Роль почвы в биосфере. Виды антропогенных воздействий на почвы

Почва занимает особое положение в природных ландшафтах и в экосистемах. Она является важнейшим блоком экосистем, выступает как фактор плодородия для растений и как самая насыщенная организмами среда жизни. Почву можно рассматривать и как самостоятельную экосистему. Еще В.В. Докучаев в начале ХХ столетия подчеркивал, что почва является естественно-историческим телом со своими взаимосвязями, закономерностями существования и возможностями саморегулирования.

Почва – важнейшее звено круговорота веществ. Именно в ней начинается биологический круговорот, из нее поглощаются минеральные элементы и влага, здесь же замыкается круговорот деятельностью организмов – редуцентов. Почва – это то важнейшее звено экосистем, в котором не только высвобождается, но и на длительное время аккумулируется часть энергии и химических элементов, прежде всего в детрите и гумусе, а также в других структурах.

С воздействиями человека на почвы связано разрушение естественных ландшафтов, обеднение видового разнообразия, резкое снижение устойчивости экосистем, их продуктивности и биомассы. Имеются данные, что за историческое время человечество потеряло около 2 млрд. га плодородных земель. Из них за несколько последних десятилетий уничтожено почв больше, чем за предшествующую ей историю человечества. Уменьшение площадей пахотных, как и вообще плодородных земель продолжается интенсивными темпами и в настоящее время.

Земельный фонд Республики Казахстан на 1 января 2003 года составляет 272,5 млн. гектаров.

Орошаемое земледелие. Площадь орошаемых земель в мире в настоящее время составляет около 250 млн. га. Кроме ирригационной эрозии, поливные почвы подвергаются так называемому вторичному засолению. Сущность его заключается в том, что на поля часто подается больше воды, чем ее может удержать почва в корнеобитаемом слое и в последующем расходовать на испарение и транспирацию растений. Эта влага постепенно проникает до грунтовых вод и обусловливает повышение их уровня. При ненормированных поливах за короткое время (несколько лет) грунтовые воды с глубины 20-30 м могут подниматься так близко к поверхности почвы, что начинают интенсивно испаряться. Растворенные в воде соли при этом накапливаются на поверхности почв. Такое засоление называют вторичным, понимая под первичным естественное (солончаки), которое осуществляется без участия человека. Такое возможно в местах с высокостоящими грунтовыми водами, например, в понижениях рельефа или при высыхании водоемов. Эти почвы, как и вторично засоленные, практически непригодны для земледелия. Вторичное засоление присуще только засушливым районам. На севере излишний полив имеет следствием заболачивание почв.

Основная мера предотвращения вторичного засоления - умеренные поливы, исключающие просачивание влаги в глубинные горизонты и подъем уровней грунтовых вод. Должны быть исключены примитивные методы поливов (например, напуском воды), неконтролируемое дождевание и др. Их необходимо заменять более прогрессивными (локальное увлажнение посредством капельниц, подземное орошение через пористые трубы и др.).

Известно, что один из экологических кризисов в развитии человечества был вызван исчерпанием возможностей орошаемого земледелия в связи с интенсивным засолением почв. Например, в долине Нила и в настоящее время засолено около 70% орошаемых земель. В целом в мире сейчас имеется около 50-60 млн. га вторично засоленных почв из 250 млн. га орошаемых, т. е. около 25%.

В настоящее время темпы увеличения площадей вторично засоленных почв таковы, что они сопоставимы с площадями, вновь вводимыми в орошение. В странах с длительно орошаемым земледелием засолено до 50% орошаемых земель. Например, в Ираке, в США таких земель около 27%, а в бывшем СССР их было около 1 млн. га, или 17 % от всех орошаемых.

Площадь засоленных территорий Казахстана составляет 34,4 млн.га или 15,6 % от площади сельхозугодий, в т.ч. пашни 2,0 млн. га. Больше всего таких земель выявлено в Кызылордин-ской (7,0 млн. га), Мангыстауской (6,9 млн. га), Костанайской, Алматинской (2,9 млн.га) и Южно-Казахстанской (2,2 млн. га) облас­тях.

