Техногенные факторы деградации почвы
Экологические функции почв весьма динамичны и подвержены сильному изменению под влиянием хозяйственной деятельности человека, причем эти изменения могут быть как позитивными, так и негативными, вплоть до полной потери тех или иных функций при деградации почв.
Наибольшей трансформации подвергается самый верхний, поверхностный горизонт в пределах суши, которая занимает 29,2% поверхности земного шара и включает земли различной категории, из которых важнейшее значение имеют плодородные почвы. Они возникли и развивались под влиянием деятельности микроорганизмов, растений и животных, пока не стали плодородным субстратом.
Почвы играют огромную роль в круговороте воды, биогенных веществ и углекислого газа. При этом они активно эксплуатируются человеком, подвергаясь разрушению и деградации. Деградация почв постоянно сопровождала сельскохозяйственную и индустриальную деятельность человека. Общая площадь разрушенных и деградированных за всю историю человечества почв составляет 20 млн. км2, что значительно превышает всю пахотную площадь современного мира – 15 млн. км2.
В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем. Причина неустойчивого состояния агроэкосистем обусловлена их упрощенным фитоценозом, который не обеспечивает оптимальную саморегуляцию, постоянство структуры и продуктивность. Биологическая продуктивность в агроэкосистемах обеспечивается не действием естественных законов природы, а уровнем антропогенного вмешательства человека.
Основными видами антропогенного воздействия на почву являются:
1) эрозия;
2) отчуждение земель для промышленного и коммунального строительства;
3) вторичное засоление и заболачивание;
4) опустынивание;
5) загрязнение.
Одним из самых распространенных видов деградации почв является эрозия (от лат. еros — разъедание), т.е. разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия).
К эрозионным процессам относят промышленную эрозию, строительную эрозию, разрушение сельскохозяйственных земель, военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию, ирригационную эрозию (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов) и др.
Под влиянием антропогенной и техногенной деятельности почвы разрушаются в 100 – 1000 раз быстрее, чем в естественных условиях. В результате такой эрозии за последнее столетие утрачено около 2,2 млрд. га. плодородных земельных угодий, что составляет 27,5% земель сельскохозяйственного использования.
Необходимым условием возникновения водной эрозии является поверхностный сток. Водной эрозии подвержены 31% земной суши. Различают три основных вида поверхностного стока: дождевой, талый и сток поливной воды. Эрозия при снеготаянии отличается меньшей интенсивностью и большей продолжительностью по сравнению с дождевой эрозией. Потери почвы при снеготаянии обычно не превышают нескольких тонн с гектара. Продолжительность процесса эрозии при дождях гораздо меньше, но интенсивность выше. Количество смываемой почвы достигает десятков тонн на гектар.
Различают следующие формы водной эрозии:
плоскостную;
струйчатую;
овражную;
береговую.
Овражная эрозия отличается значительным ущербом литосфере. Овраги уничтожают ценные сельскохозяйственные земли, способствуют интенсивному смыву почвенного покрова, заиливают малые реки и водохранилища, создают густо расчлененный рельеф. Площадь оврагов только на территории Русской равнины составляет более 5 млн. га и продолжает увеличиваться. Подсчитано, что ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 200 га.
Под ветровой эрозией (дефляция) понимают выдувание и перенос мельчайших почвенных частиц ветром. Интенсивность ветровой эрозии зависит от скорости ветра, устойчивости почвы, наличия растительного покрова, особенностей рельефа и от других факторов. Огромное влияние на ее развитие оказывают антропогенные факторы. Например, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота, неправильное применение агротехнических мер резко активизируют эрозионные процессы.
Разрушение, измельчение породы без изменения ее химического состава называется физическим выветриванием, а процесс изменения состава породы (реакции окисления, восстановления, замещения) – химическим выветриванием. Физическое выветривание особенно широко распространено там, где происходят быстрые и большие перепады температуры (пустыни, приполярные или высокогорные области). В тех и других природных условиях растительность сравнительно мало защищает горные породы от резких изменений температуры.
Для химического выветривания благоприятны высокие температуры и наличие достаточного количества воды. Растительность не только не препятствует химическим реакциям, но ускоряет их, включая в процесс органическое вещество.
Ветровая эрозия проявляется в виде постоянной и периодической эрозии. Постоянная эрозия обусловлена ветрами с относительно низкими скоростями и поэтому чаще всего пространственно ограничена пределами одного или нескольких полей. Практически все пахотные почвы в той или иной степени подвержены ветровой эрозии.
Периодическая эрозия чаще всего связана с пыльными бурями, которые возникают при больших скоростях ветра. Во время пылевых бурь в воздух поднимаются почвенные частицы на высоту нескольких сотен метров. Ветер переносит их на огромные расстояния, достигающие сотен и тысяч километров.
Каждая почва в той или иной мере подвержена эрозии. Но в естественных условиях интенсивность эрозии не превышает скорость почвообразования и разрушения почвы не происходит. Такую эрозию называют допустимой и она характерна для естественных почв, не нарушенных деятельностью человека. Если интенсивность эрозии выше интенсивности почвообразования, такую эрозию называют ускоренной. Ускоренная эрозия проявляется в почвах, вовлеченных в сферу хозяйственной деятельности человека.
