Геохимические функции почв.

Свойство различных почв по-разному аккумулировать разнообразные химические элементы и соединения, одни из которых необходимы для живых существ (биофильные элементы и микроэлементы, различные физиологически-активные вещества), а другие являются вредными или токсичными (тяжёлые металлы, галогены, токсины и пр.), проявляется на всех живущих на них растениях и животных, включая и человека. В агрономии, ветеринарии и медицине такая взаимосвязь известна в виде так называемых эндемических болезней, причины которых были раскрыты только после работ почвоведов.

Почва оказывает существенное влияние на состав и свойства поверхностных, подземных вод и всю гидросферу Земли. Фильтруясь через почвенные слои вода извлекает из них особый набор химических элементов, характерный для почв водосборных территорий. А поскольку основные хозяйственные показатели воды (её технологическая и гигиеническая ценность) определяются содержанием и соотношением этих элементов, то нарушение почвенного покрова проявляется также в изменении качества воды.

Геохимические аномалии (в почвах)– повышенное или пониженное относительно почвенно-геохимического фона содержание химических элементов в почвах. Основными предпосылками возникновения Г.а. является существование почвенно-геохимических барьеров и миграционных почвенно-геохимических потоков, пронизывающих их. В зависимости от геохимических свойств миграционных потоков происходит образование зон выщелачивания химических элементов в отдельных горизонтах почв или их накопление на почвенно-геохимических барьерах. Природные Г.а. в почвах возникают в случае развития почвы в условиях влияния миграционных потоков естественного происхождения (например, в маломощных почвах некоторых рудных провинций, в условиях обильного поступления химических соединений на поверхность почвы с эоловым переносом и т.п.).

Достаточно хорошо изучены техногенные Г.а., возникающие в условиях поступления химических элементов в почву в результате производственной деятельности человека. По площади техногенные Г.а. в почвах можно подразделить на региональные (возникающие в результате площадного техногенного воздействия на почвенный покров)и локальные (связанные с определенным эпицентром воздействия). Территорию проявления локальных Г.а. обычно называют техногенным ореолом рассеяния. По А.И.Перельману, техногенные Г.а. в почвах можно разделить на полезные, которые изменяют свойства почв в желаемом для человека направлении (например, участки, где проведена химическая мелиорация почв — промывка от солей, известкование и т.д.); и вредные, изменяющие свойства почв в нежелательную сторону (участки почвенного покрова с повышенным содержанием токсических веществ из-за загрязнения). Исследование Г.а. в почвах проводятся геологами, почвоведами и географами при поисках полезных ископаемых, при определении возможности использования почв в сельском хозяйстве, в рекреационных и др. целях.

Геохимические циклы— совокупность последовательно происходящих явлений и процессов, приводящих к круговороту химических элементов и их соединений в земной коре.

Впервые понятие геохимических циклов обосновал В. И. Вернадский (1922), который связывал историю химических элементов с последовательным преобразованием их соединений (минералов) в зависимости от различных термодинамических условий в разных частях земной коры. Постоянный круговорот химических элементов в земной коре определяется динамическим характером природных равновесий, непрерывным преобразованием вещества земной коры в процессах выветривания, осадкообразования, метаморфизма, магматизма.

Этот круговорот сопровождается разделением элементов, в наибольшей степени проявляющимся в биосфере при взаимодействии вещества литосферы, гидросферы и атмосферы и при определяющем участии живого вещества. Каждый химический элемент в соответствии с его химическими свойствами имеет свой геохимический цикл. Выделяют геохимические циклы различных масштабов, например циклы, связанные с биогеохимическим круговоротом элементов атмосферы, почв, грунтовых вод и живого вещества, или циклы преобразования пород в процессах выветривания-сноса-осадкообразования-выветривания (этот круговорот нередко называют малым геохимическим циклом), или, наконец, преобразование вещества земной коры в процессах выветривания-осадкообразования-метаморфизма-магматизма-выветривания (большой геохимический цикл).Эти циклы взаимодействуют друг с другом, создавая в целом сложную систему путей миграции химических элементов. Мерой темпа круговорота и обмена веществ между отдельными резервуарами (магматические,метаморфические,осадочные породы, атмосфера, гидросфера, живое вещество) является среднее время пребывания элементов в них, представляющее частное от деления полной массы элемента в данном резервуаре на величину потока его из резервуара (или в резервуар — в стационарном состоянии эти величины равны друг другу), выраженного в единицах массы за единицу времени. Например, среднее время пребывания С в живом веществе 7-8 лет, свободного О₂в атмосфере 3800 лет, СО₂в атмосфере 6 лет, СО₂в океане около 330 лет, С в осадочных породах около 400 млн. лет. Представление о геохимическом цикле позволяет связать отдельные процессы в единую схему, составить схему распределения элементов в земной коре в целом, количественно описать основные пути миграции химических элементов.Крупные беспозвоночные (дождевые черви, многоножки, личинки насекомых) по сравнению с простейшими и микроартроподами обитают в более определенных почвенно-климатических условиях и могут служить надежными индикаторами. В частности, дождевые  формируют основную часть почвенной зоомассы, они являются калькофилами, т.е. обитателями почв с высоким содержанием кальция, и не встречаются в кислых почвах. Они  значительное влияние оказывают н а формирование серых лесных почв и черноземов. Вместе  с тем стафилиниды рода  Bledius и чернотелки рода Belopsus показательны для почв солончаково- солонцового комплекса (Гиляров, 1976). Формирование бурых лесных почв  связано с наличием мокриц, моллюсков. Индикатором тундровых почв являются  ногохвостки, пауки, клещи (Ольшанг, 1974).

