых вод до 4 и образование кислых дождей. К счастью, время жизни этих соединений в атмосфере измеряется от нескольких часов до 6 дней, однако за это время они могут переносится с воздушными массами на десятки и сотни километров от источников загрязнения и выпадать в виде кислых дождей. Кислые дождевые воды повышают кислотность почв, подавляют деятельность почвенной микрофлоры, усиливают вынос из почвы элементов питания растений, загрязняют водоемы, поражают древесную растительность. В некоторой мере действие кислотных осадков может быть нейтрализовано известкованием почв.
Загрязнение тяжелыми металлами. Не меньшую опасность для почвенного покрова представляют загрязнители, выпадающие вблизи от источника загрязнения. Именно так проявляется загрязнение тяжелыми металлами и мышьяком, которые образуют техногенные геохимические аномалии, т. е. участки повышенной концентрации металлов в почвенном покрове и растительности. Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на земную поверхность сотни тысяч тонн меди, цинка, кобальта, десятки тысяч тонн свинца, ртути, никеля. Техногенное рассеяние металлов (этих и других) происходит также при других производственных процессах. Техногенные аномалии вокруг производственных предприятий и индустриальных центров имеют протяженность от нескольких километров до 30-40 км в зависимости от мощности производства. Содержание металлов в почве и растительности довольно быстро уменьшается от источника загрязнения к периферии. В пределах аномалии можно выделить две зоны. Первая, непосредственно примыкающая к источнику загрязнения, характеризуется сильным разрушением почвенного покрова, уничтожением растительности и животного мира. В этой зоне очень высокая концентрация металлов-загрязнителей. Во второй, более обширной зоне, почвы полностью сохраняют свое строение, но микробиологическая деятельность в них угнетена. В загрязненных тяжелыми металлами почвах, четко выражено увеличение содержания металла снизу вверх по профилю почв и наиболее высокое его содержание в самой наружной части профиля.
Главный источник загрязнения свинцом — автомобильный транспорт. Большая часть (80-90 %) выбросов оседает вдоль автомагистралей на поверхности почв и растительности. Так образуются придорожные геохимические аномалии свинца шириной (в зависимости от интенсивности движения автотранспорта)от нескольких десятков метров до 300-400 м и высотой до 6 м. Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения и затем в организмы животных и человека, обладают способностью постепенно накапливаться. Наиболее токсичны ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, отравление ими вызывает тяжелые последствия. Менее токсичны цинк и медь, однако загрязнение ими почв подавляет микробиологическую деятельность и снижает биологическую продуктивность.
Ограниченное распространение металлов-загрязнителей в биосфере в значительной мере обязано почве. Большая часть легкоподвижных водорастворимых соединений металлов, поступая в почву, прочно связывается с органическим веществом и высокодисперсными глинистыми минералами. Закрепление металлов-загрязнителей в почве настолько прочно, что в почвах старых металлургических районах Скандинавских стран, где около 100 лет назад прекратилась выплавка руд, высокое содержание тяжелых металлов и мышьяка осталось до сих пор. Следовательно, почвенный покров выполняет роль глобального геохимического экрана, задерживающего значительную часть элементов-загрязнителей.
Однако защитная способность почв имеет свои пределы, поэтому охрана почв от загрязнения тяжелыми металлами является актуальной задачей. Для сокращения поступления выбросов металлов в атмосферу необходим постепенный переход производства на замкнутые технологические циклы, а также обязательно применение очистных сооружений.
Воздействие человека на почву - составная часть общего влияния человеческого общества на земную кору и ее верхний слой, на природу в целом, особенно возросшее в век научно-технической революции. При этом не только усиливается взаимодействие человека с землей, но и меняются основные черты взаимодействия. Проблема “почва - человек” осложняется урбанизацией, все большим использованием земель, их ресурсов для индустриального и жилищного строительства, ростом потребностей в продуктах питания. По воле человека изменяется характер почвы, меняются факторы почвообразования - рельеф, микроклимат, создаются моря (огромного объема водохранилища), появляются новые реки (каналы), перемещаются миллионы тонн грунта и т. д. Под влиянием промышленных и сельскохозяйственных загрязнений (в том числе удобрений) изменяются свойства почвы и почвообразовательные процессы, потенциальное плодородие, снижается технологическая и питательная ценность сельскохозяйственной продукции и т. д.
Большинство ученых считают, что образование пустынь Ближнего Востока связано с вырубкой лесов и неразумным использованием пастбищ. В. А. Ковда, анализируя многочисленные публикации и доклады по данному вопросу, пришел к выводу, “что учащение засух, усиление недородов, гибель растительности и разрушение почв на значительных территориях связаны между собою, связаны с общей тенденцией аридизации суши и усилены отрицательными последствиями ошибочной деятельности человека” 1 .
Нарушение почвенных процессов в результате неправильной эксплуатации почвенного покрова приводит к усиленному разрушению почв. Различают несколько типов разрушения почвы: ветровое (дефляция), эрозионное, техническое и ирригационное (разновидность эрозии). Самая распространенная и наиболее опасная, наносящая наибольший ущерб почвам, - эрозия. Она выражается в размыве почвы, смыве ее талыми, дождевыми и ливневыми водами. Обычно эрозия возникает на наклонных поверхностях. Во время весеннего снеготаяния размыв почвы наблюдается даже при крутизне склона 1-2°. Чем круче склон, тем интенсивнее эрозия.
В первую очередь, смываются наиболее плодородные верхние слои почвы. Смыв достигает огромных размеров. По данным Ludson (1973), благодаря вызванной человеком ускоренной эрозии ежегодно сносится речной водой до 24 10 9 т/год земли. Усилению губительного действия эрозии способствуют уничтожение лесов, особенно в горах и на склонах, разрушение дернины. Особенно способствует развитию эрозии неправильная обработка склонов большой крутизны - продольное направление вспашки.
Размыв почв нередко сопровождается образованием оврагов. В некоторых районах овраги занимают значительные территории.
Ирригационная эрозия развивается при нарушении правил полива на орошаемых землях. Развевание верхних горизонтов почвы сильными ветрами называется дефляцией. При дефляции почва теряет самые мелкие частицы, а вместе с ними важнейшие для плодородия химические вещества. Развитию дефляции способствует уничтожение растительности на территории с недостаточной атмосферной увлажненностью, неумеренный выпас скота, сильные ветры. Дефляции больше всего подвержены супесчаные, а также плодородные карбонатные черноземы. Во время сильных бурь частицы почвы могут с больших площадей уноситься на значительные расстояния. По данным М. L. Jackson (1973), на планете ежегодно до 500 млн. т пыли попадает в атмосферу. Из истории известно, что пыльные бури разрушали незащищенные почвы огромных сельскохозяйственных территорий Азии, Южной Европы, Африки, Южной и Северной Америки, Австралии. В настоящее время они становятся национальным или региональным бедствием многих государств. Потери почв от дефляции в наиболее катастрофические годы достигают 400 т/га. В США в 1934 г. в результате разразившейся бури в районах распаханных прерий Великой равнины около 200 млн. га пашни были превращены в бросовые земли, 50 млн. га резко снизили свое плодородие. В погоне за прибылью от продажи зерна были распаханы пастбища и залуженные склоны. И это моментально сказалось на устойчивости почв от развеивания. Потери урожая на таких почвах сегодня составляют 50-60%. Аналогичные явления встречаются повсеместно. Так, Африка к югу от 30° ю. ш. ежегодно теряет от эрозии и дефляции до 1,7 млн. га. На 60-80% эродированы пастбища Средиземья, Атласа, Альп. Наиболее интенсивна эрозия в горных безлесных густозаселенных странах.
Дефляция представляет опасность для всех районов Казахстана. Особенно черные бури возникают в северных областях Казахстана при скорости ветра 10-12 м/с, но наибольшей силы они достигают при скорости ветра 15-20 м/с.
В южных областях Украины наиболее опустошительная пыльная буря была в апреле 1928 г., когда пострадало около 400 тыс. км 2 земель от Дона до Днепра. Скорость ветра достигала 10 м/с. Он выдул почву в отдельных местах до глубины 12 см. Эта буря унесла с полей 15 млн. т почвы.
