2.6.3. Функционирование педосферы

Выше была отмечена полифункциональная роль почвенного покрова в биосфере. Почвенный покров имеет вполне определенные функции в системе земных геосфер. Являясь поверхностной геомембраной Земли, почвенный покров регулирует взаимодействие атмосферы, гидросферы, литосферы, пропуская, отражая или задерживая те или иные потоки вещества и энергии, поступающие из земных недр непосредственно на сушу, либо через гидросферу и из космоса через атмосферу.

Почва является открытой подсистемой в более сложной природной системе - геохимическом ландшафте, зоной наиболее напряженных техногенных геохимических процессов.

Однако многие свойства почв (как важнейшей составной части биосферы и сложного природного образования), в том числе и механизмы почвенных процессов, их организация и взаимосвязи в пространстве и во времени изучены недостаточно.

Почвам принадлежит роль регуляторов многих процессов миграции вещества в ландшафтах, к которым в условиях агроценозов на распаханных территориях может добавляться и перенос твердого вещества вследствие эрозии почв (табл. 2.5).

Таблица 2.5. Потери почвенной массы и органического вещества в результате развития водной эрозии

Для оценки потерь в результате боковой поверхностной и внутрипочвенной водной миграции чаще всего используют специально оборудованные стоковые площадки, представляющие собой ограниченный участок на склоне (размером в сотни и тысячи кв. м), в нижней части которого установлены специальные емкости, куда собираются воды стока. В этих водах определяют, в частности, содержание любых соединений, в том числе и загрязнителей, так как смывается верхний, наиболее обогащенный техногенными продуктами горизонт, и именно он образует делювиальный нанос, опасность загрязнений почв пониженных элементов рельефа еще более возрастает, так же как и опасность загрязнения местных водоемов. Почвы, в частности, обладают в той или иной степени буферными свойствами: кислые почвы до известного предела нейтрализуют поступающие в них щелочные соединения, а почвы щелочные нейтрализуют поступающие в них (при загрязнении) кислоты. Это свойство почвы необходимо учитывать, в частности при оценке влияния кислотных дождей. Скорость закисления почв резко повышается в результате выщелачивания питательных веществ под действием кислых осадков и озона. Процесс сопровождается переводом нерастворимых соединений алюминия в растворимые, которые участвуют в замещении ионообменных центров. В результате обмена катионов растения поглощают освободившиеся катионы и почва закисляется. Поэтому при закислении почв возможно и повышение концентрации растворимых форм А1 и Fe. Однако кислотность почв, содержащих кальциты и доломит, при определенном соотношении скорости закисления почвы и реакции этих минералов с кислотами не меняется, особенно в нижних горизонтах, поскольку они не подвержены влиянию корневой системы растений.

С количеством гидроксидов алюминия и железа в почвах связана и их способность задерживать сульфат-анион (один из опасных компонентов кислотных дождей). Исследования в США показали, что в некоторых районах северо-востока США в почвах с рН менее 5,5 сульфаты, как правило, в них не задерживаются и попадают в водоемы, а в некоторых районах юго-востока США в почвах с рН более 5,5 остается более 50% выпадающих сульфатов [12].

Помимо кислотных дождей, на поверхность почвенного покрова попадает широкий спектр загрязнителей промышленного происхождения.

Наиболее высокий уровень загрязнения почв веществами, которые выбрасываются промышленными предприятиями, характерен для местностей вблизи центров черной и цветной металлургии.

В почве вблизи ряда предприятий черной металлургии в количествах, превышающих ПДК (более чем в 10 раз), содержатся также: бенз(а)пирен, ванадий, кадмий, кобальт, молибден, олово, свинец, фтор, хром.

Предприятия нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности загрязняют почвы в основном нефтепродуктами. Вокруг районов нефтедобычи в радиусе до 1-2 км содержание нефтепродуктов в почве заметно превышает фоновый уровень, при этом толщина загрязненного слоя нарушенных земель доходит до 1, местами до 2 м. Наибольшее загрязнение почвы нефтепродуктами отмечено на территории Апшеронского месторождения, где среднее содержание нефтепродуктов превысило фоновую концентрацию в 32 раза, максимальное - 83 раза.