Зональности почв соответствуют и водорослевые группировки (Штина, Голлербах,  1976). В подзолистых почвах преобладают одноклеточные зеленые и желто- зеленые водоросли, устойчивые в кислой среде, а в дерново-подзолистых –в основном сине-зеленые и зеленые. Болотные почвы характеризуются наличием гидрофильных видов. В солонцовых почвах выделяются диатомовые водоросли. В последнее время показано, что почвенные водоросли могут служить четким индикатором, например, выработанных торфяников (Ковалев и др., 1998). Водорослевые группировки тесно связаны со свойствами почв и соответствующих им БГЦ, что позволяет их рассматривать как одну из характеристик того или иного БГЦ. Так, на выработанных торфяниках при естественном зарастании отмечено, что альгофлора под травянистой растительностью сильно отличается от альгофлоры сосняка или открытого торфяника. Под злаковыми травами на дренированных участках преобладают сине-зеленые водоросли, под осоковыми ассоциациями – в основном гидрофильные виды. На сильно увлажненных открытых торфяниках доминируют уже неприхотливые виды, а также гидрофильные виды бывшей болотной альгофлоры.  Водоросли четко характеризуют водный режим выработок. Индикатором благоприятного водного режима почвы выработанных торфяников могут служить микроскопические разрастания эдафофильных водорослей Botridium

Таким образом, информация об увлажнении, получаемая через водорослей, особенно важна в первые годы после завершения выработки, когда не успел еще сформироваться типичный лугово-болотный БГЦ. Водоросли могут служить также индикатором плодородия, а также токсичности выработанных торфяников. В частности, по мере окультуривания выработанных торфяников возрастает роль синезеленых и желто-зеленых водорослей, а число зеленых водорослей уменьшается. При сильной кислотности и высоком содержании Al и Feдоминируют уже другие представители. Таким образом, водоросли –удобный биологический индикатор различного состояния почв, поскольку они являются автотрофными организмами, присутствуют во всех почвах и их реакция на условия среды наиболее сходна с реакцией высших растений.

Методы микробиологической и биохимической почвенной диагностики разработаны меньше всего, поскольку микроорганизмы –чуткие индикаторы. Они резко реагируют на изменения в среде. Кроме того, микроорганизмы неравномерно распределены как в почвенной толще, так и в пределах одного горизонта, поэтому для получения убедительных данных необходимо проводить многократное изучение многочисленных образцов.

Микробиологическая и биохимическая индикация почв находится в стадии развития. Тем не менее многие накопленные параметры микробиологического состояния позволяют внести существенные дополнения в индикацию почв. В настоящее время хорошо известны размеры и вес, а также скорости роста на различных субстратах большинства представителей почвенного микромира. Эти параметры позволяют подсчитать биомассу, образующуюся за год, ее прирост на единицу площади, а также скорость роста и отмирания микроорганизмов. Хотя микробиологические процессы в почвах весьма динамичны, тем не менее в каждом типе почв существует сравнительно постоянный запас (пул) микроорганизмов и каждый тип почвы обладает характерным микробным населением, о чем было отмечено выше. Общее количество микроорганизмов –характерная величина для каждого типа зональных.

