2.6.1. Природная устойчивость и самоочищающая способность геосистем

Под устойчивостью геосистем обычно понимается их способность испытывать внешние воздействия без разрушения. Причем геосистема способна не только сохраняться от внешних воздействий, но и поддерживать возвратно-поступательное развитие.

Суммарная устойчивость естественных геосистем, в конечном счете, обусловлена наложением и взаимодействием зональных и азональных факторов природной среды.

Механизм устойчивости и самоочищающей способности геосистем изучен недостаточно.

Самоочищающая способность атмосферы (ССА). К основным факторам, способствующим самоочищению атмосферы, относится продолжительность (число дней) ветра со скоростью более 15 м/сек и осадки более 5 мм.

Комплексные влияния метеофакторов на загрязнение воздуха оцениваются четко выраженными синоптическими ситуациями. Так, высокое загрязнение соответствует стационарным антициклонам, а прохождение активных циклонов способствует очищению атмосферы. Кстати, этот принцип лежит в основе прогнозирования условий рассеивания примесей и оправдывает себя на период сохранения того или иного барического образования.

Однако кроме краткосрочного прогноза условий рассеивания выбросов, важной задачей является и оценка территории по степени природной способности атмосферы к самоочищению. Для этих целей используются многолетние климатические данные. Более полная оценка метеорологического потенциала загрязнения территории может быть получена с учетом ССА, в зависимости от скорости ветра и осадков.

Оценка состояния воздушного бассейна, определяемая по среднегодовым значениям, может быть существенно уточнена, если использовать сезонные данные.

Так, например, для оценки территории Тувы по степени природной способности к самоочищению был использован метод, примененный при оценке рекреационных ресурсов климата бассейна оз. Байкал в 1987 г. Продолжительность климатических условий (число дней), как способствующих самоочищению атмосферы, так и препятствующих этому, были нормированы относительно всего ряда значений, наблюдающихся на территории Тувы отдельно по сезонам. Отношение суммы нормированных значений факторов, благоприятствующих рассеиванию примесей, к сумме увеличивающих загрязнение будет величиной климатического потенциала самоочищения атмосферы, который дает возможность сделать качественную оценку территории по степени природной способности атмосферы к самоочищению, а его численное выражение показывает вклад каждого из факторов в их общем влиянии на состояние загрязнения атмосферы. Величина потенциала зависит от определенного сочетания климатических параметров, так или иначе влияющих на загрязнение.

Самоочищающая способность почвзависит в основном от ее физических, химических и биологических свойств.

Присутствие глины и гумусовых веществ раздельно или в соединении придает почве адсорбционную способность, которая в зависимости от механизмов этого процесса подразделяется на два больших класса: ионообменную и молекулярную адсорбцию. Ионообменная адсорбция включает катионный обмен, происходящий в основном благодаря отрицательным электрическим зарядам илистых частиц, кислотных групп веществ, а также корней растений; анионный обмен, происходящий в основном благодаря присутствию гидроокисей металлов АlOН₃, FeOH₃, каолинита и других минералов, обладающих анионным обменом. Адсорбируемые молекулы нейтральны и удерживаются на поверхности илистых частиц и гумусовых коллоидов двухполюсными силами, водородными связями и дисперсионными силами.

Из ионов, содержащихся в почвенном растворе, особенно важны ионы водорода Н\ Концентрация этих ионов определяет реакцию почвы (рН) и служит показателем кислотности или щелочности почвы. Этот показатель почвы зависит от ионного обмена с минеральными и органическими коллоидами и наличия карбонатов кальция, натрия и т.д. Реакция почв (рН) варьирует от 3,5 (сильно кислая) до 11 (сильно щелочная). Сильное закисление почвы - нежелательный эффект, поскольку в этом случае появляется токсичный растворимый алюминий и снижается жизнедеятельность микроорганизмов: чем больше кислотность почв, тем выше, например, адсорбция тяжелых металлов в растениях, а особенно кадмия.

Высокая емкость обмена катионов придает почве устойчивость к изменению рН среды и состава катионов, а соответственно и высокую буферность. Буферность почвы зависит, в свою очередь, от наличия в ней коллоидов.

Под влиянием органических комплексообразователей (продуцируемых при разложении наземного опада) в почвах также довольно широко распространены процессы комплек-со- и хелатообразования, в результате которых существенно Изменяются свойства молекул и ионов, участвующих во взаимодействии. Так, например, ионы металлов, входящие в состав комплексных соединений типа хелатов, могут полностью утратить способность к обменному поглощению почвой и существенно увеличивать способность к перемещению в составе почвенного раствора.

