§ 5.3. Почва и вода, эрозия почв

Почвенные экосистемы не могут существовать без воды. Практичес­ки вся почвенная влага находится в верхнем двухметровом слое. Влаж­ность этого слоя составляет в среднем 10% по массе, что соответствует слою воды толщиной 0,2 м.

Для почвы характерны неоднородность (анизотропия) гидравличес­ких свойств, наличие пор, каналов, трещин, корневых ходов, червото­чин и т.д. Электронно-микроскопическое изучение структуры почвы указывает на существование двух типов пор: относительно больших и малых, расположенных внутри структурных почвенных элементов — педах. В этих мелких порах сосредоточена почвенная влага, пассивная в процессе влагопереноса. Поступающая в почву вода переносится через цепочки крупных пор, обходя воду внутри почвенных педов. Потоки воды через крупные поры и трещины создают своего рода каналы, по которым довольно быстро переносятся вода и растворенные в ней вещества. Тем самым часть воды, содержащейся в микропорах внутри педов, оказывается исключенной из активного потока почвен­ных вод.

В почвенном профиле можно выделить четыре влагоносных слоя: поверхностный, верхний, нижний и грунтовые воды.

Поверхностный слой контролирует инфильтрацию в почву талой воды и осадков, испарения почвенной влаги в засушливую погоду, поверхностный сток воды. Верхний влагоносный слой совпадает с корневой зоной растений. Вода, просачивающаяся в нижний слой, — влага фильтрации.

Для почвенного круговорота воды и влагообмена с сопредельными средами существенное значение имеет время года. В зимне-весенний период преобладает поверхностный сток. В осенний период (от окон­чания активной вегетации до промерзания почвы) происходит наибо­лее интенсивно нисходящее перемещение влаги по почвенному профи­лю. В период летней вегетации растений существенны потери почвен­ной влаги за счет испарения и транспирации.

Современное сельское хозяйство — важнейший фактор влияния на почвенные экосистемы. Будучи средством производства продуктов питания, почва превратилась в объект интенсивной эксплуатации.

Виды антропогенных воздействий на почвы обширней, чем на другие компоненты биосферы. Вся совокупность воздействий может быть разделена на две группы: воздействия на факторы, определяю- 6-235 161

щие плодородие почв (органический и минеральный состав, баланас по воде), и воздействия на структуру почв.

Одним из наиболее значительных факторов антропогенного воздей­ствия на почву является нарушение баланса по воде (вырубка лесов, поливное земледелие и другие воздействия, снижаюпще структурную устойчивость почв). Почва полностью попадает под власть воды, кото­рая уже не выводится из нее путем транспирации, а вместе с частица­ми почвы выносится в русло рек.

Основные причины деградации орошаемых земель: большие потери воды на фильтрацию, строительство оросительных каналов в земле без гидроизоляции, неконтролируемый расход воды, орошение минерали­зованной водой, бездренажное орошение. В нашей стране к.п.д. ороси­тельных систем составляет 30—40%, т.е. больше половины воды ис­пользуется не по назначению. Если учесть при этом, что около 80% всего водозабора расходуется на поливное земледелие, то масштабы потерь воды поистине огромны.

Без принятия необходимых защитных мероприятий орошаемое земледелие чревато возможными отрицательными последствиями. Так, при орошении черноземов происходит перераспределение гумуса по почвенному профилю, меняется качественный состав гумусовых ве­ществ. Потери гумуса сопровождаются ухудшением гидрофизических свойств черноземов.

Во многих регионах мира вода является фактором, лимитирующим урожай растений. Соответственно на огромных площадях действуют оросительные системы. В нашей стране площадь орошаемых земель увеличивается ежегодно на 1 млн .га. Однако при нарушении правил строительства или эксплуатации ирригационных систем возникают такие побочные явления, как вторичное засоление, заболачивание земель, деградация почв.

Вторичное засоление представляет собой процесс накопления вред­ных для растений солей (Na₂C03, MgC0₃, СаСОз, Na₂S0₄, NaCl и др.) в верхних слоях почвы и бессточных низменностях. Этот процесс еже­годно превращает в разных странах мира сотни тысяч гектаров полив­ных земель в бесплодные.

Засоление происходит из-за того, что грунтовые воды минерализо­ваны и их поднятие при орошении сопровождается накоплением солей в почвенном профиле. Наиболее токсично содовое засоление. Оно вызывает резкую смену рН почвенного раствора (увеличение до 9—11), повышает лабильность органического вещества, ухудшает структурное состояние почв.