Кроме использования более совершенных технологий поливов борьба с засолением возможна через откачку и сброс грунтовых вод по мере их поднятия к поверхности в результате поливов. Рассоление почв проводят также посредством промывки почвогрунтов. Но и в этом случае обязательно требуется откачка грунтовых вод. В ряде случаев положительные результаты дают химические методы, например гипсование, с тем, чтобы нейтрализовать вредные соли, накапливающиеся на поверхности почв. Однако все эти методы крайне дороги и антиэкологичны по своей сути.

Причины истощения земель различны. Это и отчуждение питательных веществ с урожаем при последующем их неполном возврате, и потери гумуса, и ухудшение водного режима и других (физико-химических) свойств почв. В конечном счете, результатом истощения почв является потеря ими плодородия и опустынивание. Наиболее экологичным методом возврата питательных веществ в почву, изымаемых с урожаем, является внесение органических удобрений (навоза, компостов и т. п.), травосеяние, особенно с последующей запашкой трав, предоставление отдыха почвам через парование и другие методы.

Истощение почв связано, прежде всего, с потерями органического вещества (гумуса). Это одна из острейших проблем современности. Имеющиеся данные свидетельствуют, что за последние 70-80 лет (особенно с момента использования интенсивных методов обработки земель и увлечения минеральными удобрениями) в дерново-подзолистых почвах содержание гумуса уменьшилось с 3,5-4,0% до 2-3%. Наиболее же значительны потери гумуса черноземными почвами. В.В. Докучаев в свое время назвал черноземы «царем почв». Он считал, что черноземы могут служить человеку как вековое неистощимое богатство и поэтому должны цениться дороже нефти, угля, железных и даже золотых руд.

Уже более 100 лет в Париже в Международной палате мер хранится один кубический метр чернозема из Воронежской губернии. Черноземы, оставленные нам природой, содержали до 12-15 % гумуса, а запасы энергии в них превышали в 20 раз и более ее запасы, имеющиеся в произрастающих на черноземах растениях. К настоящему времени многие черноземы потеряли до 30-60 % гумуса. Разрушение почв и утрата ими гумуса продолжается.

Освоение в Казахстане 25 млн. га целинных и залежных зе­мель и нерациональное использование их в короткий срок привело к дегумификации почв. Процесс дегумификации зафиксирован на всех пахотных почвах - содержание гумуса снизилось на 20-30 %.

Данные Института почвоведения Министерства образования и науки Республики Казахстан показывают, что черноземы утратили 19-22 %, темно-каштановые - 28-30 % гумуса. Потери гумуса обу­словлены процессами эрозии, интенсивной мобилизацией пита­тельных веществ и рядом других причин. Среднегодовые потери гумуса из пахотных почв составляют 0,8-1,0 т/га.

Проблема деградации почв и, как следствие, опустынивание является одной из острейших проблем современности. Каждый год континенты теряют 24 млрд. т верхнего плодородного слоя почвы. Деградацией охвачено 70 % засушливых земель, используемых в мире для сельского хозяйства. Продолжающаяся аридизация кли­мата и широкомасштабный антропогенный прессинг на окружаю­щую среду без учета экологической емкости природы вызывают резкое снижение плодородия земель и биопродуктивности сельско­хозяйственных угодий. Все это вызывает глубокую тревогу во всем мире, в том числе и в Казахстане, где 66 % территории (179,9 млн. га) во всех административных районах подвержено раз­ной степени опустынивания.

Под опустыниванием понимается деградация земель, сопро­вождающаяся истощением биологических ресурсов, снижением продуктивности природных экосистем, ухудшением здоровья насе­ления.

Отчуждение земель. Под отчуждением земель понимают изъятие и использование их для различных целей, не связанных с получением растительной продукции. Наиболее значимое отчуждение связано с использованием земель под различного вида строения и сооружения (городские территории, дороги, аэродромы, складирование отходов, разработки полезных ископаемых, затопление в процессе строительства водохранилищ и т. п.). Эти земли в большинстве своем не могут быть в дальнейшем использованы по прямому назначению - для получения растительной продукции.

Экологические следствия использования минеральных удобрений. Минеральные удобрения - неизбежное следствие интенсивного земледелия. Имеются расчеты, что для достижения желаемого положительного эффекта от применения минеральных удобрений мировое потребление их должно составить около 90 кг/год на человека. Суммарное производство удобрений в этом случае достигает 450-500 млн. т/год. В настоящее время мировое производство удобрений равно примерно 200-220 млн. т/год или 35-40 кг/год на человека.