Качественный состав микробиомассы также изменяется в зависимости от типа почвообразования. Например, биомасса грибов в почвенной толще превышает бактериальную во всех типах зональных почв, но особенно заметно преобладание грибной массы в почвах с кислой реакцией среды европейской части России (Бабьева, Зенова, 1989), а количество спорообразующих форм бактерий (бацилл) в зональных почвах Западной Сибири возрастает с увеличением сухости климата (Клевенская . др., 1970).

Таким образом, живые индикаторы суммируют все биологически важные данные о почве и отражают ее состояние в целом.

5.НЕОДНОРОДНОСТЬ СВОЙСТВ ПОЧВ

Различное сочетание факторов почвообразования, т.е. их варьирование, является  причиной изменчивости почв. Это сочетание может проявляться в такой степени, что в  разных природных зонах могут образовываться почвы, близкие по свойствам, а в одной зоне –резко различающиеся по свойствам. На пестроту почвенного покрова основное влияние оказывают биотические факторы –триада (растения, микроорганизмы, животные). Абиотические факторы (климат, рельеф, материнская порода), образующие кору выветривания, являются необходимым, но недостаточным условием почвообразования. В связи с влиянием абиотических факторов на неоднородность почвенного покрова необходимо отметить, что индекс сухости, например, определяет границы природных зон. Изменение климатического фактора в пределах зоны является причиной различного  проявления почвообразовательных процессов, характерных для данной зоны, например, различная степень выраженности оподзоливания, осолодения или накопления гумуса. Такие изменения, как правило, незначительны, т.к. существенные изменения климата вызывают смену биогеоценоза (БГЦ). БГЦ занимает вполне определенную площадь (поверхность), где  климатические показатели (солнечная радиация и осадки) поступают равномерно.

Неоднородность почвенного покрова в пределах БГЦ зависит от структуры БГЦ. Например, в случае лесного БГЦ радиация и осадки на поверхность его поступают равномерно, но ниже этой поверхности начинается перераспределение составляющих климата. Резко изменяется и становится неравномерной освещенность и распределение осадков под пологом леса, что отражается на варьировании свойств почв.

Неоднородность почв в зависимости от рельефа описал еще Г.Н.Высоцкий (1906). Во  всех природных зонах можно обнаружить ряд почв, свойства которых изменяются закономерно по элементам рельефа. С изменением рельефа прежде всего связано варьирование увлажнения, а, значит, и изменение свойств почв. Такие ряды почв образуют катену. Примеры катен описаны многими исследователями. Катена включает в себя последовательность местообитаний. В.Н.Сукачев не считал рельеф компонентом БГЦ, но отмечал, что он имеет большое значение для выделения и разграничения БГЦ в природе, в пределах же однородного рельефа наиболее показателен признак однородности растительного покрова. В качестве примера неоднородности почв в зависимости от рельефа можно привести ряд почв под пологом широколиственно-хвойных лесов европейской части России (Филатов, 1945). Плакоры заняты сильно-подзолистыми почвами и подзолами, пологие склоны –среднеподзолистыми почвами, нижние части склонов –сильноподзолистыми почвами, а верхниечасти склонов и выпуклые элементы рельефа – дерновыми и слабоподзолистыми почвами. Микрорельеф (неоднородность земной поверхности, амплитуда колебаний которых по высоте измеряется сантиметрами, а  протяженность в пространстве –метрами) также является показателем неоднородности почвенного покрова. Различный режим увлажнения на микроповышениях и  микропонижениях, приводит к различиям почвообразовательного процесса (Карпачесвский, 1977).Так, вывороты деревьев, происходящие в результате естественного отмирания их или ветровалов, вызывают образование в лесах особого микрорельефа, что отражается на изменении химического состава почвообразующей породы и составе растительности в данной точке пространства. Вывороты могут составлять до 30% площади и образуют, такимобразом, сочетания микропонижений и микроповышений. Неоднородность почвообразующих пород также определяет изменчивость почвенного покрова. Например, в дерново-подзолистой зоне под пологом елово-лиственных лесов встречаются равнины, сложенные мореной и перекрытые покровными суглинками, а также древнеаллювиальные песчаные террасы под пологом сосняков. В результате наблюдается чередование комплекса дерново-подзолистых почв (на водоразделе)  с дерново-слабоподзолистыми или даже бурыми лесными почвами (Карпачевский. 1977). В данном случае резкая смена почвообразующих пород приводит к смене растительных формаций и, следовательно, БГЦ. Однако в пределах одного БГЦ пестрота материнских пород проявляется сравнительно редко. Поэтому в большинстве случаев неоднородность почвенного покрова, связанная с неоднородностью материнских пород, одновременно является биогеоценотической неоднородностью.