Для орошения пригодны воды с концентрацией солей до 1 г/л. Особенно нежелательно присутствие в поливной воде Na₂COg. Вода большинства рек, используемых для орошения, содержит 0,2—0,3 г/л солей.

При поверхностном способе орошения скорость подъема уровня почвенно-грунтовых вод достигает 1 м/г, при дождевальном орошении — 0,3—0,7 м/г. Фактически при поверхностном способе орошения через 8—10 лет грунтовые воды поднимаются до критического уровня (1,5— 2,5 м), вызывая засоление, солонцевание и заболачивание почвы.

Избежать многих из перечисленных отрицательных последствий Орошаемого земледелия можно на основе применения .более современ­ной технологии с использованием закрытых трубопроводов, дождева­ния малой интенсивности, дренажа грунтовых вод, кондиционирова­ния оросительных вод и т.д. При орошении необходима высокая куль­тура земледелия, строгое соблюдение технологических норм, учет влажности почв.

Большие масштабы потерь продуктивных сельскохозяйственных угодий связаны с затоплением и подтоплением земель при строитель­стве равнинных водохранилищ. Как правило, при этом под затопление попадают наиболее ценные пойменные земли.

Одним из факторов, разрушающих почвенный покров, является эрозия почв. Эрозия — это явление разрушения и сноса почв и рых­лых пород потоками воды и ветра. Соответственно бывает ветровая и водная эрозия. Эрозия уносит с полей биогенов Р, К, N, Ca, Mg (вмес­те с водой и почвенными частицами) гораздо больше, чем их вносится с удобрениями. Кроме того, разрушается структура почвы. Продуктив­ность почв, подверженных эрозии, снижается на 35—70%.

То, что смывается или выдувается при естественной эрозии в тече­ние столетий, антропогенная эрозия уносит в самые короткие сроки. Разрушение верхнего плодородного слоя почвы эрозией происходит быстро, тогда как для естественного восстановления слоя почвы в 25 см требуются сотни и тысячи лет. При обычном (поперек склона) вспахивании почвы за счет смыва за год теряется плодородие почвы, восстанавливаемое в естественных условиях за несколько десятков лет.

Резко возросшие темпы почвенной эрозии увеличили твердый сток рек. Устья рек и бухты заносятся наносами. За последние 50 лет эро­зионный вынос твердых частиц в моря и океаны возрос в 10 раз.

Ускоренная оодиая эрозия, связанная с деятельностью человека, подразделяется на поверхностную и овражную. Поверхностная эрозия характерна для пологих склонов и происходит за счет равномерного смыва почвы. К поверхностной эрозии приводит в основном разруше­ние почвенных агрегатов крупными каплями дождя или дождевальных установок.

Овражная эрозия возникает там, где рельеф местности способствует скоплению поверхностно стекающей воды за счет резкого увеличения крутизны склона.

На процессы эрозии оказывают влияние характер почвообразую-щих пород, тип почвы и ее структура, а также степень покрытия ее растительностью. В обогащенной органическим веществом и структу­рированной почве поверхностный сток легче переводится во внутри-почвенный и эрозия проявляется менее эффективно.

По мере смыва структурного и обогащенного гумусом верхнего слоя почвы обнажаются горизонты, для которых характерны меньшая влагоемкость и меньшая устойчивость против размывающего действия воды.

Одним из главных мероприятий по борьбе с эрозией является задержание на полях талых и дождевых вод. Рекомендуются также такие естественные методы защиты от эрозии, как посевы многолетних трав, сомкнутый растительный покров, севообороты. Растительный покров закрепляет почву корневой системой, создает дополнительные поры и способствует переводу поверхностного стока во внутрипочвен-ный. Растительность обогащает почву органическими веществами и структурирует ее, что также способствует ослаблению водной эрозии. Кроме того, растительность защищает почву от механического воздей­ствия капель дождя, уменьшает скорость поверхностного стока.

Особенно необходима противоэрозионная защита на пойменных землях. Так, в центральных областях России площадь пашни на пой­менных территориях занимает 30—40%.

Ветровая эрозия (дефляция) почв характерна для районов недоста­точного увлажнения, высоких температур. Способствует ей засуха в сочетании с сильными ветрами. Настоящим бедствием становится пыльная буря, выносящая вместе с посевами до 20 см слоя почвы. С другой стороны, повседневная ветровая эрозия медленно, но методич­но разрушает почву.