Экологические последствия применения минеральных удобрений целесообразно рассматривать, по крайней мере, с трех точек зрения:

1) местное влияние удобрений на экосистемы и почвы, в которые они вносятся;

2) запредельное влияние на другие экосистемы и их звенья, прежде всего на водную среду и атмосферу;

3) влияние на качество продукции, получаемой с удобренных почв, и здоровье людей.

Влияние минеральных удобрений на почвы. В почве как системе происходят такие изменения, которые ведут к потере плодородия: повышается кислотность, изменяет видовой состав почвенных организмов, нарушается круговорот веществ, разрушается структура, ухудшаются другие свойства. Имеются данные, что следствием увеличения кислотности почв при применении удобрений (прежде всего кислых азотных) является повышенное вымывание из них кальция и магния. Для нейтрализации данного явления приходится вносить в почву эти элементы.

Фосфорные удобрения не обладают столь выраженным подкисляющим эффектом, как азотные, но они могут вызывать цинковое голодание растений и накопление стронция в получаемой продукции. Многие удобрения содержат посторонние примеси. В частности, их внесение может повышать радиоактивный фон, вести к прогрессивному накоплению тяжелых металлов.

Может наступить такое состояние системы, когда внесение удобрений практически не дает никакой прибавки урожая, а еще большие их дозы ведут к его снижению. Здесь срабатывает правило лимитирующего фактора по его максимальному значению.

Основной способ уменьшить эти следствия - умеренное и научно обоснованное применение удобрений (оптимальные дозы, минимальное количество вредных примесей, чередование с органическими удобрениями и пр.). Следует также помнить выражение, что «минеральные удобрения являются средством маскировки реальностей». Имеются, например, данные, что с продуктами эрозии почв выносится больше минеральных веществ, чем их вносится с удобрениями.

Влияние удобрений на атмосферный воздух, как и воду, связано в основном с их азотными формами. Азот минеральных удобрений поступает в воздух либо в свободном виде (в результате денитрификации), либо в виде летучих соединений (например, в форме закиси N₂О).

По современным представлениям, газообразные потери азота из азотных удобрений составляют от 10 до 50% от его внесения. Действенным средством снижения газообразных потерь азота является научно обоснованное их применение.

Наиболее ощутимое влияние на водные источники, кроме азотных, оказывают фосфорные удобрения. Напомним, что привычная нам чистота водоемов связана с тем, что азот и фосфор выступают здесь как лимитирующие факторы для автотрофного (растительного) звена экосистем. Обогащение вод азотом и фосфором неизбежно сопровождается зарастанием водоемов, размножением в них водорослей, в том числе и оказывающих наибольший отрицательный эффект на качество воды - сине-зеленых.

Фосфор вследствие незначительного содержания в водах и малой токсичности практически не оказывает прямого отрицательного влияния на питьевую воду. Этого, однако, нельзя сказать об азоте. Концентрации его в воде часто превышают допустимые значения. Последние, правда, по различным источникам существенно различаются. Так, по нормам Всемирной организации здравоохранения, ПДК по нитратному азоту составляет 45 мг/л. У нас в стране этот предел ограничен 10 мг/л.

Отрицательное влияние на воды и их обитателей оказывают хлорсодержащие удобрения (NH₄CI, KCI), а также примеси к различным удобрениям. Последнее наиболее характерно для фосфорных форм удобрений, содержащих в своем составе фтор, тяжелые металлы и радиоактивные элементы.

Наряду с загрязнением удобрениями поверхностных вод, прогрессирует поступление их в грунтовые воды. Имеются случаи, когда в воде из скважин и колодцев содержалось до 500-700 мг/л нитратов. Особенно прогрессирует загрязнение грунтовых вод в тех случаях, когда они не прикрыты плотными (глинистыми, скальными) породами и залегают на небольшой глубине.

Вынос удобрений в водные источники сводится к минимуму при правильном их внесении. В частности, недопустимо разбрасывание удобрений по снеговому покрову, рассеивание их с летательных аппаратов вблизи водоемов, хранение под открытым небом и т. п.