О главенствующей роли растительности в неоднородности почвенного покрова отмечали В.В.Докучаев, П.А.Костычев, Р.В.Ризположенский, В.В.Пономарева и др. В настоящее время влияние растительности на пестроту почвенного покрова изучено наиболее полно на примере лесных биогеоценозов (Карпачевский, 1981, 1993).

В общих чертах можно отметить, что растительность как зависящее от климата зональное образование влияет на почву тем, что она является основным источником органических остатков, а значит, и почвенного гумуса. За счет растительности происходит  дифференциация почвы на генетические горизонты. В известной степени она изменяет состав атмосферных осадков, проходящих через ее полог. Корневая система растений создает ходы, по которым передвигается вода, питательные вещества, а также почвенная фауна. Кроме того, она изменяет плотность и влажность почвы, реакцию среды, состав  обменных катионов, содержание питательных веществ. С другой стороны, в пределах одного типа леса именно под различными растениями формируются почвы с заметно различающимися морфологическими признаками. Различия могут быть и на уровне почвенного типа. Влияние растений на почву оценивают через их фитогенные поля.

Фитогенное поля каждого растения определяется в целом его биологией, видами животных и микроорганизмов, которые ассоциируются с этим растением, количеством и химизмом опада, который поставляется растением, особенностями разложения этого опада. Напряженность любого поля, как известно, уменьшается по направлению от источника. Источником в случае фитогенного поля лесного биогеоценоза является дерево, главный эдификатор. Площадь и степень влияния фитогенногополя растения на неоднородность почв зависят от размеров растения. Различные части фитогенного поля (например, от приствольной части до границы кроны) каждого растения оказывают разное воздействие на почву. Основная причина разного воздействия связана с поступлением опада и дождевых осадков. В зависимости от кроны опад и осадки неравномерно распределяются по поверхности почвы, что сказывается на неоднородности почвенного покрова в особенности в приствольной части и на границе кроны. Почвенные образования, приуроченные к деревьям, называются тессерами, которые различны у разных деревьев. В частности, в различных участках фитогенного поля наблюдается варьирование морфологических и химических свойств горизонтов, а отдельные горизонты могут даже исчезнуть. Систематическое изменение свойств почв в радиальном направлении находится в прямой зависимости от количества осадков, стекающих по стволу и проходящих через крону. Пестрота свойств связана с неравномерным развитием корневой системы. За счет неравномерного развития корневой системы проявляется неравномерное выделение углекислоты почвой в ризосфере и за ее пределами. Углекислота определяет реакцию почв, а, значит, и количество поглощенных оснований и содержание гумуса. Поэтому по мере удаления от ствола происходит увеличение значения рН, содержания обменного кальция, гумуса и, следовательно, его составляющих, например, азота (Карпачевский, 1981). Фитогенное поле, свойственное каждому эдификатору, –одна из причин формирования парцеллы. Парцелла представляет собой наличие в пределах одной растительной ассоциации других, более мелких, обособленных групп растений и почв. БГЦ имеет, таким образом, парцеллярное (мозаичное) строение. Иными словами, парцелла –это структурная часть БГЦ, площадь которой определяется границами распространения преобладающих эдификаторов.

Например, в чистых высокополнотных лесных насаждениях весь БГЦ может состоять практически из одной парцеллы. Однако и в этих БГЦ встречаются другие парцеллы, занимающие незначительную площадь БГЦ. В смешанных и низкополнотных насаждениях встречается 20 и более парцелл. Условия почвообразования в парцеллах могут значительно различаться и в связи с этим различаются и почвы как компоненты парцеллы (Карпачевский, 1977). Размеры парцелл могут изменяться в значительных пределах:от единиц до десятков и сотен м2

В пределах крупной парцеллы, таким образом, может отмечаться изменение видового разнообразия растений и свойств почв связано с фитогенным полем.