В основном защита от эрозии сводится к организационно-хозяй­ственным и агротехническим мероприятиям. В последнее время нахо­дят применение полимеры-структурообразователи и закрепители грун­та. Эти полимерные покрытия должны быть достаточно пористыми, проницаемыми для корней растений, не содержать токсичных веществ.

$ 5.4. ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

Важным фактором антропогенного воздействия на почвенные эко­системы является применение минеральных удобрений. С ними в большой мере связывают успехи современного сельского хозяйства. Около ²/з урожая сельскохозяйственных растений человек использует для своих нужд и в итоге в почву возвращается меньше биогенных элементов, чем было накоплено биомассой растений. В идеале, если исходить из требования сохранности почвенных экосистем при изымании урожая, на поля необходимо вносить эквивалентное количество биогенных элементов. Если при этом исходить из нормы по 9 кг N, Р2О5 и К в год на человека, то при норме применения удобрений 100 кг/га следует вносить на поля планеты ежегодно по 150 млн.т N, Р и К. Количество применяемых удобрений в нашей стране неуклонно растет: за 20 лет (с 1965 по 1985 г.) оно возросло почти в четыре раза. Только в 1984 г. сельское хозяйство получило более 23 млн.т мине­ральных удобрений.

В действительности не все вводимые в почву удобрения достигают растений, многое теряется, выносится в водные объекты.

Особенно остро стоит проблема применения азотных удобрений. Дело в том, что почвенная экосистема истощается по запасам пита­ тельных веществ, если связанные формы азота и органические вещест­ ва в виде пищевых про­ дуктов изымаются из круговорота веществ со скоростью, превышающей скорость восстановления гумуса. Истощение почвы приводит к сокращению ее плодородия и сниже­ нию устойчивости против эрозии. При недостатке азота тормозится синтез белков, ферментов, хлоро­ филла, а значит, и угле­ водородов. Особенно необходим азот для обра­ зования новых клеток.

Как видно из рис. 21, рис. 21. Динамика потребления биогенных элементов азот потребляется моло- в период вегетации растений дыми растениями в

течение вегетационного периода неравномерно. До стадии кущения потребности во всех биогенах намного меньше, чем в процессе роста растений. Избыточное содержание азотных удобрений в почве приво­дит к отрицательному воздействию на растения. Так, при дозе 150 кг/га наблюдалось полегание посевов озимой пшеницы, понижалась урожайность. При дозах порядка 200 кг/га снижается процент прорас­тания семян.

165

Избыточный азот в почве накапливается обычно в форме нитрата. Поскольку в этой форме азот почвой не сорбируется, он легко вымыва­ется почвенными водами, причем от 20 до 40% его поступает в грунто­вые воды и близлежащие водоемы.

Резкое увеличение применения азотных удобрений приводит к непропорциональному росту урожая. Так, в США 5-кратное увеличе­ние количества применяемого минерального азота привело лишь к 20%-ному приросту урожая зерновых культур (табл. 23).

Таблица 23. Сравнение средней урожайности зерновых культур США с количеством применяемых удобрений

Сейчас в мире в почвы вносится ежегодно 54 млн.т азотных удобре­ний в год, в странах бывшего СССР — 10 млн.т/год. Ежегодный избы­ток связанного азота в биосфере составляет 9 млн.т.

Нарушению естественного баланса до азоту способствует переход от пастбищного скотоводства к индустриальному — животноводческим комплексам. Соответственно сокращается возврат органических ве­ществ и азота в почву вместе с продуктами жизнедеятельности живот­ных. В то же время очистка и утилизация сточных вод животновод­ческих комплексов от биогенных форм азота — сложная проблема. Так, типовой животноводческий комплекс на 108 тыс.голов свиней или на 35 тыс. крупного рогатого скота по количеству физиологических отходов эквивалентен городу с населением в 250—350 тыс. человек. В жидкой фракции животноводческих отходов содержится много труд-норазлагаемых белковых соединений, а общее содержание азота дости­гает 4 г/л.

Неконтролируемым источником поступления соединений азота в почвенные экосистемы является промышленность по производству азотных удобрений. Промышленные выбросы достигают 50% продук­ции. С осадками в почву поступает в год в среднем около 10 кг N/ra, тогда как локально вблизи от предприятий это количество может быть гораздо выше.