Кроме того, источником загрязнения почв являются золо-отвалы предприятий энергетики, а также бытовые и сельскохозяйственные отходы, что в совокупности с промышленными загрязнениями приводит к снижению урожайности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции.

По отношению ко многим минеральным и органическим загрязняющим веществам почвы являются фильтрами - не даром их используют в очистных сооружениях и для очистки вод. Но это замечательное свойство почв и создает в то же время главную опасность их загрязнения. В зависимости от количества и состава гумуса, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, адсорбционной способности и других свойств в почвах задерживается часть макро- и микроэлементов, поступающих с техногенным потоком. Часть веществ, проникающая с почвенными растворами в более глубокие части профиля, встречает на пути еще ряд почвенно-геохимических барьеров: это иллювиальные, глеевые или карбонатные горизонты почв, задерживающие определенные группы элементов. Мощными геохимическими барьерами являются торфянистые горизонты почв. В качестве механического и термического барьера выступает горизонт вечной мерзлоты.

В зависимости от почвенно-геохимических условий часть удерживаемых в почвах элементов, в том числе и высокотоксичных, переходит в труднорастворимые, недоступные для растений формы, и они не включаются в биологический круговорот. Другие элементы в этих же почвах образуют относительно мобильные, но все же накапливающие формы и поэтому опасны для биоты. Остальные образуют в этих же условиях легкорастворимые формы, в почвах с промывным режимом они выносятся периодически за пределы почвенного профиля и поэтому представляют меньшую опасность. В почвах с водо-застойным режимом, наоборот, эта последняя группа растворимых и поэтому наиболее легкодоступных биохимически активных веществ насыщает водоносные горизонты почвы и представляет при слабом оттоке вод наибольшую опасность.

В почвах промывного режима степень опасности загрязнения подвижными формами загрязняющих веществ зависит, кроме того, от механического состава почв. Так, она наименьшая для хорошо водопроницаемых песчаных почв и увеличивается к менее водопроницаемым суглинистым и глинистым, а также к почвам с чередующимися прослоями разного гранулометрического состава, которые создают местные водоупоры.

Подвижность микроэлементов, а следовательно, опасность их сохранения и накопления в почвах, зависит, прежде всего, от кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий. В аэрируемых кислотных почвах с преобладанием окислительных условий (подзолистые почвы с хорошим дренажом) значительная группа микроэлементов (столь токсичные, как кадмий и ртуть) мигрирует и вымывается из профиля.

Значительная же группа микроэлементов в этих условиях дает слабоподвижные формы, они могут накапливаться в гумусовом и иллювиальном горизонтах почв и быть доступными для растений с глубокой корневой системой. Среди них имеются также токсичные микроэлементы: свинец, мышьяк, селен.

В кислых глеевых почвах (глеево-подзолистых, торфяно-глеевых) подвижность большинства микроэлементов уменьшается, особенно если среди загрязняющих веществ присутствует соединение серы. В этих условиях создается сероводородная среда и многие металлы образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды. В растворах остаются лишь стронций, барий, избыток которых в застойных почвенных водах может создать неблагоприятную обстановку для биоты. В практически неподвижные формы переходят молибден, ванадий, мышьяк, селен, сера.

Значительная группа элементов в кислых заболоченных почвах накапливается в относительно подвижных и поэтому опасных для живого вещества формах. Среди них могут быть свинец, хром, кобальт, медь, цинк, кадмий, ртуть. Эти же элементы могут быть и в кислых, незаболоченных почвах.