В 1960 г. на Северном Кавказе и Южной Украине со значительной площади бурей был снесен слой почвы толщиной 7-10 см, а в Запорожье погибла часть озимых посевов. Частицы почвы были отнесены на огромные расстояния - в районы Белоруссии, Западной Украины, Румынии и Болгарии.
Почвы разрушаются под воздействием транспорта, землеройных машин и техники.
Борьба с разрушением почвы включает комплекс мероприятий, требующих серьезного научного и инженерно-экономического обоснования для каждого конкретного региона.
Основное значение имеет устранение причин, вызывающих разрушение.
Серьезную проблему для современного земледелия представляет засоление почв. В естественных условиях почвы засоляются через грунтовые воды, насыщенные солями. Если грунтовые воды расположены на небольшой глубине, в жарких и засушливых районах они поднимаются по почвенным капиллярам и испаряются. На поверхности почвы остаются все растворенные до этого в воде соли. Если грунтовые воды лежат на достаточно большой глубине, то даже в засушливых зонах почва не всегда подвергается засолению.
Наибольшую опасность в земледелии представляет вторичное засоление орошаемых почв. Современные оросительные системы, за немногим исключением, строятся и функционируют без гидроизоляции. В результате грунтовые воды, поднимаясь вверх (иногда со скоростью 0,5-2 м/год и более), подтопляют поверхность почвы и при отсутствии хорошего естественного дренажа (свободного оттока грунтовых вод) вызывают заболачивание и засоление земель. Заболачивание и вторичное засоление орошаемых земель практически приобрело повсеместный характер. Засоление почв при орошаемом земледелии наблюдается во всех странах Ближнего и Среднего Востока - от Афганистана до Марокко и Сенегала, в орошаемых районах Австралии, США, Мексики. Вторичное засоление распространено в Индии и других странах Азии. Поданным ФАО, не менее 50% площади орошаемых земель значительно засолено. В результате человечество потеряло многие миллионы ранее плодородных земель.
Почва - среда обитания многочисленных низших животных и микроорганизмов, в том числе бактерий, плесневых грибков, вирусов и др. Большинство почвенных микроорганизмов - сапрофаги; они живут и размножаются в почве и не приносят вреда животным организмам. В почве обитают постоянно или временно и так называемые патогенные (греч. pathos - страдание, genos - рождение) - болезнетворные микроорганизмы, возбудители инфекционных болезней. Некоторые из них (главным образом постоянные обитатели почвы) образуют спору - плотную оболочку, обеспечивающую им высокую устойчивость по отношению к различным неблагоприятным факторам внешней среды: высокой температуре, высыханию, давлению, отсутствию питательных веществ. Попав в благоприятные условия, споры приобретают первоначальную форму.
Группу спорообразующих бактерий принято называть клостридиями. Накопилось достаточно данных о том, что клостридии не только обладают способностью продолжительное время сохраняться в почве в виде спор, но и размножаться в ней в вегетативный период своего существования. К патогенным бактериям относятся возбудители таких опасных инфекционных заболеваний, как сибирская язва, газовая гангрена, столбняк, ботулизм и др. Возбудители этих болезней в некоторых почвах остаются жизнеспособными многие десятилетия. Человек заражается ими непосредственно при обработке почвы, уборке урожая, строительных работах и т. п. К числу наиболее опасных болезней человека и животных относится сибирская язва. Возбудитель сибирской язвы - сибиреязвенная палочка, попадая с мочой и испражнениями больных животных в почву, образует спору и в таком состоянии может сохраняться годами, особенно в каштановых и черноземных почвах. Животные, поедая корм, загрязненный этой палочкой, заражаются сибирской язвой. Заражению поверхностных слоев почвы на пастбищах могут способствовать земляные работы в неблагополучной по сибирской язве местности (при мелиоративных работах, строительстве и т. д.). Человек заражается сибирской язвой, как правило, при контакте с больными или павшими животными (при уходе за ними, убое, снятии шкур и др.), через продукты и сырье, полученные от больных животных (мясо, шерсть, шкура), а также при непосредственном соприкосновении с почвой.
Особую опасность для человека представляет столбнячная палочка. Столбнячная палочка обнаруживается в почве в разных географических районах. Заражение человека происходит через поврежденную кожу или слизистую при контакте с загрязненной почвой. В прошлом особенно часто столбняк регистрировали среди солдат во время военных действий. В мирное время заболеваемость столбняком встречается главным образом среди жителей сельской местности.
В почвах встречается также спороносная палочка - возбудитель ботулизма - тяжелого пищевого отравления. При изучении почв некоторых районов Кавказа, Азовского и Каспийского морей, Приморского края, Дальнего Востока и Ленинграда она обнаружена в среднем в 9% проб, у берегов озера Балхаш и в Армянской ССР - в 33% проб. Из почвы она может попасть на овощи, ягоды, фрукты, рыбу, грибы и другие продукты и при благоприятных анаэробных условиях из споры переходит в вегетативную форму, продуцирующую токсин (яд). По силе действия на организм человека и животного он превосходит все другие бактериальные токсины и химические яды. Ботулизм регистрируется во многих странах мира - США, Канаде, Франции, Японии, России, Казахстане и др.
Анализ случаев заражения ботулизмом на территории Казахстана показывает, что в основном они связаны с продуктами домашнего приготовления: рыбой соленой и вяленой, грибами, консервированными в герметически закрытых банках, консервами овощными и фруктовыми.
Почва - источник заражения человека газовой гангреной. Это тяжелое заболевание, характеризующееся быстро распространяющимся отеком тканей и их омертвением. Она возникает при проникновении спор гангренозной палочки в поврежденные ткани вместе с загрязненной почвой, обрывками одежды, обуви и другими предметами. Газовую гангрену могут вызывать несколько видов клостридий. Чаще в почве встречаются клостридии перфрингенс типа А. Эти микробы, по данным различных авторов, встречаются в каждом образце почвы. Попадая в рану, они при благоприятных условиях размножаются в тканях и продуцируют токсин, который и вызывает омертвение и другие тяжелые признаки заболевания.
Из временных микроорганизмов, обитающих в почве, большую группу составляют возбудители кишечных инфекций (брюшного тифа, паратифов, дизентерии, холеры), бруцеллеза, туляремии, чумы, коклюша и др. Они попадают в почву только при определенных условиях (с выделениями больных, с нечистотами и др.). Нельзя сказать, что почва - благоприятная среда для их обитания. В их гибели большую роль наряду с недостатком питательных веществ, не всегда оптимальными влажностью и температурой почвы играет антагонизм между различного рода почвенными микроорганизмами. Не находя подходящих условий для своего развития, патогенные для человека и животных неспороносные бактерии погибают обычно относительно быстро. Однако некоторые из них, особенно в загрязненной почве, сохраняются продолжительное время: возбудители брюшного тифа, паратифов и холеры остаются жизнеспособными от нескольких суток до трех месяцев; бруцеллеза - от нескольких суток до пяти месяцев, туляремии - от нескольких суток до двух месяцев и т. д. Энтеровирусы - возбудители полиомиелита и некоторых кишечных заболеваний вирусного происхождения - выживают в почве от 25 до 170 дней.
Обычно заражение человека кишечными инфекциями происходит через загрязненные овощи. Однако наибольшую опасность имеет вторичное загрязнение подземных и поверхностных вод. Атмосферные осадки, попадающие на загрязненную почву и проходящие через нее, выносят микрофлору, в том числе и возбудителей заразных болезней, из поверхностных слоев в нижележащие грунтовые воды и загрязняют их. С ливневыми водами возбудители могут попасть в водоемы.
Для человека определенную опасность представляют отдельные виды актиномицетов, вызывающих поверхностные и глубокие микозы, а также микобактерии - возбудители туберкулеза, проказы, и дифтерии человека. Сроки выживаемости этих микроорганизмов в почве значительны: для палочек туберкулеза - от нескольких дней до 15 месяцев, для дифтерийной палочки - от нескольких дней до двух-трех недель.