Пересыщение почвы соединениями азота происходит и за счет биологических источников — при многократных посевах сои и других бобовых культур (вместо удобрений). 166

Повышение содержания нитратов в почве и соответственно в сель­скохозяйственных растениях и питьевой воде приводит сразу к не­скольким отрицательным последствиям.

При попадании нитратов в организм человека происходит их вос­становление до нитрит-ионов, которые переводят гемоглобин в метгемоглобин. Возникает болезнь под названием метгемоглобинемия. От­равление 20% гемоглобина приводит к сердечной недостаточности, а 80% — к смерти.

В кислой среде нитриты реагируют со вторичными аминами, обра­зуя нитрозоамины, многие из которых канцерогенны для органов пищеварения и выделения. Опухолевое действие нитрозоаминов обна­ружено в 1956 г. Сейчас ежегодно публикуется около 1500 сообщений по раковым заболеваниям, индуцированным нитрозоаминами. Считает­ся, что не менее 5% злокачественных опухолей возникает из-за повы­шенного содержания нитратов в пище.

Кроме того, азотные удобрения стимулируют образование в продук­ции сельского хозяйства микотоксинов, которые также могут приво­дить к раковым заболеваниям.

Суточное потребление азота с пищей в виде нитратов не должно превышать в рационе человека 200 мг, а нитритов — 10 мг. В питьевой

воде не должно содержаться более 20 мг NO3 в 1 л.

При накоплении нитратов качество сельскохозяйственной продукции резко ухудшается. Теряется устойчивость овощей и фруктов к длительному хранению, снижаются питательная ценность продуктов и их потребительские качества как промышленного сырья. Например, уменьшается содержание сахара в сахарной свекле.

Влияние азотных удобрений на урожайность и качество раститель­ной продукции происходит не только за счет накопления нитратов непосредственно растениями, но и опосредованно — через почву. Так, при использовании аммиачных форм азотных удобрений происходит потеря гумуса, возрастает его минерализация. Изменяются и микро­биологические свойства почвы.

.Применение азотных удобрений и их последующая трансформация вызывает повышение содержания N2O в атмосфере. Всего газообраз­ные потери азота за счет процессов денитрификации в среднем состав­ляют 24% от их суммарного внесения на поля.

Со всей очевидностью дальнейшее наращивание производства и использования азотных удобрений в том виде, в каком это делалось до сих пор, приведет к "заколдованному кругу", в результате которого загрязнение биосферы минеральными формами азота станет критичес­ким. Выход видится в применении гранулированных удобрений пролонгированного (в идеале программированного) действия. Гранулы покрывают тонкой полимерной пленкой, которая постепенно разлага­ется почвенными микроорганизмами. Почвенная влага и растворенные в ней вещества медленно просачиваются через мельчайшие поры поли­мерной пленки. Регулируя толщину пленки и размер пор, можно "программировать" продолжительность действия гранулированных удобрений, поддерживая необходимую для роста растений локальную концентрацию биогенных элементов в корневой зоне в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур в период вегетации.

Другой выход — в создании сельского хозяйства будущего на базе достижений гидропоники, генетики и селекции.

Помимо азотных удобрений в почву необходимо вносить фосфаты. Несмотря на то что почва содержит значительные запасы фосфора, лишь 10—20% его находится в доступной для растений форме. Жела­тельное соотношение N:P:K в удобрениях лежит в пределах 1:1:1— 1:2:2,5. При N:P < 1:1 в продуктах накапливаются восстановленные формы азота, что чревато образованием нитрозоаминов. Фосфор в почве необходимо постоянно восполнять в виде минеральных и органо-минеральных удобрений, так как биологического источника, подобно­го азоту, для фосфора нет.

Фосфор, как и азот, потребляется растениями с разной интенсивно­стью разными видами и сортами в разные сроки вегетации и в разных экологических условиях. Фосфаты малоподвижны в почвенной среде, поэтому вносить их необходимо непосредственно в корневую систему. Эффективность использования фосфата из минеральных удобрений меньше, чем азота.

Избыток фосфора нетоксичен для живых организмов. Однако при интенсивном использовании фосфорных удобрений происходит обога­щение сельскохозяйственной продукции фтором и мышьяком. Дело в том, что в суперфосфате содержится до 1,5% фтора, являющегося ингибитором ряда ферментов. К тому же вместе с суперфосфатом на каждый гектар пашни в почву вносится 30—300 мг мышьяка.