В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией (дерново-подзолистые, серые лесные, бурые лесные), нерастворимые формы образуют соединения свинца (особенно в тех почвах, которые периодически известкуются). К этой группе могут быть отнесены дерново-карбонатные почвы. Хорошо подвижны в этих условиях и поэтому при сезонном промывании почв могут выщелачиваться соединения цинка, ванадия, мышьяка, селена. Однако большая группа элементов все же может задерживаться в гумусовом и иллювиальном горизонтах названных выше почв в слабоподвижных формах (например, кадмий, ртуть). Следовательно, по мере уменьшения кислотности почв опасность загрязнения этими элементами увеличивается.

В глеевых слабокислых и нейтральных почвах южной части таежной зоны и зоны широколиственных лесов (дерново-глеевых и перегнойно-глеевых) легко растворимы лишь соединения стронция. Большая часть микроэлементов в этих условиях дает слабоподвижные формы, среди них мышьяк, селен и хром, которые и представляют главную опасность. Менее опасен свинец, поскольку в этих условиях он практически неподвижен.

Рассмотренные закономерности естественно усложняются в зависимости от состава и количества гумуса, коллоидов, особенностей гидротермического режима почв.

Столь же различна судьба попадающих на поверхность почв органических загрязняющих веществ, в том числе пестицидов.

Опасность загрязнения остаточными пестицидами усиливается вследствие того, что многие первоначальные нетоксичные соединения по мере разложения в почвах или в водоемах образуют стойкие токсичные метаболиты, поэтому существенным моментом очищения среды является их полная минерализация.

Степень опасности загрязнения окружающей среды токсичными веществами зависит от уровня техногенной нагрузки на территорию, состава и устойчивости загрязняющих веществ, условий разложения и рассеивания их в почвах и сопредельных средах.

Рядом авторов отмечается увеличение скорости разложения органических веществ на пашнях, по сравнению с лесом, что объясняется возрастанием микробиологической активности пахотных почв по сравнению с целинными. Так, если скорость разложения на целине принять за 1, на пашне она составляет примерно 1,3.

Можно ожидать, что загрязняющие органические вещества, попадающие в почву, на пашне будут разлагаться, а летучие вещества (например, многие пестициды) испарятся несколько быстрее, чем в таких же почвах лесных массивов.

Скорость вымывания воднорастворимых загрязняющих веществ из почвенной толщи в пределах нечерноземной зоны, где коэффициент увлажнения превышает 1, изменяется главным образом в зависимости от водопроницаемости почв и почвообразующих пород и их сорбционной способности. Если скорость вымывания в почвах с наиболее высокой водопроницаемостью (песчаных, хрящевато-щебнистых, целинных) принять за 1, то на пашнях с почвами подобного же механического состава она снижается до 0,5, на суглинистых и тяжелосуглинистых целинных почвах - до 0,3-0,2, а на пашнях с почвами тяжелого механического состава - до 0,2-0,1.

В районах, сложенных песчаными отложениями, при прочих равных условиях, увеличивается опасность загрязнения грунтовых вод, а в районах, сложенных суглинками и глинами, особенно в условиях расчлененного рельефа, возрастает опасность переноса загрязнителей с поверхностным и внутрипочвенными стоками в местные депрессии и водоемы.

Таким образом, степень опасности остаточного накопления пестицидов в почвах возрастает с юга на север, а в пределах каждой ландшафтной зоны - от песчаных почв к суглинистым и глинистым, от незаболоченных - к переувлажненным и болотным.

Наибольшей опасности загрязнения остаточными стойкими пестицидами будут подвергаться в пределах подзоны дерново-подзолистых почв Псковская, Новгородская, Рязанская и Московская области (особенно ее восточная часть), где высок модуль давления пестицидов на территорию в целом и где большие площади занимают заболоченные и болотные почвы.

Заслуживает внимания и проблема использования в разной степени заболоченных и переувлажненных почв. Их освоение для сельскохозяйственных целей и обновление возможны только при условии постоянного осушения с помощью различных способов дренажа. Сущность осушительной мелиорации ландшафтов состоит в том, чтобы с помощью дренажных регулирующих устройств обеспечить на обновляемых массивах двустороннее регулирование водного режима почв.