Почва может служить местом развития, а при определенных условиях и инфицирования мух. Весь цикл развития мухи связан с почвой. Самка мухи откладывает яйца обычно в местах гнилостных отбросов и нечистот. Цикл развития до окрыленной мухи происходит в земле и сухих отбросах. В них же в зимний период многие мухи сохраняются как во взрослом состоянии, так и в стадии личинок. Значение мух в распространении кишечных и других инфекций убедительно доказано. Муха переносит заразное начало как на поверхности своего тела, на лапках и хоботе, так и в кишечнике. Многие возбудители кишечных инфекций сохраняются в жизнеспособном состоянии на поверхности тела мухи до двух суток, а в кишечнике еще больше.
Ко второй группе гельминтов относятся свиной и бычий цепни (солитеры). Они имеют очень сложный цикл развития. Из кишечника человека яйца гельминтов попадают в почву, оттуда - в корм крупного рогатого скота и свиней. В кишечнике этих животных они превращаются в личинки, которые с током крови разносятся по всему телу и поселяются главным образом в мускулатуре. Человек, употребляя без достаточной термической обработки говядину или свинину, заражается личиночной стадией гельминтов.
На здоровье человека может оказывать определенное влияние химический состав почвы. Еще академик В. И. Вернадский обратил внимание на значение для живых организмов некоторых микроэлементов почвы. Многочисленными исследованиями в нашей стране и за рубежом твердо установлено, что многие из них оказывают существенное влияние на рост и развитие растений, на состояние и функции организма животных, в том числе и человека.
Биохимические процессы, происходящие в земной коре, и процессы образования и обмена химических элементов в организме взаимосвязаны как отдельные этапы круговорота вещества в природе, как процессы взаимного обмена, обусловливающие жизнь.
В составе организмов обнаружено 47 постоянно присутствующих химических элементов. На них приходится от 0,4 до 0,6% живой массы. К числу достаточно изученных относятся медь, кобальт, цинк, марганец, иод, молибден, селен, фтор, стронций, бор, кадмий, ванадий. Микроэлементы - биогенные химические элементы, играющие роль катализаторов в развитии растений, особенно в процессах усвоения азота и фотосинтеза. Установлено, что при добавлении к кормам животных необходимых микроэлементов у них отмечается усиление роста. Отсутствие того или другого микроэлемента сопровождается специфическими признаками его недостаточности. Так, недостаток меди при некотором избытке молибдена и сульфатов приводит к возникновению эндемической атаксии животных.
Велико значение микроэлементов в организме человека. В состав крови человека входит 24 элемента, женского молока - около 30 (медь, цинк, кобальт, кремний, мышьяк и др.). Однако количество биогенных элементов в различных средах человеческого организма нельзя считать окончательно установленным. Микроэлементы входят в состав некоторых важных желез внутренней секреции - щитовидной, поджелудочной, половых и др. Так, цинк входит в состав щитовидной железы, гипофиза, семенников и яичников; кобальт - поджелудочной и щитовидной желез. Имеется основание полагать, что микроэлементы оказывают существенное влияние на функцию эндокринных желез. Микроэлементы входят в состав многих химических комплексов организма, таких, как соединение металлов с белками, различные ферменты, дыхательные пигменты, гормоны и некоторые витамины. Они участвуют в промежуточных процессах обмена веществ.
Микроэлементы поступают в организм человека с растительной и животной пищей, отчасти с водой, по схеме: почва - растение - организм животного. Уровень обеспеченности растительных и животных организмов микроэлементами зависит от содержания их прежде всего в почве. Недостаток или избыток микроэлементов в почве приводит к недостатку или избытку их не только у травоядных, но и плотоядных животных, а также в организме человека, влечет за собой ослабление или усиление синтеза биологически активных веществ, в состав которых входят микроэлементы, нарушение процесса промежуточного обмена веществ, возникновение заболеваний. Заболевания, связанные с недостатком или избытком микроэлементов, получили название эндемических (от греч. endemos - местный). Районы, в которых обнаруживаются отклонения в развитии растений и животных, регистрируются эндемические заболевания, связанные с местными геохимическими особенностями, А. П. Виноградов назвал биогеохимическими провинциями.
Известны биогеохимические провинции, бедные иодом (западные области Украины), бедные кобальтом и медью (Прибалтийские республики, Ярославская область) и др. Низкий уровень иода в почве ведет к низкому содержанию его в растениях и подземных водах, а следовательно, и в пищевом рационе населения. Недостаток иода служит причиной возникновения зобной болезни и кретинизма. Недостаток кальция при избытке стронция в питьевой воде и продуктах питания является, как полагают, причиной уровской болезни Кашина-Бека. Низкое содержание кобальта в почве - причина возникновения дисфункции обменных процессов у рогатого скота и овец. Недостаток содержания в почве и питьевой воде фтора приводит к кариесу зубов. При содержании фтора в питьевой воде выше 1,3 мг/л у человека и животных зубы поражаются “пятнистой эмалью”. При этом заболевании нередко поражается костная система организма (флюороз). В некоторых зарубежных странах в последние годы получило распространение эндемическое заболевание детей раннего возраста - метгемоглобинемия, вызываемая избытком в воде солей азотной кислоты.
Для борьбы с эндемическими заболеваниями в горных районах с йодной недостаточностью в рацион населения вводится специальная иодированная соль. В местностях с недостатком фтора в плановом порядке проводится фторирование воды и т.д.
Наряду с естественным неравномерным распространением тех или других химических элементов в современных условиях в огромных масштабах происходит и искусственное перераспределение их. Выбросы промышленных предприятий и объектов сельскохозяйственного производства, рассеиваясь на значительные расстояния и попадая в почву, создают новые сочетания химических элементов. Из почвы эти вещества в результате различных миграционных процессов могут попадать в организм человека (почва - растения - человек, почва - атмосферный воздух -человек, почва - вода - человек и др.). С промышленными твердыми отходами в почву поступают всевозможые металлы (железо, сталь, медь, алюминий, свинец, цинк) и другие химические загрязнения, в том числе микроэлементы, органические и неорганические соединения. Примером могут быть так называемые кислые дожди, образующиеся при избытке в воздухе оксидов серы, поступающих в атмосферу при сжигании минерального сырья.
Почва обладает способностью накапливать радиоактивные вещества, поступающие в нее с радиоактивными отходами ядерных, энергетических и других реакторов, регенерационных установок “горячих” лабораторий, медицинских, научно-исследовательских учреждений, использующих радиоизотопы, а также с атмосферными радиоактивными осадками после ядерных испытаний. Из радиоактивных изотопов наибольшую опасность представляют Sr и Cs с длительными периодами полураспада (соответственно 28 и 30 лет). Радиоактивные вещества включаются в пищевые цепи и поражают живые организмы. Поражение организма может быть как индивидуальным (например, развитие злокачественных новообразований), так и генетическим, представляющим потенциальную опасность для здоровья будущих поколений.
К числу химических соединений, загрязняющих почву, относятся и канцерогенные вещества - канцерогены. В настоящее время под канцерогенами подразумевают химические, физические и биологические вещества, которые играют существенную роль в возникновении опухолевых заболеваний у животных организмов. Наиболее широко распространены такие канцерогены, как полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). В эту группу входят до 200 агентов, в том числе бенз(а)пирен (БП), 7-12-диметилбенз(а)антрацен, дибенз(а)антрацен, 3,4-бензфлуорантен и другие, обладающие высокой канцерогенностью. Наиболее известный и активный ее представитель - БП., который принято считать индикатором группы ПАУ.
Основные источники загрязнения почвы канцерогенными веществами - выхлопные газы самолетов, автотранспорта, выбросы промышленных предприятий, тепловых электростанций, котельных и т. д. В почву канцерогены поступают из атмосферы вместе с крупно- и среднедисперсными пылевыми частицами, при утечке нефти или продуктов ее переработки и др. Канцерогенные вещества обнаруживаются в почве повсеместно, однако интенсивность загрязнения ими колеблется в значительных пределах. Это зависит от мощности источника загрязнения, расстояния от него исследуемой территории, направлении ветра и других факторов.