Водная и ветровая эрозия, однотипные технологии и агроэкосистемы стали самыми мощными факторами деструктивного ландшафтогенеза во второй половине XX столетия. В настоящее время ежегодные потери продуктивных и пастбищных земель составляют – 13 млн. га, лесов – 18 млн. га, гумуса – 24 млрд. тонн. Свыше 60% почв мира находятся в разной степени деградации.
В России из 222 млн. га сельскохозяйственных угодий водной и ветровой эрозии подвержены 53,6 млн. га, а 124 млн. га относятся к эрозийно опасным. Свыше 60 млн. га сельскохозяйственных угодий вблизи крупных городов загрязнены выбросами промышленных предприятий.
Под влиянием антропогенного воздействия на почву происходит изменение ее физических свойств. Наиболее распространенной формой физической деградации почв является уплотнение корнеобитаемого слоя, которое возникает при интенсивном выпасе животных и при использовании на полях тяжелой техники. Уплотнение снижает водо- и воздухопроницаемость, водо- и воздухоемкость, увеличивает поверхностный сток, вызывающий эрозию почв, затрудняет развитие корневых систем.
В наибольшей степени почвенная эрозия проявляется в местах добычи полезных ископаемых. Добыча полезных ископаемых, особенно открытым способом, приводит к нарушению не только почвенного покрова, но и ландшафта в целом. Открытый способ добычи полезных ископаемых экономически эффективен, но неблагоприятен в экологическом отношении. Такой способ приводит к уничтожению почвенного покрова при вскрытии месторождения, захоронению почв при использовании окружающих территорий под отвалы и загрязнению прилегающих ландшафтов, нарушению гидрологического и гидрохимического режима.
Открытые разработки ухудшают гидрологический режим на территории, равной по площади территории самих разработок. Изменение гидрологического режима снижает продуктивность сельскохозяйственных угодий, ухудшает состояние лесов.
К наиболее значительным проявлениям техногенной деградации почв относится дегумификация, т.е. потеря почвами гумуса. Дегумификация почв является неизбежным следствием изменения биогеохимического цикла углерода в результате уничтожения естественной растительности в результате хозяйственной деятельности. Уже в течение первых лет после распашки запас гумуса в почве снижается на 25–50%. Ежегодно потери гумуса в почвах черноземной зоны России уменьшаются на 1,5–8 т/га.
Потеря гумуса влечет за собой ухудшение структуры почв, снижение запаса биогенных элементов, значительное ускорение процессов минерализации, что в свою очередь, способствует повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере. В результате дегумификации почв в атмосферу дополнительно поступает около 1000 млрд. т диоксида углерода, что является весьма существенным для “парникового эффекта”.
Потеря органического вещества происходит также при мелиорации. Термин «мелиорация» переводится с латинского как «улучшение». Такое коренное улучшение свойств почв достигается путем регулирования их водного режима.
В XX веке в мире наблюдалось резкое увеличение площади мелиорируемых земель. В 1969 г. площадь орошения составляла 48 млн. га, а в 1980 г. — уже 270 млн. га. Осушены все переувлажненные угодья в Финляндии, Швеции, Нидерландах, 60% угодий в США, 20% в странах СНГ.
Мелиорация земель связана с возникновением новых геологических процессов, обусловленных изменением уровня грунтовых вод, который может либо повышаться (при орошении), либо понижаться (при осушении). Повышение достигается за счет поливов и приводит к увлажнению, подтоплению и засолению массивов, а понижение – за счет обустройства дренажа и вызывает осушение и дефляцию.
Чрезвычайно мощным фактором воздействия на почвы является орошаемое земледелие. При неумеренном поливе орошаемых земель, особенно в засушливых районах, наблюдается активизация природного засоления почв. Такое явление носит название вторичного засоления. Вследствие поливов грунтовые воды получают дополнительное питание и поднимаются до критической глубины (2-3 м от поверхности). При этом грунтовые воды начинают интенсивно испаряться с поверхности, постепенно насыщая почву избыточным количеством солей.
Во всем мире процессам вторичного засоления подвержено около 30% орошаемых земель.
Классическими примерами засоления в процессе орошения являются долина реки Инд, где засолено 10 млн. га из 15 млн. га всей площади (65%), и долина реки Нил, где засолено 1,2 млн. га из 1,7 млн. га (более 70%). В Ираке засолено более 50%, а в США – более 27% орошаемой площади.
Площадь засоленных почв в России составляет 36 млн. га (18% общей площади орошаемых земель). На Нижнем Дону вторично засоленные почвы занимают 20%, а в Дагестане — более 50% орошаемых площадей. В Средней Азии засоленность орошаемых земель составляет более 50%, а в Туркмении — до 90%.
Экологическими последствиями засоления почв являются: нарушение биологического круговорота веществ, исчезновение многих видов растительных организмов и замена их галофитами, уменьшение генофонда наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиление миграционных процессов. К негативным экологическим последствиям орошения и мелиорации следует также отнести:
1. Образование соляных водоемов в местах сброса мелиоративных вод.