Влияние растительности наиболее четко прослеживается при разведении лесных культур. Так, культура дуба на дерново подзолистых почвах увеличивает содержание гумуса и степень насыщенности основаниями по сравнению с культурой сосны. Различия в содержании гумуса могут достигать 1%. Под хвойными породами (сосна, лиственница) по сравнению с березой, ольхой, дубом увеличивается плотность почвы, запас гумуса, мощность гумусового горизонта, мощность подстилки. Под лиственными породами гумус богаче кальцием, что вполне естественно, т.к. опад лиственных пород богачезольными элементами, в т.ч. и кальцием, чем хвойных. Одна и та же лесная порода в различных условиях по-разному влияет на свойства почвы. Например, в лесной зоне береза способствует большему накоплению гумуса в дерново-подзолистых почвах, чем осина, лиственница, дуб. Однако в лесостепной зоне как накопитель гумуса береза уступает дубу и часто уравнивается с сосной. Наблюдается близкое по характеру воздействия ели и лиственницы на содержание гумуса. Для лесной зоны по накоплению гумуса намечается следующий ряд: липа –дуб –осина –береза –лиственница –ель. Для лесостепной зоны порядок изменяется:липа –дуб –береза –осина –лиственница. Аналогичное влияние прослеживается и на содержании обменных оснований (кальция и магния). В учении о факторах почвообразования растительность рассматривается как одно из обязательных условий, влияющих на свойства почв. В экологии почв почва рассматривается как экологический фактор роста и развития растений. Как показали эти и ранее приведенные примеры, обе эти зависимости наблюдаются в природе, поскольку почва и растение составляют единую систему.

В создании неоднородности почвенного покрова большую роль играют животные и микроорганизмы. Все представители почвенной мезофауны, как уже было отмечено, образуют с микроорганизмами зоомикробиальные комплексы. С растениями свойства почвы связаны формально. В действительности связь происходит через животный мир биогеоценоза. Например, поступающие на поверхность почвы органические остатки  становятся средой обитания для всех почвенных животных -от мышей и землероек до червей, личинок насекомых, самих насекомых и др. представителей. Даже некоторые виды лягушек и жаб связаны в своей жизни с подстилками. Все эти животные разрушают растительный материал, поедают опад, затаскивают его в почву, превращают опад сначала в подстилку, а потом в гумус. Часть растительного материала попадает в почву (отмершие корни, подземные части стеблей), часть вымывается в почву с дождевыми и талыми водами. Основная же часть органического материала перерабатывается животными и микроорганизмами. О масштабах воздействия животных на неоднородность почвенного покрова свидетельствуют многие примеры. Еще Ч.Дарвин показал, что слой почвы 0 -10 см через 10 лет проходит через кишечную систему дождевых червей и обогащается гумусом, микроорганизмами и ферментами. Черви оструктуривают почву своими экскрементами  (копролитами), создают мелкозернистую, обогащенную гумусом массу, которая устойчива к разрушающему действию воды. Дождевые черви обусловливают роющую деятельность кротов, которые в поисках пищи прокладывают ходы в почвы, при этом перемешивая почву и выбрасывая на поверхность материал из нижних горизонтов. Аналогично кротам ведут себя слепыши, но в отличие от кротов они питаются растениями. Степные обитатели –сурки, суслики –роют глубокие норы и выбрасывают на поверхность почвы материал, частично обогащенный карбонатом кальция и другими солями. Выбросы таких животных способствуют увеличению содержания солей в верхних слоях почвы и формированию менее плодородной почвы на окружающей нору территории. Из-за большого числа нор может наступить проседание почвы, в образующиеся западины поступающая вода и почвенный материал в конечном счете могут привести к образованию более плодородной почвы, чем на смежных территориях. Все живущие в почве животные и даже наземные животные-норники (лисицы, барсуки, волки, соболи) так или иначе разрыхляют и перемешивают почву, создавая таким образом неоднородность почвенного покрова.

 Педотурбационная деятельность животных часто намного превосходит по емкости круговорот через фитоценоз. Так, за год на поверхность почвы они могут выносить от 10 до 65 т минерального субстрата, содержащий сотни кг Ca, Fe, Pи других элементов, которые вступают в биологический круговорот. Через 20 лет выбросы землероев превращаются в почву, характерную для данной парцеллы. Животные оказывают и прямое влияние на биологический круговорот.

Например, их экскременты, поступающие в почву, обогащают ее N, P, K. Участие микроорганизмов в создании неоднородности почвенного покрова, как уже было отмечено, тесно связано с деятельностью почвенной мезофауны. Численность (пул) микроорганизмов варьирует в течение вегетационного периода, варьирует она и в пределах почвенной толщи и даже отдельного горизонта, что является одной из основных причин влияния их на неоднородность почвенного покрова. Однако общее количество микроорганизмов является лишь косвенным фактором неоднородности почвенного покрова.