Обнаружение БП и других полициклических ароматических углеводородов в пробах, отбирающихся на территории, где отсутствовали какие-либо источники канцерогенов, дало основание предположить, что их наличие обусловлено не только деятельностью человека. Исследования, проведенные Л. М. Шабада, позволили определить “фоновый” уровень канцерогенных углеводородов в почве и других объектах внешней среды сельскохозяйственных районов, где отсутствуют источники загрязнения этими веществами. Знание фонового уровня имеет большое практическое значение для оценки загрязненности почвы канцерогенными углеводородами.
Определенную роль в возникновении фонового уровня канцерогенных загрязнений играют вулканические извержения. По сделанным подсчетам вулканы выбрасывают за год около 3х10 9 т вулканического пепла, 0,04% которого (около 1 млн. т) составляют органические соединения. Из общего числа органических соединений третья часть падает на углеводороды. Вулканический пепел в зависимости от силы извержения выбрасывается на высоту от 1 ,до 5 км и более и с потоками воздуха переносится на большие расстояния. Так, в 1883 г. при извержении вулкана Кракатау (Индонезия) мельчайшие вулканические пылинки облетели вокруг Земли два раза. В 1956 г. при извержении вулкана Безымянный на Камчатке высота выброса достигла 45 км, а пепел был разнесен на десятки тысяч километров. В застывшей вулканической массе обнаруживали канцерогенные углеводороды.
Удельный вес природных канцерогенных веществ в почве невелик и не представляет реальной угрозы для человека. Основная опасность загрязнения почвы связана с глобальным загрязнением атмосферы.
Таким образом, в связи с развитием научно-технической революции взаимосвязь человека и почвы усложняется, и это следует учитывать при планировании мероприятий по охране почвы.
II. Понятие агроэкосистемы
Понятие «экосистема» предложил англичанин Артур Тенсли в 1935 г. Знание законов организации экосистем позволяет использовать их или даже менять, не разрушая до конца систему возникших природных связей.
Понятие «агроэкосистема» как сельскохозяйственный вариант экосистемы появилось в 60-е гг. Им обозначают участок территории, сельскохозяйственный ландшафт, соответствующий хозяйству. Все его элементы связаны уже не только биологически и геохимически, но и экономически. Профессор Л. О. Карпачевский в предисловии к русскому переводу американской книги «Сельскохозяйственные экосистемы» подчеркнул двойственную социально-биологическую природу агро-экосистемы, структуру которой во многом определяет человек. По этой причине агроэкосистемы относятся к числу так называемых антропогенных (т.е. созданных человеком) экосистем. Однако она все же ближе к естественной экосистеме, чем, скажем, к другому варианту антропогенных экосистем - городских.
Агроэкосистемы это антропогенные (т.е. созданные человеком) экосистемы. Человек определяет их структуру и продуктивность: он распахивает часть земель и высевает сельскохозяйственные культуры, создает сенокосы и пастбища на месте лесов, разводит сельскохозяйственных животных.
Агроэкосистемы автотрофны: их основной источник энергии - солнце. Дополнительная (антропогенная) энергия, которую использует человек при обработке почвы и которая затрачена на производство тракторов, удобрений, пестицидов и т.д., не превышает 1 % солнечной энергии, усваиваемой агроэкосистемой.
Как и естественная экосистема, агроэкосистема состоит из организмов трех основных трофических групп: продуцентов, консументов и редуцентов.
Сельскохозяйственные экосистемы или агроэкосистемы (АгрЭС) относятся к числу антропогенных экосистем, которые наиболее близки к естественным. Эти ансамбли видов искусственны, так как состав выращиваемых растений и разводимых животных определяет человек, стоящий на вершине экологической пирамиды и заинтересованный в получении максимального количества сельскохозяйственной продукции: зерна, овощей, молока, мяса, хлопка, шерсти и т.д. В то же время АгрЭС, как и естественные экосистемы, автотрофны. Основным источником энергии для них является Солнце. Вся вводимая в АгрЭС антропогенная энергия, затрачиваемая на вспашку земли, удобрение, обогрев животноводческих помещений, называется антропогенной энергетической субсидией (АС). АС составляет не более 1% общего энергетического бюджета АгрЭС. Именно АС является причиной разрушения агроресурсов и загрязнения окружающей среды, что осложняет решение проблемы обеспечения FS. Снижение величины АС - основа обеспечения FS.
Величина АС в АгрЭС может меняться в самых широких пределах, и если соотнести ее с количеством энергии, содержащейся в готовом продукте, то это отношение будет меняться от 1/15 до 30/1. В первобытных (но еще сохранившихся) огородах папуасов на одну калорию мускульной энергии получается не менее 15 калорий пищи, но всего лишь одна калория пищи получается при вложении 20-30 калорий энергии в интенсивном сельском хозяйстве. Разумеется, такое интенсивное хозяйство позволяет получать по 100 ц зерна с 1 га, по 6000 л молока от одной коровы и более 1 кг ежесуточного привеса у животных, откармливаемых на мясо. Однако цена этих успехов слишком дорога. Разрушение агроресурсов, которое в последние 20-30 лет приняло угрожающие масштабы, вносит свой вклад в приближение грядущего экологического кризиса.
"Зеленая революция", произошедшая в 60-70-е годы нашего столетия, когда благодаря ее отцу - лауреату Нобелевской премии Н. Берлоугу на полях появились карликовые сорта с урожайностью, превышающей таковую в традиционных культурах в 2-4 раза, и новые породы скота - "биотехнологические монстры", нанесла наиболее ощутимый удар по биосфере. При этом к началу 80-х годов производство зерна стабилизировалось и даже наметилась тенденция его уменьшения из-за утери почвами естественного плодородия и снижения эффективности удобрений. Население планеты при этом продолжает бурно расти, и в итоге количество зерна, производимого в мире в пересчете на одного человека, начало снижаться.
III. Городские экосистемы
Городские экосистемы гетеротрофны, доля солнечной энергии, фиксированная городскими растениями или солнечными батареями, расположенными на крышах домов, незначительна. Основные источники энергии для предприятий города, отопления и освещения квартир горожан расположены за его пределами. Это - месторождения нефти, газа, угля, гидро- и атомные электростанции.
Город потребляет огромное количество воды, лишь незначительную часть которой человек использует для непосредственного употребления. Основную часть воды тратят на производственные процессы и на бытовые нужды. Личное потребление воды в городах составляет от 150 до 500 л в сутки, а с учетом промышленности на одного гражданина приходится до 1000 л в сутки.
Использованная городами вода возвращается в природу в загрязненном состоянии - она насыщена тяжелыми металлами, остатками нефтепродуктов, сложными органическими веществами, подобными фенолу, и т.д. В ней могут содержаться болезнетворные микроорганизмы. Город выбрасывает в атмосферу ядовитые газы, пыль, концентрирует на свалках токсичные отходы, которые с потоками весенней воды попадают в водные экосистемы.
Растения, в составе городских экосистем растут в парках, садах, на газонах, их главное назначение - регулирование газового состава атмосферы. Они выделяют кислород, поглощают диоксид углерода и очищают атмосферу от вредных газов и пыли, попадающих в неё при работе промышленных предприятий и транспорта. Растения имеют также большое эстетическое и декоративное значение.
Животные в городе представлены не только обычными в естественных экосистемах видами (в парках живут птицы: горихвостка, соловей, трясогузка; млекопитающие: полевки, белки и представители других групп животных), но и особой группой городских животных - спутников человека. В её составе - птицы (воробьи, скворцы, голуби), грызуны (крысы и мыши), и насекомые (тараканы, клопы, моль). Многие животные, связанные с человеком, питаются отбросами на помойках (галки, воробьи). Это санитары города. Разложение органических отходов ускоряют личинки мух и другие животные и микроорганизмы.
Главная особенность экосистем современных городов в том, что в них нарушено экологическое равновесие. Все процессы регулирования потоков вещества и энергии человеку приходится брать на себя. Человек должен регулировать как потребление городом энергии и ресурсов - сырья для промышленности и пищи для людей, так и количество ядовитых отходов, поступающих в атмосферу, воду и почву в результате деятельности промышленности и транспорта. Наконец, он определяет и размеры этих экосистем, которые в развитых странах, а последние годы и в России, быстро "расползаются" за счет загородного коттеджного строительства. Районы низкоэтажной застройки уменьшают площадь лесов и сельскохозяйственных угодий, их "расползание" требует строительства новых шоссейных дорог, что уменьшает долю экосистем, способных производить продукты питания и осуществлять круговорот кислорода.