2. Резкое ухудшение качества воды в реках вследствие сброса в них мелиоративных вод.
3. Засоление и деградация ландшафтов в низовьях рек вследствие большого водозабора в верховьях.
4. Загрязнение поверхностных и подземных вод избытком солей, минеральных удобрений (в том числе нитратами), пестицидов, ядохимикатов.
5. Дефицит водоснабжения, особенно питьевого, на больших территориях.
6. Загрязнение токсикантами местообитаний дикой фауны, особенно перелетных водоплавающих птиц, ведущее к исчезновению видов.
7. Распространение болезней среди населения, обитающего как непосредственно среди орошаемых территорий, так и в местах сброса дренажного стока.
8. Загрязнение нитратами сельскохозяйственной продукции вследствие усиленного применения азотных удобрений на орошаемых полях.
9. Необратимые гидрологические и гидрогеологические изменения, в частности исчерпание подземных водных ресурсов.
10. Неблагоприятное воздействие перечисленных последствий на социально-экономическую и политическую сферы.
Перечисленные экологические последствия мелиоративных мероприятий и орошаемого земледелия свидетельствуют о том, что их реализация требует научного обоснования подхода к планированию и проведению.
К техногенным процессам, возникающим при орошении, относятся также ирригационная эрозия и дефляция. Развитие ирригационной эрозии связано с движением струй и капель воды. Этот процесс характерен для угодий с уклоном поверхности от 0,5 до 5°, а из-за несоблюдения технологии орошения и обработки полей (распашка вдоль склона) он усиливается.
Дефляции наиболее подвержены осушенные маломощные торфяники с органогенным слоем менее 1 м. Разрушительная сила ветра на таких угодьях настолько велика, что возделывание пропашных культур здесь нерентабельно и полностью исключается.
Экологические последствия геологических процессов, возникающих при мелиорации, имеют как позитивные, так и негативные стороны. К позитивным процессам относится возможность получения высоких и стабильных урожаев в засушливых районах. Орошение земель здесь – необходимый компонент земледелия и непременное условие выживания человека как биологического вида. Об этом свидетельствуют оросительные системы в долинах Нила, Тигра и Евфрата, в Юго-Восточной Азии и Мексике. Орошение определяло стабильность многих цивилизаций, а разрушение ирригационных систем — их гибель. Современное сельское хозяйство также не обходится без орошения. Сейчас продукция, выращенная на орошаемых землях, превышает 50% мировой продукции сельского хозяйства.
Мировой опыт мелиорации подтверждает ее экологическую целесообразность. Однако возможны случаи деградации почв, ухудшения состояния окружающей среды в результате непродуманной сельскохозяйственной деятельности и возникновения геологических процессов с негативными экологическими последствиями. К таким последствиям относятся снижение наземной биомассы растений, истощение почв, снижение качества водных ресурсов, деградация экосистем, ухудшение среды обитания человека и другие.
Осушение болот вносит коренные изменения в природную среду и часто приводит к существенным негативным экологическим последствиям, связанным с деградацией экосистем. Она выражается в изменении видового состава, структуры и продуктивности болот. Основная масса травянистых болотных растений и мхов не переносит осушения. При осушении полностью исчезают клюква, осока, мхи и другие растения. Негативные экологические последствия осушения и длительного сельскохозяйственного использования осушенных болот сказываются не сразу, а через некоторый период, соизмеримый с человеческой жизнью.
Снижение наземной биомассы растений происходит из-за осушения корнеобитаемого слоя. В Нечерноземной полосе России из-за некачественных проектов, нарушений технологии строительства и эксплуатации дренажных систем на соседних с орошаемыми массивами территориях стали гибнуть леса, развился процесс опустынивания. На каждого жителя России приходится 0,5 га техногенных пустынь.
Одним из глобальных проявлений деградации почв является опустынивание, т.е. процесс снижения биологической продуктивности в результате необратимого изменения почвы и растительности. В экстремальных случаях этот процесс может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. В настоящее время 87% ежегодного прироста пустынь в мире обусловлено антропогенной нагрузкой на природные комплексы и только 13% — естественными факторами. За последние 70 лет общая площадь пустынь и опустыненных территорий увеличилась в 2,5 раза.
Всего в мире подвержено опустыниванию более 1 млрд. га. Как правило, к опустыниванию приводит сочетание нескольких факторов, совместное действие которых резко ухудшает экологическую ситуацию. На территории, подверженной опустыниванию, ухудшаются физические свойства почв, гибнет растительность, заселяются грунтовые воды, резко падает биологическая продуктивность, а, следовательно, подрывается и способность экосистем восстанавливаться.
Так как почва является одним из наиболее консервативных компонентов биосферы, то под влиянием внешних воздействий она изменяется медленнее других частей биосферы. Эти изменения не всегда могут быть легко замечены. Однако и восстановление почв идет столь же медленно, поэтому многие последствия их негативных изменений могут быть ликвидированы лишь за десятки и сотни лет, а некоторые из них вообще являются необратимыми. Это определяет роль почвы в формировании экологической ситуации на Земле в целом и в отдельных ее частях.