По мере обработки почвы фосфорными удобрениями происходит так называемое "зафосфачивание" почв. При этом фосфор находится в фиксированном, недоступном для растений состоянии и лишь малая доля его вовлекается в биохимический круговорот. Около 5% вносимо­го на поля фосфора выносится в водоемы.

Помимо азота и фосфора для жизни растений необходим калий, особенно на начальных стадиях их развития (см. рис. 21). В период после цветения калий вымывается назад в почву. В силу высокой растворимости солей калия вынос его в сопредельные водоемы велик. В почве калий существует в равновесии между обменной и необмениой формами. Калийные удобрения (KN0₃, K₂S0₄, KC1) вносятся, когда запас обменного калия в почве невелик (< 200 кг/га).

Для формирования урожая требуется также сера в количестве 10—30 кг/га. Потребность в сере у растений зависит от фазы их разви­тия — максимальная в период цветения. Как правило, серы в почве

достаточно. Она поступает в почву в виде SO4" с осадками или в виде S0₂ из воздуха непосредственно в растения (через устьица). При сильном загрязнении воздушной среды SO2 происходит снижение фотосинтетической активности сельскохозяйственных растений.

Наряду с минеральными удобрениями расширяются маштабы при­менения органических удобрений (навоз, торф, компост). При этом вследствие смыва органических веществ из почвы в воду разрушается водный барьер между человеком и почвой.

Дело в том, что в почве в условиях большого содержания органи­ческих веществ обитает большое число патогенных (болезнетворных) микроорганизмов. При смыве в водоемы они быстро погибают из-за нехватки пищи. При обогащении водной среды органическим вещест­вом пищи может оказаться достаточно для возникновения в водной среде очага болезнетворных организмов, (грибков, бактерий и др.). Так, в 1965 г. была зарегистрирована новая болезнь — менингоэнцефалит, возникающая у подростков после продолжительного купания в пруду или реке в теплые дни. Возбудителем этой болезни оказалась амеба, обитающая в почве. Питаясь бактериями, циты амебы перехо­дят в активную форму, быстро размножаются в воде и становятся опасными. Таким образом, загрязнение почв и природных вод стирает грань между средами обитания микроорганизмов.

Действительность сейчас такова, что с неконтролируемым стоком с полей выносится 37% легкоокисляемых органических веществ и 98% колиформных бактерий. Ситуация поистине тупиковая: нехватка про­довольствия вынуждает интенсифицировать сельскохозяйственное производство, при этом возрастает загрязнение природной водной среды, возникает опасность заболеваний от употребления некачествен­ной питьевой воды.

Фактически применение минеральных и органических удобрений, как и пестицидов, представляет собой намеренное загрязнение почвен­ных экосистем и пищевых продуктов и в принципе может и должно быть контролируемым. Наряду с этими загрязнениями происходит масштабное и неконтролируемое загрязнение земель тяжелыми метал­лами, главным образом соединениями ртути, свинца, кадмия. Связано это с тем, что в золе угля и нефти обнаруживаются почти все металлы зачастую в концентрациях порядка 500 г/т. Экономически оправдано

извлечение из золы некоторых металлов (урана, германия, олова, свинца, кобальта, никеля, цинка). Если учесть, что в настоящее время сжигается ежегодно 5 млрд.т горючих ископаемых, а всего сожжено уже 130 млрд.т угля и 40 млрд.т нефти, то вместе с золой на поверх­ность Земли поступили миллионы тонн металлов, значительная часть которых аккумулирована в верхних горизонтах почвы. Масштабы столь велики, что именно сжигание ископаемого топлива вызывает преимущественное загрязнение почв металлами. Только свинца еже­годно выбрасывается на поверхность почв от выхлопных газов более 250 тыс.т/год.

Поведение тяжелых металлов в почвах зависит от окислительно-восстановительных условий и рН среды. Миграционная способность Си, Ni, Co, Zn в восстановительной среде уменьшается на 1—2 порядка по сравнению с окислительной. В кислой среде большинство металлов более подвижны.

Многие металлы являются микроэлементами, необходимыми для нормального протекания процессов жизнедеятельности растений. Опас­ность представляют их локально высокие концентрации, а также спо­собность некоторых металлов накапливаться в растениях и с пищей поступать в организмы животных и человека.