IV. Промышленное загрязнение среды
В городских экосистемах наиболее опасно для природы промышленное загрязнение.
Химическое загрязнение атмосферы. Этот фактор относится к числу наиболее опасных для жизни человека. Наиболее распространенные загрязнители - сернистый газ, оксиды азота, оксид углерода, хлор, и др. В некоторых случаях из двух или относительно нескольких относительно не опасных веществ, выброшенных в атмосферу, под влиянием солнечного света могут образоваться ядовитые соединения. Экологи насчитывают около 2000 загрязнителей атмосферы.
Главные источники загрязнения - ТЭС. Сильно загрязняют атмосферу также котельные, нефтеперерабатывающие предприятия и автотранспорт.
Химическое загрязнение водоемов. Предприятия сбрасывают в водоемы нефтепродукты, соединения азота, фенол и многие другие отходы промышленности. При добыче нефти водоемы загрязняются засоленными видами, нефть и нефтепродукты также разливаются при транспортировке. В России от нефтяного загрязнения более всего страдают озера Севера Западной Сибири. За последние годы возросла опасность для водных экосистем бытовых стоков городской канализации. В этих стоках повысилась концентрация моющих средств, которые микроорганизмы разлагают с трудом.
Пока количество загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу или сбрасываемых в реки, невелико, экосистемы сами в состоянии справиться с ними. При умеренном загрязнении вода в реке становится практически чистой через 3-10 км от источника загрязнения. Если загрязнителей слишком много, экосистемы не могут с ними справиться и начинаются необратимые последствия. Вода становится непригодной для питья и опасной для человека. Не годится загрязненная вода и для многих отраслей промышленности.
Загрязнение поверхности почвы твердыми отходами. Городские свалки промышленного и бытового мусора занимают большие площади. В составе мусора могут оказаться ядовитые вещества, такие, как ртуть или другие тяжелые металлы, химические соединения, которые растворяются в дождевых и снеговых водах и затем попадают в водоемы и грунтовые воды. Могут попасть в мусор и приборы, содержащие радиоактивные вещества.
Поверхность почвы может быть загрязнена золой, оседающей из дыма ТЭЦ, работающих на угле, предприятий по производству цемента, огнеупорного кирпича и т.д. Для предотвращения этого загрязнения на трубах устанавливают специальные пылеуловители.
Химическое загрязнение грунтовых вод. Токи грунтовых вод перемещают промышленные загрязнения на большие расстояния, и не всегда можно установить их источник. Причиной загрязнения может быть вымывание токсичных веществ дождевыми и снеговыми водами с промышленных свалок. Загрязнение подземных вод происходит и при добыче нефти современными методами, когда для повышения отдачи нефтяных пластов в скважины повторно закачивают соленую воду, поднявшуюся на поверхность вместе с нефтью при её откачке. Засоленные воды попадают в водоносные горизонты, вода в колодцах приобретает горький вкус и оказывается не пригодной для питья.
Шумовое загрязнение. Источником шумового загрязнения может быть промышленное предприятие или транспорт. Особенно сильный шум производят тяжелые самосвалы и трамваи. Шум влияет на нервную систему человека, и потому в городах и на предприятиях проводятся мероприятия по шумозащите. Железнодорожные и трамвайные линии и дороги, по которым проходит грузовой транспорт, нужно выносить из центральных частей городов в малонаселенные районы и создавать вокруг них зеленые насаждения, хорошо поглощающие шум. Самолеты не должны летать над городами.
Шум измеряют децибелах. Тиканье часов - 10 дб, шепот - 25, шум от оживленной магистрали - 80, шум самолета при взлете - 130 дб. Болевой порог шума - 140 дб. На территории жилой застройки днем шум не должен превышать 50-66 дб.
Также к загрязнителям относят: загрязнение поверхности почвы отвалами вскрышных пород и золы, биологическое загрязнение, тепловое загрязнение, радиационное загрязнение, электромагнитное загрязнение.
V. Загрязнение почвы
Почва - верхний слой суши, образующийся под влиянием растений, животных, микроорганизмов и климата из материнских горных пород, на которых он находится. Это важный и сложный компонент биосферы, тесно связанный с другими ее частями.
В нормальных естественных условиях все процессы, происходящие в почве, находятся в равновесии. Но нередко в нарушении равновесного состояния почвы повинен человек. В результате развития хозяйственной деятельности человека происходит загрязнение, изменение состава почвы и даже ее уничтожение.
Плодородный слой почвы формируется очень долго. В то же время ежегодно вместе с урожаем из почвы изымаются десятки миллионов тонн азота, калия, фосфора - главных компонентов питания растений. Основной фактор плодородия почв - перегной (гумус) содержится в черноземах в количестве менее 5% от массы пахотного слоя. На бедных почвах перегноя еще меньше. При отсутствии пополнения почв соединениями азота его запас может быть израсходован за 50-100 лет. Этого не происходит, поскольку культура земледелия предусматривает внесение в почву органических и неорганических (минеральных) удобрений.
Внесенные в почву азотные удобрения используются растениями на 40-50%. Остальная часть (около 20%) восстанавливается микроорганизмами до газообразных веществ - N 2 , N 2 O - и улетучивается в атмосфере или вымывается из почвы. Таким образом, минеральные азотные удобрения не обладают длительным действием и поэтому их приходится вносить ежегодно. Неблагоприятные изменения в почве наступают и в результате неправильных севооборотов, т.е. ежегодного посева одних и тех же культур, например картофеля. Включение же в севооборот бобовых культур обогащает почву азотом. Посевы клевера и люцерны за счет связывания N 2 симбиотическими клубеньковыми бактериями позволяют задержать в почве до 300 кг азота на 1 га. Севообороты необходимы и для борьбы с растительноядными червями нематодами, которые значительно снижают урожайность. Например, луковично-чесночные нематоды могут снизить урожай лука на 50%.
Загрязнение почвенного покрова ртутью (с ядохимикатами и отходами промышленных предприятий), свинцом (при выплавке свинца и от автотранспорта), железом, медью, цинком, марганцем, никелем, алюминием и другими металлами (вблизи крупных центров черной и цветной металлургии), радиоактивными элементами (в результате выпадения осадков от атомных взрывов или при удалении жидких и твердых отходов промышленных предприятий, атомных станций или научно-исследовательских институтов, связанных с изучением и использованием атомной энергии), стойкими органическими соединениями, применяемыми в качестве ядохимикатов. Они накапливаются в почве и воде и, главное, включаются в экологические пищевые цепи: переходят из почвы и воды в растения, в животных, и в итоге переходят в организм человека с пищей. Неумелое и бесконтрольное использование любых удобрений и ядохимикатов приводит к нарушению круговорота веществ в биосфере.
К числу антропогенных изменений почв относится эрозия (от латинского erosio - разъедать). Уничтожение лесов и естественного травянистого покрова, многократная распашка земли без соблюдения правил агротехники приводят к эрозии почвы - разрушению и смыву плодородного слоя водой и ветром. Широко распространена и наиболее разрушительная водная эрозия. Она возникает на склонах и развивается при неправильной обработке земли. Вместе с талыми и дождевыми водами с полей ежегодно уносится в реки и моря миллионы тонн почвы.
Ветровая эрозия наиболее сильно проявляется в южных степных районах нашей страны. Она возникает в районах с сухой обнаженной почвой, c изреженным растительным покровом. Чрезмерный выпас скота в степях и полупустынях способствует ветровой эрозии и быстрому разрушению травяного покрова. Для восстановления слоя почвы толщиной 1 см в естественных условиях требуется 250-300 лет.
Значительные территории со сформированными почвами изымаются из сельскохозяйственного оборота вследствие открытого способа разработки полезных ископаемых, залегающих на небольшой глубине.