Важную роль играют также процессы физико-химического разложения, которое наиболее хорошо изучено для органических пестицидов, молекулы которых распадаются на более простые соединения. Известно, что в этом распаде определенную роль может играть гидролиз (с участием гидролитических ферментов, образующихся микробиологическим путем). В распаде ряда пестицидов в почвах определенная роль отводится и фоторазложению (распаду вещества, находящегося на поверхности почвы, под влиянием солнечного света). Однако данный процесс изучен недостаточно.

В качестве показателя скорости разложения органических веществ в почвах можно использовать предложенный Н. Базилевич и Л. Родиным в 1969 г. опадо-подстилочный коэффициент (Кп), равный отношению веса запасов неразложившихся органических остатков, накопившихся на поверхности почвы, к весу ежегодного наземного опада зеленых частей растений или к весу всего ежегодного наземного опада.

Значение опадо-подстилочных коэффициентов по ландшафтным зонам и подзонам убывает с севера на юг в соответствии с нарастанием и теплообеспеченностью почв. Особенно медленно разлагаются органические остатки в тундре, где коэффициент составляет 40-70. Эти значения в 2-3 раза выше, чем в северной тайге, что соответствует различиям в теплообеспеченности почв и воздуха этих территорий, сильно падая в средней и особенно в южной тайге, а в лесной и лесостепной зонах достигают наименьших значений.

Для выяснения географических различий в скорости разложения органических веществ наибольший интерес представляет сопоставление значений опадо-подстилочных коэффициентов для одних и тех же растительных сообществ, но находящихся в различных зонах и подзонах. Например, скорость разложения для березняков в лесотундре составляет 14 лет, в южной тайге - 1 год; для ельников северной тайги скорость разложения опада свыше 20 лет, а южной - около 7 лет и т. д.

Если относительную скорость разложения органических веществ в темно-серых лесных почвах, выщелоченных и оподзоленных черноземах принять за единицу, то для дерново-подзолистых почв она составит 0,6-0,4; для подзолистых 0,3-0,2; для подзолисто-болотных - 01-0,05. Скорость разложения особенно мала в тундрово-глеевых и торфяно-болотных почвах, где загрязняющие органические вещества могут сохраняться десятки и сотни лет.

Существенно уменьшается скорость разложения органических веществ в пределах одной и той же зоны при ухудшении аэрации почв, связанной с периодическим или постоянным переувлажнением.

Поэтому следует ожидать, что наличие переувлажненных и заболоченных почв сильно ухудшает условия разложения поступающих в ландшафт органических веществ. Особенно медленное разложение и длительную консервацию загрязняющих органических веществ (в частности, битумоидов) следует ожидать на всех болотных массивах, где темп разложения природных органических веществ настолько мал, что возраст полуразложившихся торфяных толщ в их нижних горизонтах измеряется тысячелетиями.

Биологические свойства почвыопределяются почвенной фауной и микроорганизмами. Численность бактерий, например, может достигать 7-8 млрд в 1 г продуктивной почвы. Как и большинство живых организмов, почвенные организмы могут оказывать положительное, нейтральное и негативное воздействия. При этом организмов, оказывающих на почвы положительное воздействие, больше, чем вредных. Почвенные микроорганизмы, в частности, разлагают гербициды, фунгициды и инсектициды и другие химические вещества, попавшие в почвы. К сожалению, некоторые пестициды токсичны и для отдельных полезных микроорганизмов.

Исследованиями последних лет установлено, что сорбционные свойства почв и активность микроорганизмов являются основными факторами деградации ксенобиотиков.

В Институте почвоведения и фотосинтеза Российской Академии наук (РАН) (г. Пущино, Московская область) были проведены исследования по способности почв к самоочищению от остатков пестицидов.

В опытах с гербицидами 24-Д и симазином было установлено, что интегральным показателем биодеградации этих пестицидов в почве может служить ее кислотность, а остальные почвенные характеристики являются второстепенными. В зависимости от кислотности изменяются и основные факторы, от которых зависит разложение ксенобиотиков. Так, в кислотных почвах вследствие изменения структуры гумуса усиливается сорбция ксенобиотиков и снижается активность почвенной микрофлоры.

Данные по самоочищающей способности почвы от остатков пестицидов являются основой для рационального их применения и минимизации накопления остаточных количеств ксенобиотиков как в почве, так и продуктах урожая.