Влияние минеральных удобрений на качество продукции и здоровье людей. Минеральные удобрения способны оказывать отрицательное воздействие, как на растения, так и на качество растительной продукции, а также на организмы, ее потребляющие. При высоких дозах азотных удобрений увеличивается риск заболеваний растений. Имеет место чрезмерное накопление зеленой массы, и резко возрастает вероятность полегания растений. Фосфор и калий, как правило, смягчают вредное воздействие азота. Однако при высоких дозах и эти элементы могут вызывать легкие виды отравления растений (токсикозы).

Многие удобрения, особенно хлорсодержащие (хлористый аммоний, хлористый калий), отрицательно действуют на животных и человека в основном через воду, куда поступает высвобождающийся хлор. Отрицательное действие фосфорных удобрений связано в основном с содержащимися с них фтором, тяжелыми металлами и радиактивными элементами. Фтор при его концентрации в воде более 2 мг/л может способствовать разрушению эмали зубов.

Проблемы пестицидов. Понятие пестициды (лат. пестис- зараза, цедерс - убивать) объединяет группу веществ, которые используются для уничтожения или снижения численности нежелательных для человека организмов. Практически все эти вещества относятся к ксенобиотикам, т.е. чуждым для живых организмов и биосферы в целом. К пестицидам относят также вещества, используемые не только для уничтожения, но и отпугивания организмов, приносящих вред человеку или его изделиям (постройкам, одежде и т. п.).

В группу пестицидов входят, кроме этого, вещества, изменяющие физиологические функции организмов или воздействующие на отдельные их органы (бесплодие, болезни, поведение и т. п.). Соответственно существует большое количество более частных названий веществ из группы пестицидов.

Группы (поколения) пестицидов. В последнее время предпочтение отдается пестицидам высокой степени ядовитости, но с коротким периодом жизни (пестициды третьего поколения, по Б. Небелу). К ним, в частности, относятся фосфорорганические соединения (дихлофос, карбофос, хлорофос и др.). Период их жизни обычно колеблется от нескольких дней до недель.

Другие свойства характерны для пестицидов из группы галагенированных углеводородов (пестициды второго поколения). К ним относятся получивший широкую известность ДДТ (дихлордифенил-дихлорэтан), а также дильдрин, линдан, альдрин и другие. Важнейший их отрицательный экологический эффект - длительный период жизни, хотя и при несколько более низкой ядовитости, чем у фосфорорганических пестицидов. Так, ДДТ сохраняется в окружающей среде десятки лет (период полураспада порядка 20 лет).

Применение пестицидов: цели и результаты. Пестициды можно рассматривать как дитя культурного хозяйства. Их применяют чаще всего в искусственно создаваемых человеком системах (агроценозах) или в природных экосистемах, где нарушены механизмы саморегулирования (гомеостаз). Иногда пестициды приходится применять и в стабильных естественных экосистемах для подавления вспышек массового размножения отдельных организмов, обусловленных естественным ходом развития.

Широко используются пестициды также для борьбы с кровососущими насекомыми (комары, мошки, слепни), животными - переносчиками болезней (грызуны, иксодовые клещи, малярийный комар, москиты).

Имеются сведения, что благодаря пестицидам удалось предупредить или резко ослабить примерно 30 болезней человека и домашних животных, спасти не меньше 25 млн. человек и предупредить около 1 млрд. заболеваний. Отмечается, что во второй мировой войне от сыпного тифа во многом благодаря пестицидам умерло меньше людей, чем от ранений (во всех других войнах соотношение было противоположным). Именно пестициды позволили почти полностью ликвидировать или свести на нет такие болезни, как малярию, клещевой энцефалит, туляремию и другие.

По данным ФАО, в мире от болезней растений, сорняков и вредителей ежегодно теряется около 35% урожая, что в выражении составляет около 75 миллиардов долларов США. При этом в развивающихся странах от сорняков и вредителей погибает до 50% урожая, а в развитых - около 15%. Однако все эти оценки, как правило, не учитывают экологических издержек от применения пестицидов. Между тем они значительны, а нередко неоправданно велики.

Достаточно отметить, что только около 1% вносимых в среду ядов имеет непосредственный контакт с теми видами организмов, против которых они применяются. Остальная их масса попадает в различные звенья среды и не безразлична для их обитателей. Экологическая вредность пестицидов зависит в основном от их ядовитости, продолжительности жизни, способности избирательно действовать на отдельные организмы и трансформаций в среде.