Микроорганизмы –составная часть биотического фактора почвообразования. Поэтому неоднородность почвенного покрова со стороны влияния микроорганизмов обусловлена прежде всего их функциями, жизнедеятельностью. Сочетание процессов разрушения целлюлозы, азотфиксации, нитрификации, денитрификации, сульфатредуцирующей, а также других видов микробиологической деятельности, как известно, тесно связано со всеми  условиями почвообразования. Все вышеуказанные микробиологические и биохимические процессы происходят одновременно, но интенсивность проявления того или иного из них зависит от почвенно-экологических условий. Различное сочетание их дает различные масштабы накопления гумуса в почвах. Таким образом, с деятельностью фауны и микрофлоры тесно связано образование гумуса, косвенно определяющего неоднородность почвенного покрова.Под влиянием фауны и микроорганизмов органические остатки прежде всего теряют анатомическое строение и в конечном итоге превращаются в аморфную массу (Кононова, 1963). Процесс разложения распадается на две стадии –минерализацию и гумификацию. О  минерализации уже было отмечено при рассмотрении биологического круговорота.

Гумификация

Почва - один из важнейших компонентов окружающей природной среды, непосредственно связанный с приповерхностной частью литосферы. Ее образно называют ʼʼмостом между живой и неживой природойʼʼ. Почва обеспечивает существование биосферы, является ее основой, она — биологический адсорбент и нейтрализатор загрязнений. Следует учитывать, что почва практически невозобновимый природный ресурс. Все ее основные экологические функции замыкаются на одном обобщающем показателе - почвенное плодородие.

Гумификация.это:

–процесс накопления в почве гумусовых соединений. Это -сложная система органических соединений, состоящих из гумусовых веществ и веществ индивидуальной природы (аминокислот, белков, углеводов, липидов, органических кислот и др.).

 Основными органическими веществами, входящими в состав поступивших в почву растительных остатков, являются в основном углеродсодержащие соединения (целлюлозы, гемицеллюлозы, лигнин, жиры и некоторые другие). Однако немалую роль играют и азотсодержащие соединения (белки, белки-ферменты, нуклеиновые и аденозинфосфорные кислоты), а также другие органические соединения. При разложении азотсодержащих соединений помимо газообразных продуктов образуются аминокислоты, а в анаэробных условиях также и жирные кислоты. Таким образом, продукты разложения отличаются более простой структурой по сравнению с исходными соединениями более сложной природы, но набор элементов в тех и других один и тот же. Поэтому гумусовые вещества, как и исходные органические остатки, имеют в своем составе те же элементы : С, O, H, N, P, S.

Процесс образования гумуса – сложный окислительно-восстановительный процесс микробиологического и биохимического превращения органических веществ. Этот процесс изучается уже на протяжении двухсот лет и многие вопросы остаются все еще невыясненными. Не вызывает сомнения факт, что гумусообразование -своеобразный процесс естественного отбора: наименее устойчивые составляющие органических остатков минерализуются или до газообразных продуктов, или до промежуточных продуктов, которые служат источником питания для других групп микроорганизмов, а более устойчивые составляющие участвуют в гумификации (Орлов, 1990). Образовавшиеся гумусовые вещества значительно устойчивее, чем исходные органические остатки, и способны сохраняться в почве сотни и тысячи лет, что подтверждено многочисленными определениями возраста основных компонентов гумуса методом радиоуглеродного

Деградация почвы— это постепенное ухудшение ее свойств, ĸ деградации почв сопровождается уменьшением содержания гумуса и снижением плодородия. К деградации почв (земель) ведут и другие причины, преимущественно антропогенного характера˸ эрозия, загрязнение, вторичное засоление, заболачивание, опустынивание. В наибольшей степени деградируют почвы агроэкосистем, причина неустойчивого состояния которых в их упрощенном фитоценозе, не обеспечивающем оптимальную саморегуляцию. Огромный экологический ущерб почвам наносит эрозия. Отчуждая с полей основной (зерно, корнеплоды, овощи и др.) и побочный урожай (солома, листья, ботва и др.), человек размыкает частично или полностью биологический круговорот веществ, нарушает способность почвы к саморегуляции и снижает ее плодородие. Эти процессы ведут к весьма опасной по своим далеко идущим последствиям дегумификация почвы – (потере гумуса). Дегумификация возрастает и за счёт неумеренного внесения в почву минœеральных удобрений. За последнее столетие почвы Черноземья потеряли от трети до половины содержания гумуса. Но даже частичная потеря гумуса и, как следствие, снижение плодородия не дает почве возможность выполнить в полной мере свои экологические функции, и она начинает деградировать, ᴛ.ᴇ. ухудшать свои свойства.

Основными загрязнителями почвы являются 1) пестициды (ядохимикаты); 2) минеральные удобрения; 3) отходы и отбросы производства; 4) газодымовые выбросы загрязняющих веществ в атмосферу; 5) нефть и нефтепродукты.