VI. Антропогенное воздействие на леса, лесопользование
В развитии антропогенного воздействия на леса Европейского Севера России можно выделить два основных периода: до начала интенсивного промышленного освоения лесных ресурсов Севера, ориентированного на потребности других регионов и экспорта, и после. Разумеется, временная граница между этими периодами достаточно расплывчата, и изменяется с юго-запада на северо-восток (от более населенных и близких к крупным хозяйственным центрам регионов к менее населенным и более удаленным). В отдельных частях рассматриваемой территории интенсивное промышленное освоение лесных ресурсов началось уже в XVII - XVIII веках (например, в районе Старой Руссы в связи с активным развитием солеварения или на среднем и южном Урале в связи с развитием древесно-угольной металлургии). Однако, на большей части рассматриваемой территории сколько-нибудь интенсивное промышленное освоение лесных ресурсов начинается в середине XIX столетия и связано с началом бурного роста экспорта лесных материалов из северных портов в страны Европы.
Каждый из этих периодов характеризовался своими особенностями воздействия хозяйственной деятельности человека на таежную природу. Нельзя однозначно сказать, что уровень воздействия человека на природные экосистемы Севера в первый период, до начала интенсивной лесоэксплуатации, был ничтожно мал. Уже в самый начальный период заселения человеком современной таежной территории он был по крайней мере существенным дополнительным источником лесных пожаров - и таким способом уже внес свой немалый вклад в формирование таежных экосистем. Впоследствии немалую роль в формировании таежных ландшафтов сыграли подсечно-огневое земледелие и расчистка сенокосных угодий в поймах таежных рек, рубки леса для местных хозяйственных нужд, охота и рыболовство и многие другие виды хозяйственной деятельности, связанные с натуральным хозяйством северных деревень и городов. Многие формы и элементы хозяйства, сформировавшиеся в этот первый период хозяйственного освоения человеком территории Севера, сохранялись и в течение большей части следующего - промышленного - периода. Так, подсечно-огневое земледелие просуществовало на Севере до 30-х г.г. ХХ столетия и окончательно прекратилось в основном в связи с коллективизацией и истреблением крестьян-единоличников. Использование мелких сенокосных угодий по поймам малых таежных рек и ручьев местами продолжается и в настоящее время, хотя подавляющее большинство таких сенокосов также постепенно забрасывалось, начиная с 20-х г.г. Система охотничьих изб-зимовий существует и местами частично обновляется до настоящего времени, хотя уже и не имеет прежней густоты и былого значения и не столь часто используется местным населением. Явные следы "доиндустриальной" хозяйственной деятельности человека - заброшенные и заросшие лесом участки подсеки или мелкие лесные сенокосы, остатки старых охотничьих изб, а иногда даже мелких поселений - можно местами встретить сейчас в самом центре ныне диких и абсолютно не населенных таежных территорий.
Несмотря на то, что хозяйственная деятельность человека в первый период - до начала интенсивной лесоэксплуатации - была весьма важным фактором, воздействовавшим на структуру и динамику таежных территорий, в данной работе вся эта деятельность рассматривается как исторический фактор формирования тайги, а не как антропогенное нарушение (см. главу "Фоновые антропогенные воздействия"). Разумеется, что созданная в тот период и просуществовавшая до настоящего времени антропогенная инфраструктура (населенные пункты, пути транспорта, промышленные центры) была исключена из потенциальных малонарушенных лесных территорий.
Значительно большее воздействие на природные экосистемы Севера было связано с последующим периодом развития хозяйственной деятельности - с интенсивным промышленным освоением лесных ресурсов тайги.
Используемая литература
1. www.omsk.edu.ru/schools/sch004/ecolog/lit.htm.
2. Гарин В.М., Клёнова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. Ростов- на- Дону, Издательство « Феникс» 2001г.
3. Степановских А.С. Общая экология: Учебник для вузов - М: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
План
Введение
2. Влияние человека на почву
3. Эрозия почвы
3.1 Причины и виды эрозии
3.2 Борьба с эрозией почвы
4. Пути попадания загрязнений в почву и классификация почвенных загрязнений
5. Загрязнение почвы пестицидами
6. Аридизация почвы
7. Деградация земель
8. Охрана земельных ресурсов
Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время проблема взаимодействия человеческого общества с природой приобрела особую остроту. Становится бесспорным, что решение проблемы сохранения качества жизни человека немыслимо без определенного осмысления современных экологических проблем: сохранение эволюции живого, наследственных субстанций (генофонда флоры и фауны), сохранение чистоты и продуктивности природных сред (атмосферы, гидросферы, почв, лесов и т. д.), экологическое нормирование антропогенного пресса на природные экосистемы в пределах их буферной емкости, сохранение озонового слоя, трофических цепей в природе, круговорота веществ и другие.
Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы Земли. Именно почвенная оболочка определяет многие процессы, происходящие в биосфере.
Основными причинами уменьшения площади сельхозугодий являются проявления эрозии почв, недостаточно продуманный отвод земель для несельскохозяйственных нужд, затопление, подтопление и заболачивание, зарастание лесом и кустарником, опустынивание и отчуждение под промышленное и городское строительство.
Важнейшее значение почв состоит в аккумулировании органического вещества, различных химических элементов, а также энергии. Почвенный покров выполняет функции биологического поглотителя, разрушителя и нейтрализатора различных загрязнений. Если это звено биосферы будет разрушено, то сложившееся функционирование биосферы необратимо нарушится. Именно поэтому чрезвычайно важно изучение глобального биохимического значения почвенного покрова, его современного состояния и изменения под влиянием антропогенной деятельности.
1. Почва: значение и структура
Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части, как почвенный покров. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера – становится целостной завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.
Почвенный покров является важнейшим природным образованием. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км 2 или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 15 млн. км 2 (10% суши), сенокосы и пастбища – 37,4 млн. км 2 (25% суши). Общая пахотнопригодность земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км 2 .
Представления о почве, как о самостоятельном природном теле с особыми свойствами появились лишь в конце XIX в., благодаря В. В. Докучаеву, – основоположнику современного почвоведения. Он создал учение о зонах природы, почвенных зонах, факторах почвообразования.
Почва – это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва – это та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух, живые организмы. Почву можно определить как продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоев земной коры под влиянием живых организмов, атмосферы и обменных процессов. Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним.
Горизонт A l – темноокрашенный, содержащий гумус, обогащен минеральными веществами и имеет для биогенных процессов наибольшее значение.
Горизонт А 2 – элювиальный слой, имеет обычно пепельный, светло-серый или желтовато-серый цвет.
Горизонт В – элювиальный слой, обычно плотный, бурый или коричневой окраски, обогащенный коллоидно-дисперсными минералами.
Горизонт С – измененная почвообразующими процессами материнская порода.
Горизонт D – исходная порода.
Поверхностный горизонт состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса, избыток или недостаток которого определяет плодородие почвы. Гумус – органическое вещество, наиболее устойчивое к разложению и поэтому сохраняющееся после того, как основной процесс разложения уже завершен. Постепенно гумус также минерализуется до неорганического вещества. Перемешивание гумуса с почвой придает ей структуру. Обогащенный гумусом слой называется пахотным, а нижележащий слой – подпахотным. Основные функции гумуса сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве. Под гумусовым горизонтом располагается подпочвенный слой, соответствующий выщелоченной части почвы, и горизонт, отвечающий материнской породе.
Структура почвы – это форма и размер комочков, на которые она распадается. Лучшая структура – мелкокомковатая. Внутри комочков складываются условия для деятельности микроорганизмов-гумификаторов, образующих гумус, а между комочками – для микроорганизмов, которые разлагают гумус до доступных растениям минеральных соединений.
Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования и различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы, или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет "почвенный воздух", включающий газы, заполняющие свободные от воды поры.
Важным компонентом почвы, способствующим изменению ее физико-химических свойств, является ее биомасса, включающая кроме микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные) еще и червей и членистоногих.
Из сказанного следует, что почва включает минеральные частицы, детрит, множество живых организмов, т. е. почва - это сложная экосистема, обеспечивающая рост растений. Почвы - это медленно возобновляемый ресурс. Процессы почвообразования протекают очень медленно, со скоростью от 0,5 до 2 см за 100 лет. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см - в западных черноземах. Одна из особенностей почвы - естественное плодородие – формируется очень длительное время, а уничтожение плодородия происходит всего за 5-10 лет. Из сказанного следует, что почва менее подвижна по сравнению с другими абиотическими составляющими биосферы.