Для экономической оценки мелиорации необходимо знать не только затраты на нее, но и получаемую прибыль, что требует дополнительной информации о влиянии дренажа на урожайность культур.

В связи с этим голландскими специалистами Ван Вииком и Феддесом была разработана и опубликована в 1982 г. комплексная математическая модель, с помощью которой можно рассчитать влияние действия дренажа на урожайность сельскохозяйственных культур для различных типов почв в течение Ряда лет.

Дренаж в значительной степени определяет время обработки пахотных земель в весенний период. Обработка влажной почвы может привести к созданию неблагоприятной структуры почвы для прорастания семян. В условиях увлажнения полевые работы следует проводить в короткий промежуток времени, что бывает связано с увеличением потребности в рабочей силе и машинах.

Дренаж понижает уровень грунтовых вод и сокращает содержание почвенной влаги. Весной низкая влажность в верхнем слое может вызвать задержку всходов и даже их гибель. На переосушенных же землях скорость подпитывания из грунтовых вод часто бывает низкой. Если в вегетационный период уменьшается наличие почвенной воды, происходит снижение потенциальной эвотранспирации и урожая.

Комплексная модель Феддеса позволяет производить расчет работы дренажа на основе постоянного моделирования в течение ранней весны и лета до начала уборки.

Важнейшими составными частями данной комплексной модели являются гидравлическая модель и модель эвапотранспирации.

Модель состоит из ряда блоков («слоев»), содержащих кондуктивную и емкостную часть, которые подсоединены к резисторам. Самый верхний блок, представляющий поверхность почвы, моделирует инфильтрацию, испарение и поверхностный сток. Десять других блоков представляют слои почвы от 0,1 до 0,2 м. Другой блок моделирует дренаж, который заложен на глубине до 1,9 м.

В последующем комплексную модель усовершенствовали. В усовершенствованной комплексной модели (рис. 2.8) для расчета использования воды и урожая культур применяют два новых блока (подсистемы): SWATR рассчитывает для нестационарного процесса суточную скорость транспирации, CROPR — суточный прирост биомассы и общий урожай.

Существенное влияние на свойства почв оказывают и другие агромелиоративные мероприятия, в частности глубокая вспашка на болотах и заболоченных участках. При вспашке болот горизонтально лежащие слои торфа и песка естественного разреза изменяют свое положение и профиль почвы получается в виде чередующихся наклоненных слоев песка и торфа (рис. 2.9). В новом почвенном профиле в торфяном слое аккумулируется вода, а через песчаные полосы она просачивается в грунтовые воды и после этого уже отводится в открытый водоприемник. Растения, культивируемые на подготовленных таким образом участках, образуют в песчаных полосах глубокую корневую систему. Их корни получают воду и питательные вещества из торфяных полос. Причем глубоко вспаханные почвы способны нести большую нагрузку, чем необработанные.

Рис. 2.8. Комплексная модель для оценки влияния дренажа на урожай Культур на возделываемых землях (технологическая карта по Феддесу)

Рис. 2.9. Профиль почвы в виде чередующихся наклонных слоев торфа и песка после глубокой вспашки

Почвы, благоприятные для нормального роста и развития растений и позволяющие получать биомассу, пригодную для кормления животных и питания человека, не должны содержать химические элементы в концентрациях выше допустимых пределов.

Загрязненность почвы органическими веществами оценивают по комплексному показателю «Санитарное число», представляющему собой отношение количеств почвенного белкового и органического азота:

Характеристика почвы Санитарное число

Чистая 0,98-1,0

Слабо загрязненная 0,85-0,98

Загрязненная 0,70-0,80

Сильно загрязненная менее 0,70 .

Таким образом, почвенный покров на планете имеет довольно многообразные экологические функции, которые он может нормально выполнять лишь в ненарушенном состоянии. Поэтому охрана и рациональное использование почвенного покрова как основы жизни на Земле является глобальной экологической проблемой.