Самоочищающая способность водных объектов. Естественное самоочищение воды складывается из совокупности физических, химических и биологических процессов, приводящих к устранению из воды загрязняющих веществ и восстановлению ее первоначального химического состава и видового состава населяющих ее гидробионтов. Самоочищению рек способствуют также процессы аэрации, приводящие к насыщению водных струй кислородом.

В самоочищении водоемов участвуют все водные организмы. Предпосылкой самоочищения водоемов служит присутствие в воде тех видов и штаммов микроорганизмов, которые способны участвовать в необходимых для этих целей реакциях, прежде всего окислении.

Если в природную воду попадают органические вещества, то первыми включаются в борьбу с ними бактерии, водные грибы и планктонные водоросли. Органические загрязнения частично окисляются до СО₂и Н₂О, а частично усваиваются микроорганизмами (ассимилируются), превращаясь в живое вещество.

В свою очередь, микроорганизмы сами становятся пищей для простейших (например, инфузорий).

Некоторые бактерии, распространенные в водоемах, играют основную роль в круговороте азота (протеолиты, амонификаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, азотофикси-рующие бактерии) и углерода (кислотообразователи, щелочеобразователи, нейтральные). Присутствие этих микроорганизмов в воде является показателем активных процессов бактериального самоочищения водоемов.

Таким образом под действием бактерий и других микроорганизмов в поверхностных и грунтовых водах происходит распадение и обеззараживание органических загрязнений в результате окисления, т. е. процесс биохимического самоочищения.

Большое значение в самоочищении водоемов имеют животные типа моллюсков, которые пропускают через себя сравнительно большое количество воды и удаляют из нее не только взвешенные вещества, но и микроорганизмы, в числе которых возможны и возбудители опасных болезней. Так, рядовые моллюски пресных вод средних широт - перловица и беззубка — пропускают через себя до 20 - 30 литров воды в сутки. Эксперименты показали, что 20 - 25 перловиц могут очистить в сутки 400 литров воды. А это суточная оптимальная норма расхода человеком воды на бытовые нужды.

В отдельных местах дна р. Оки приходится до 160 шт. перловиц. И хотя вода в Оке за последние 35 лет стала грязнее, в то же время за этот период число моллюсков-фильтра-торов выросло в 200 раз. На участке реки шириной 200 - 250 м Моллюски способны очистить воду, достаточную для города в 100 тыс. жителей. Необходимость разведения таких моллюсков очевидна. Однако вместо этого на Оке в районе г.Пущино моллюсков добывают для производства пуговиц. Отрицательно влияют на жизнедеятельность моллюсков и значительное загрязнение воды сельскохозяйственными ядохимикатами.

Крупные макрофиты, тростник, рогоз, камыш, аир, ежеголовка и др. способны извлекать из воды в большом количестве азот, фосфор, кальций, натрий, серу, железо, кремний и этим предупреждать и снижать эвтрофикацию («цветение») водоемов.

В то же время совершенно не выносят загрязнения и быстро исчезают различные осоки, кувшинки, кубышки и другие водные растения.

Поверхностные и подземные воды взаимосвязаны. Крупные и средние реки дренируют грунтовые и артезианские воды. В свою очередь линейная фильтрация воды через русла поверхностных водотоков создает взаимосвязь поверхностных вод с потоком подземных вод.

Аэрация происходит более интенсивно в быстродвижущихся потоках, поэтому, например, уменьшилась самоочищающая способность реки Москвы в черте города после подпора ее Перервинской плотиной. В результате этого подпора средняя скорость течения реки резко сократилась - до 0,1-0,4 м/с. При полном же раскрытии плотины, которое возможно лишь в многоводные годы, скорость течения приближается к естественной и возрастает до 1-1,5 м/с.

Замедление скорости воды в реке Москве привело также к накапливанию органических осадков в приплотинных участках Перервинского гидроузла. В 1938 - 1943 гг. в акватории Южного порта столицы еще вполне определенно проявлялись процессы самоочищения воды - уменьшалось количество взвешенных частиц и значений БПЮ. С течением времени по мере накопления осадков процессы самоочищения здесь стали ослабевать. Осадки начали подвергаться анаэробному (без доступа воздуха) разложению и гниению, продукты которых поступали в воду. Образовался мощный вторичный очаг загрязнения, который вызывал увеличение окисляемости и БПК₅. В зоне с умеренным климатом самоочищение реки обычно отмечается через 200-400 км от источника загрязнения, а в реках северных зон очищение происходит уже на расстоянии более 2000 км.