почва эрозия загрязнение пестицид
Влияние человека на почву
Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры и факторы почвообразования - рельефы, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация.
Основное свойство почвы - плодородие. Оно связано с качеством почв. В разрушении почв и снижении их плодородия выделяют несколько процессов.
Особое место среди почв занимают пахотные угодья, т. е. земли, обеспечивающие питание человека. По заключению ученых и специалистов, для питания одного человека следует обрабатывать не менее 0,1 га почвы. Рост численности жителей Земли напрямую связан с площадью пахотных земель, которая неуклонно сокращается. Так в РФ за последние 27 лет площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 12,9 млн. га, из них пашни - на 2,3 млн. га, сенокосов - на 10,6 млн. га. Причинами этого являются нарушение и деградация почвенного покрова, отвод земель под застройку городов, посёлков и промышленных предприятий.
На больших площадях происходит снижение продуктивности почв из-за уменьшения содержания гумуса, запасы которого за последние 20 лет сократились в РФ на 25-30%, а ежегодные потери составляют 81,4 млн. т. Земля сегодня может прокормить 15 млрд. человек. Бережное и грамотное обращение с землей сегодня стало самой актуальной проблемой.
Антропогенное воздействие на почву подразделяется на несколько видов:
1) эрозия (ветровая и водная);
2) загрязнение;
3) опустынивание;
4) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства, а также вторичное засоление и заболачивание.
Сельскохозяйственная освоенность России составляет 13%, 2/3 этой территории – пашня (131,7 млн. га), однако эта площадь год от года сокращается. Каждый год из сельскохозяйственного использования более 1 млн. га теряется в результате эрозии и 100 тыс. га «съедают» овраги. Ежегодно почвы России теряют более 0,5 тонн гумуса на 1 га. Из 5,9 млн. га орошаемых земель более половины этих почв вторично засолены и дают крайне низкие урожаи. Каждый четвертые гектар пашни имеет кислые почвы из-за выпадения кислотных дождей и применения удобрений, что также снижает урожай. Сокращается площадь пашни в результате «расползания» городов, строительства дорого и промышленных объектов.
Введение в специальность
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
Воздействие человека на почву и влияние ее загрязнения на объекты биосферы.
Почва - это особая органо-минеральная природная многофазная структурная система, обдадающая плодородием, возникшая в поверхностном слое выветривания горных пород в результате воздействия живых организмов на органические и минеральные субстраты, разложения мертвых организмов, влияния природных вод и атмосферного воздуха, в различных условиях климата, рельефа и времени в гравитационном поле Земли.
Основное свойство почвы - плодородие. Оно, связано с качеством почв, в том числе с содержанием в них простых элементов, мощностью, загрязненностью и т. д. Убирая ежегодно урожай, человек тем самым отчуждает накопленные в почве сотнями и тысячелетиями питательные вещества - элементы питания растений. Запас их в почве не безграничен, даже с учетом всех вносимых в мире удобрений. Деградация и потери почвенного покрова в последнее десятилетие особенно увеличились в засушливых местах и полузасушливых районах мира, прилежащих к пустыням. Это так называемый процесс опустынивания, по борьбе с которым в ООН разработан всемирный план действий.
В разрушении почв и снижении их плодородия выделяют следующие процессы:
1. Аридизация суши - комплекс процессов уменьшения увлажненности обширных территорий и вызванного этим сокращение биологической продуктивности экологических систем. Под действием примитивного земледелия, нерационального использования пастбищ, беспорядочного применения техники на угодиях, окаймляющих пустыни, почвы превращаются в пустыни.
2. Эрозия почв, т. е. разрушение почв под воздействием ветра, воды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия - смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Отмечаются при крутизне уже 1-2°, чем круче склон, тем интенсивнее эрозия. Водной эрозии способствует уничтожение лесов, направление вспашки (по склону).
Ветровая эрозия характеризуется выносом ветром наиболее мелких частиц почвы, с которыми выносятся важнейшие вещества. Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота. Известно, что пыльные бури уничтожали почвы огромных сельскохозяйственных территорий Азии, Южной Европы, Африки, Австралии и Америки. Так в 1934 г. в США в районе распаханных прерий Великой равнины 20 млн га пыльной бурей превращены в бросовые земли, а 60 млн га резко снизили свое плодородие.
Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и техники. иррациональная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии.
3.3асоление почв в основном связано с этими нарушениями. Различают естественное засоление, когда губительное количество углекислых солеи Са, Мg, Nа накапливаются в почве, поступая из грунтовых вод, и вторичное засоление орошаемых почв. В этом случае из-за отсутствия дренажа на поливных участках и гидро¬изоляции оросительных систем, происходит подъем грунтовых вод, заболачивание земель и их засоление.
В настоящее время не менее 50% площади орошаемых земель значительно засолено и потеряны миллионы ранее плодородных земель.
Изменение содержания микроэлементов в почве немедленно сказывается на здоровье травоядных животных и человека. Недостаток или избыток тех или иных микроэлементов приводит к нарушению обмена веществ, вызывая различные заболевания. Так недостаток йода в почве (Западные области Украины) ведет к болезни щитовидной железы и кретинизму, недостаток кальция при избытке стронция в питьевой воде и продуктах питания - причина болезни, приводящей к поражению суставов, их деформации, задержке роста (С. Китай, р-ны Забайкалья, Дальнего Востока и др.). Недостаток фтора вызывает кариес зубов (одл. на реке Дон и др.). Выбросы предприятий и транспорта попадают в почву, изменяя состав микроэлементов.
Основными источниками регионального заражения почвы канцерогенами являются выхлопы самолетов, автотранспорта, выбросы промпредприятий, продукты нефтепереработки и др. Таким образом, основная опасность загрязнения почвы связана с глобаль¬ным загрязнением атмосферы.
Предельно допустимую концентрацию (ПДК) вредных веществ в почве устанавливают с учетом опасности не только от непосредственного контакта с ней, но главным образом с учетом последствий вторичного загрязнения контактирующих с почвой растений и животных, атмосферы и водоемов. Наряду с безвредными живыми организмами в почве обитают постоянно или временно патогенные (греч. раtlios - страдание и genos- рождение) - болезнетворные организмы - возбудители инфекционных болезней: сибирской язвы, газовой гангрены, столбняка, ботулизма и др.
Заражение человека может наступить при обработке почвы уборке урожая, строительных работах и т. д. К числу более опасных болезней человека и животных относится сибирская, язва (возбудитель - сибирская язвенная палочка, которая попадая в почву с мочой и испражнениями больных животных, образует вокруг себя спору и она в таком состоянии может сохраняться годами). Человек, как правило, заражается при контакте с животными. В почвах встречается также столбнячная палочка (заражение происходит через поврежденную кожу или слизистую, спороносная палочка (возбудитель ботулизма-тяжелого пищевого отравления). Кроме перечисленных в почве могут присутствовать кишечная палочка, аэробные и анаэробные бактерии, различные гельминты.
Оценку санитарного состояния почв проводят в соответствии с «оценочными показателями санитарного состояния почвы населенных мест». В качестве химического показателя берут санитарное число - частное от деления количества белкового азота на количество органического азота. При внесении в почву загрязнений содержание органического азота увеличивается.
В качестве показателя бактериального загрязнения почвы используют титр кишечной палочки и титр одного из анаэробов, т.е. определение количества изменяемого параметра на единицу объема.
Санитарно-гельминтологическим показателем состояния почвы является число яиц гельминтов в 1 кг почвы, а санитарно-энтомологическим наличие личинок и куколок мух в 0,25 м ее поверхности.
Значение почв для жизни на Земле и развития человеческого общества невозможно переоценить. Земля сегодня может прокормить 15 млрд чел. Следует учитывать, что оставшиеся нераспаханными пахотопригодные. земли все низкого качества. Лучшие земли уже распаханы. Кроме того, освоение новых земель потребует вовле¬чения новых ресурсов пресной воды, а свободных запасов пресной воды в мире уже нет.
Говоря о земельных ресурсах мира, необходимо иметь в виду и их соотношение с прогрессивным ростом населения планеты, что объективно ведет к прогрессивному уменьшению пахотопригодной земли на душу населения. В целом мировая норма фонда пахотопригодных земель на души населения снизилась с 1,5 га 1900 г. до 0,55 га 1990 г.