В мире ежегодно производится более миллиона тонн пестицидов. Сегодня влияние пестицидов на здоровье населения приравнивают к воздействию на человека радиоактивных веществ. По данным ВОЗ, отравлению пестицидами в мире каждый год подвергаются до 2 миллионов человек, из них 40 тысяч - с летальным исходом.

Среди пестицидов наибольшую опасность представляют стойкие хлорорганические соединения, которые могут сохраняться в почвах в течение многих лет, и даже малые их концентрации в результате биологического накопления могут стать опасными для жизни организмов, так как обладают мутагенными и канцерогенными свойствами. Воздействие пестицидов оказывается весьма негативным не только для человека, но и для всœей фауны и флоры. Можно с уверенностью констатировать, что общий экологический вред от использования загрязняющих почву пестицидов многократно превышает пользу от их применения.

Почвы загрязняются минеральными удобрениями,если их используют в неумеренных количествах, теряют при транспортировке и хранении. В почву в больших количествах мигрируют нитраты, сульфаты, хлориды и другие соединения.

К интенсивному загрязнению почв приводят отходы и отбросы производства. В стране ежегодно образуется свыше миллиарда тонн промышленных отходов, из них более 50 миллионов тонн особо токсичных. Огромные площади земель заняты свалками, золоотвалами, которые интенсивно загрязняют почвы. Как известно, способность почв к самоочищению ограничена.

Огромный вред для функционирования почв представляют газодымовые выбросы промышленных предприятий. Почва способна накапливать весьма опасные для здоровья человека загрязняющие вещества, к примеру, тяжелые металлы, радионуклиды и радиоизотопы, осœедающие из этих выбросов.

Одной из серьезных экологических проблем России становится загрязнение земель нефтью и нефтепродуктами в таких нефтедобывающих районах, как Западная Сибирь, Поволжье. Причинами загрязнения являются аварии на нефтепроводах, несовершенство технологии нефтедобычи, аварийные и технологические выбросы. В Западной Сибири свыше 20 тысяч га загрязнены нефтью толщиной слоя не менее 5 см.

Эрозия почв - это разрушение и снос верхних, наиболее плодородных горизонтов и подстилающих пород ветром (ветровая эрозия) или потоками воды (водная эрозия). Земли, подвергшиеся разрушению в процессе эрозии, называют эродированными. По аналогии выделяют также промышленную эрозию (разрушение почв при строительстве и при разработке карьеров), военную эрозию (воронки, траншеи), пастбищную эрозию (при интенсивном выпасе скота), ирригационную (разрушение почв при прокладке каналов и нарушении норм поливов). При этом настоящим бичом земледелия у нас в стране и в мире остаются ветровая эрозия (ей подвержены 34% суши) и водная эрозия, активно действующая на 31% поверхности суши. В засушливых районах мира эродировано 60% от общей площади, из них 20% — сильно эродированы.

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. К примеру, уничтожение растительности, нерегулируемый выпас скота͵ неправильное применение агротехнических мер способствует резкой активизации эрозионных процессов.

При очень сильных и продолжительных ветрах возникают пыльные бури, которые безвозвратно уносят самый плодородный верхний слой почвы. Пыльные бури загрязняют атмосферный воздух, водоемы, отрицательно влияют на здоровье человека. В нашей стране пыльные бури неоднократно возникали в Нижнем Поволжье, на Северном Кавказе, в Башкирии.

Водная эрозия- это разрушение почв под действием временных водных потоков. Различают плоскостную, струйчатую, овражную, береговую водную эрозию. Как и в случае ветровой эрозии, условия для проявления водной эрозии создают природные факторы, а основной причиной ее развития является производственная и иная деятельность человека˸ появление новой тяжелой почвообрабатывающей техники, уничтожение растительности и лесов, чрезмерный выпас скота͵ отвальная обработка почв.

Среди различных форм проявления водной эрозии значительный вред окружающей природной среде и, в первую очередь, почвам наносит овражная эрозия. Оврагов только на территории Русской равнины 5 миллионов га и площадь их увеличивается˸ ежедневные потери почв из-за развития оврагов достигают 100-200 га.

В процессе хозяйственной деятельности человек может усиливать природное засоление почв. Такое явление носит название вторичного засоления и развивается оно при неумеренном поливе орошаемых земель в засушливых районах. Во всœем мире процессам вторичного засоления подвержено около 30%, в России — 18% общей площади орошаемых земель. Засоление почв ослабляет их вклад в поддержание биологического круговорота веществ. Исчезают многие виды растительных организмов, появляются новые растения - галофиты. Уменьшается генофонд наземных популяций в связи с ухудшением условий жизни организмов, усиливаются миграционные процессы.