Имеются данные, что печально известный ДДТ под действием ультрафиолетового излучения превращается в другой стойкий и ядовитый утлеводород - полихлорированный бифенил (ПХБ). Последний, и сам ДДТ, имеет значительный срок жизни, накапливается в цепях питания, поражает репродуктивные и другие структуры.

Пестициды хотя и обладают избирательным действием на организмы, но эта избирательность относительна. Практически нет пестицидов, которые бы в той или иной мере не поражали другие организмы, особенно близкие в систематическом отношении. Тем более что очень часто концентрация пестицидов в целях питания увеличивается в силу биоаккумулирующего эффекта.

В экологическом отношении особую тревогу вызывает ежегодное увеличение объемов применения пестицидов. Это связано не только с расширением обрабатываемых площадей, но и с привыканием к пестицидам организмов. С течением времени для получения одного и того же эффекта приходится применять все больше и больше пестицидов. Например, устойчивость колорадского жука к пестицидам в ряде районов США возросла в 20 раз. Степень привыкания организмов к пестицидам и другим ядам обычно тем значительнее, чем более короткий цикл воспроизводства характерен для них. Насекомые и сорняки, как правило, характеризуются короткими циклами и поэтому привыкают к определенным дозам пестицидов быстрее, чем другие организмы.

Человек потребляет значительное количество пищи с верхних уровней цепей питания, поэтому пестициды или их производные он часто получает в наиболее концентрированном виде. Срабатывает так называемый «экологический бумеранг» - плата за антиэкологические действия.

На определенном этапе применения пестицидов человек начинает стимулировать размножение самих вредителей. Этому, кроме быстрой адаптации, способствует также уничтожение их конкурентов или хищников, характеризующихся меньшим привыканием. Существует даже такой термин - «разведение вредителей с помощью пестицидов». Б. Небел приводит случай, когда численность померанцевой розовой щитовки начала интенсивно увеличиваться по сравнению с контролем, после 6-12 обработок ДДТ.

Следствием применения пестицидов может быть увеличение численности и тех организмов, которые раньше не вызывали беспокойства (в основном в результате уничтожения их врагов). Парадоксальный результат использования пестицидов проявляется и в том, что увеличение объемов их применения не избавляет от потерь продукции.

Сказанное, однако, не значит, что надо либо полностью отказаться от пестицидов, либо постоянно увеличивать объемы их применения. Пестициды, причиняющие минимальный вред среде и экосистемам (например, с коротким сроком жизни), целесообразно применять только в тех случаях, когда другие методы не позволяют достичь поставленной цели. Например, для снятия «вспышек численности» нежелательных видов. В других случаях надо использовать более мягкие методы. Их обычно называют «беспестицидные технологии», «биотехнологии».

Загрязнение почв тяжелыми металлами, особенно в окрестностях больших горо­дов и крупных промышленных центров, стало одной из актуаль­ных экологических проблем для Казахстана.В промышленных ре­гионах республики распространены значительные очаги антропо­генных нарушений и загрязнения почвенного покрова. В результате интенсивной производственной деятельности в Павлодар-Экибастузском ТПК возникли обширные участки, харак­теризующиеся комплексным загрязнением всех элементов окру­жающей среды - поверхностных и подземных вод, воздушного бас­сейна и поверхностных слоев почвы тяжелыми металлами.

Ежегодно в республике образуется более 50 тыс. т нефтяного шлама и замазученного грунта. На территории Казахстанского Прикаспия общая площадь замазученных земель составляет более 194 тыс. га. Почвенный слой пропитан нефтью на глубину от десят­ков сантиметров до 10 метров.

При разработке месторождений нефти и газа изымаются большие площади сельскохозяйственных земель. Так, в радиусе 500-800 м от буровой вышки растительность уничтожается на 70-80 %, а в радиусе 100 м, в результате более интенсивного загряз­нения глинистым раствором, практически исчезает.

Под эрозией почв понимают разрушение в результате действия воды или ветра. Различают водную и ветровую эрозии. В первом случае в качестве разрушающей силы выступает текущая вода, во втором - движение воздуха.