Техногенная интенсификация производства способствовала загрязнению и дегумификации, уплотнению, нарушению, вторичному засолению, эрозии почв и другим негативным последствиям.
Загрязнение почв - это привнесение в почву новых (не характерных для нее) физических, химических или биологических агентов или превышение их концентраций естественного средне-многолетнего уровня в рассматриваемый период времени. В связи с тем, что почва - это основа биологического круговорота, она становится источником миграции загрязняющих веществ в смежные сферы: атмосферу, литосферу, и гидросферу, а также в продукты питания (через растения).
Применительнок уровню региона, области, города, района и иных типологических географических единиц, где имеется антропогенное воздействие на ОПС состояние может быть охарактеризовано через характеристики ландшафта. В настоящее время более половины территории суши всей планеты представлены антропогенными ландшафтами. Если в естественных ландшафтах природные процессы саморегулируются, то в антропогенных они контролируются человеком, во многом определяя в целом состояние ОПС. Поэтому целесообразно рассмотреть, каким образом населенные пункты влияют на ландшафты и отходами жизнедеятельности.
Рассматривая населенный пункт как термодинамически откры¬тую экосистему, отходы его следует понимать как отвод необра¬тимого рассеивания энергии, как энтропию городской среды, обуславливающие устойчивость, при допустимых их количествах, и саморегуляцию ОПС.
Отходы жизнедеятельности.
Защита городской среды от ТБО состоит в обеспечении сбора, накопления, транспортировки, пере¬работки (складировании) отбросов и отходов. Определение количества транспортных единиц, потребных площадей и т. п. технических слагающих этого процесса производится на основе средне¬суточных норм накопления отбросов.
Повышение уровня комфортности жилья приводит к увеличению на 1-3% в год от каждого жителя. При определении количества мусора на предприятиях, в общественных зданиях и д. показатели относятся к одному рабочему, служащему, посетителю, зрителю. они составляют от 0,02-0,3 кг/сут., при этом на нормы накопления отходов влияют климат, характер застройки, демографические показатели, уровень промышленного развития, торговли, сферы услуг и т. д. Неравномерность накопления ТБО имеет место по дням недели, времени года, суток.
Годовое количество мусора:
Qг= p М + giПi", м3 ,
где р - расчетная норма мусора накопления на 1 чел, мэ/год; М - количество жителей в населенном пункте, чел.; gi- удельная норма накопления мусора на 1 рабочего, служащего и т. д., на производстве, в общественных, зрелищных и пр. зданиях, м3/год; Пi - количество рабочих, служащих и т. д. соответственно, чел.
Среднесуточный объем мусора:
Qс=Qг x Ki/365,
где Ki - коэффициент суточной неравномерности накопления мусора принимается равным 1,2-1,3.
В населенных пунктах России ежегодно образуется около -115-118 млн м3 ТБО. Исходя из сложившегося ежегодного прироста, ожидадось, что 2005 г. их объем возрастет до 170 - 180 млн м3. К настоящему моменту стало 300 м3. Основная масса ТБО имеет размер компонентов менее 0,25 м (95-98%). Крупногабаритные отходы (мебель, ящики, елки и т. п., составляющие 15-25 кг/чел-год,) не включаются расчетные характеристики проектирования полигонов.
Загрязнение атмосферы компонентами свалок и полигонов ТБО определяется выделением биогаза, содержащим: углекислый газ, метан, сероводород, аммиак, фосфина, и др. суммарным объемом до 5 м3 в 1 м3 . В результате выпадения атмосферньгх осадков и процессов развивающихся в теле полигона образуется фильтрат, содержащий органических ве¬ществ по БПКП = 7,4 г/л, по ХПК =12,9 г/л, хлоридов до 55 г/л, рН = 5,3 - 9,0, коли-титр 0,00001, яйца гельминтов до 10 шт./л. Фильтрат, даже при наличии противофильтрационных экранов, поступает в подземные воды, загрязняя их. Исследователя показано, что фильтратом за 2 года из 1 т ТБО в подземные воды выносится 0,5 кг хлоридов, 12 кг сульфатов, 1 кг сульфидов, с одновременным выносом бактериальных загрязнений, вызывающих брюшной тиф, паратиф, дизентерию, туберкулез. Обезвреживание ТБО является главной составляющей охраны ОПС.
Наиболее распространенные, в большей степени природные, приемы обработки ТБО:
1) открытые свалки - неконтролируемый сброс отходов, без уплотнения, изоляции, чаще всего «диким» способом; наиболее низкий и неприемлемый способ удаления ТБО;
2) закрытые свалки - в настоящее время самый распространен¬ный организованный метод обезвреживания, позволяющий обра¬батывать большие объемы ТБО при относительно малом воздей¬ствии на ОПС, однако при этом методе отсутствует утилизация продуктов ТБО;
3) полигоны ТБО - более современный способ обработки.
(отходов, совмещающий достоинства предыдущего, но при этом утилизируется «биогаз», метан (55-60%). образующийся в теле полигона вследствие анаэробной биодеструкции органических веществ. С каждой тонны ТБО образуется до 200 м газа, отводимого системой горизонтальных дырчатых труб в газгольдер, и используемого в топливных или энергетических установках. К сожалению такого отечественного практического опыта не имеется. Данные природные методы обработки ТБО рассчитаны на длитель¬ное (более 100 лет) отторжение площадей, поэтому их нельзя
признать перспективными, поскольку отходы не включаются в малые и большие круговороты вещества и энергии и, следователь¬но, ведут к дополнительной антропогенной нагрузке на ОПС, снижению ее экологической, резистентной устойчивости;
4) компостирование - биохимический процесс обезвреживания ТБО, результатом которого является отсутствие выбросов, отходов, занимаемых площадей, получение биотоплива и компоста, исполь¬зуемого в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Как и любая другая технология более высокого уровня биокомпостирование требует соблюдения режимных параметров по соотношению
С: N: Р; температуры, влажности, интенсивности аэрации, перемешивания, сушки и т. д. Процесс этот может осуществляться в буртах, на площадках с высотой слоя ТБО не более 2 м или во вращающихся барабанах диаметром 3-3,5 м и длиной не менее 20 м. В тоже время преимущества последнего варианта компостирования ТБО очевидны, так как срок обезвре¬живания сокращается до 6 суток. Мусороперерабатывающие заводы используют именно эту технологию;
5) Прессование – принудительное разделение ТБО на твердые и жидкие компоненты и последующая переработка давлением 80 МПа. Получаемый при таких параметрах твердый материал имеет объемную массу около 1000 кг/м и используется в строительстве дорог, жидкая фаза подвергается компостированию;
6) пиролиз - нагрев до 600-800°С ТБО в условиях дефицита кислорода, что приводит к термическому разложению органиче¬ской части и обезвреживанию, получению при этом горючих газов, нефтепродуктов. Следует констатировать с сожалением, что отечественного практического опыта прессования и пиролиза ТБО нет. Сжигание ТБО, имеющих теплотворную способность в зависимости от морфологического состава и влажности 800- 2000 ккал/кг привлекательно в случае комплексного использова¬ния образующегося тепла для выработки тепловой или электриче¬ской энергии, а также защиты атмосферы от газов и твердых выбросов, утилизации образующегося (до 20%) шлака, содержа¬щего потенциальные источники загрязнения (тяжелые металлы).
За рубежом комплексные подходы к сжиганию ТБО реализованы достаточно широко (Франция, ФРГ, Италия, Венгрия). Единичные (Сочи, Пятигорск, Москва и другие), построенные без учета морфологического состава ТБО мусоросжигательные заводы России, ориентированные только на сжигание, являются энергетически затратными и не оправдывают возлагаемых надежд общества на существенный природоохранный эффект. Одним из основных приемов предотвращения воздействия полигонов ТБО на городскую среду является обеспечение зоны санитарной охраны не менее 500 мг При этом эффективность защиты ПС будет выше, если эта зона| заполнена деревьями. Вероятнее всего для нашей страны наиболее! перспективными методами обезвреживания ТБО будут 2, 3 и 4.