Заболачивание почв наблюдается в районах с сильной влажностью, к примеру, в Нечерноземной зоне России, на Западно-Сибирской низменности, в зонах вечной мерзлоты. Оно сопровождается деградационными процессами в биоценозах, накоплением на поверхности неразложившихся остатков. Заболачивание ухудшает агрономические свойства почв и снижает производительность лесов.

Одним из глобальных проявлений деградации почв является опустынивание.

По Б.Г. Розанову (1984), опустынивание — это процесс необратимого изменения почвы и растительности и снижения ее биологической продуктивности, который в экстремальных случаях может привести к полному разрушению биосферного потенциала и превращению территории в пустыню. На территории СНГ опустыниванию подвержено Приаралье, Прибалхашье, Черные земли в Калмыкии и Астраханской области. Все они относятся к зонам экологического бедствия. Непродуманная хозяйственная деятельность на этих территориях привела к необратимым деградационным изменениям природной среды и ее эдафической части, резко снизилось биоразнообразие и произошло разрушение природных экосистем.

На севере Евразии и Америки породы верхней части земной коры постоянно находятся в мерзлом состоянии и только летом оттаивают на глубину несколько десятков сантиметров. Такие породы называют многолетнемерзлыми или вечномерзлыми, а территорию - областью многолетней мерзлоты (или криолитозоной). На территории нашей страны она занимает более 50% суши и значительную часть шельфа северных морей. Происхождение вечной мерзлоты связывают с последним оледенением четвертичного периода. В последние десятилетия в сферу строительного освоения в районах вечной мерзлоты вовлекаются все новые территории˸ север Западной Сибири, шельф арктических морей. Вторжение человека не проходит бесследно для хрупких природных экосистем Севера˸ разрушается почвенный слой, изменяется рельеф, режим снегового покрова, возникают болота͵ нарушаются взаимосвязи и взаимодействия экосистем, резко снижается их устойчивость.

Основными звеньями экологической защиты почв являются

‣‣‣ защита почв от водной и ветровой эрозии;

‣‣‣ организация севооборотов и системы обработки почв;

‣‣‣ мелиоративные мероприятия (борьба с заболачиванием, засолением почв);

‣‣‣ рекультивация нарушенного почвенного покрова;

‣‣‣ защита почв от загрязнения, а полезной флоры и фауны от уничтожения;

‣‣‣ предотвращение необоснованного изъятия земель из сельхозоборота.

Для борьбы с эрозией почв необходим комплекс мер землеустроительных, агротехнических, лесомелиоративных и гидротехнических. При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия останавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же после их устройства, агротехнические — через несколько лет, а лесомелиоративные — через 10—20 лет после их внедрения.

Предупреждение вторичного засоления почв крайне важно устраивать дренаж, регулировать подачу воды, применять полив дождеванием, использовать капельное и прикорневое орошение, выполнять работы по гидроизоляции оросительных каналов и т.д.

Предотвращение загрязнения почв пестицидами и другими вредными веществами используют экологические методы защиты растений (биологические, агротехнические), повышают природную способность почв к самоочищению, не применяют особо опасные и стойкие инсектицидные препараты.

Снятие, сохранение и нанесение почвенного плодородного слоя на нарушенные земли предусматриваются при проведении строительных и иных работ, связанных с механическим нарушением почвенного покрова. Рекультивация (восстановление) почвенного покрова бывает техническая, биологическая и строительная.

Аридизация почвы - ϶то сложный и разнообразный комплекс процессов уменьшения увлажненности обширных территорий и вызванного этим сокращения биологической продуктивности экологических систем ʼʼпочва-растенияʼʼ.

Для контроля, определения комплекса природоохранных мероприятий и прогноза потенциальной продуктивности почвы разработана единая система показателœей, отражающих изменение процессов почвообразования и, как следствие, свойств почвы. Классификация почв учитывает влияние загрязняющих веществ на такие почвенные изменения, как˸ а) продукция; б) хозяйственные части урожаев; в) технологическая ценность этих урожаев; д) ухудшение санитарно-гигиенической ценности. По степени устойчивости к загрязняющим веществам почвы разделяют на˸ очень устойчивые; устойчивые; малоустойчивые; очень малоустойчивые. По степени чувствительности к загрязняющим веществам почвы разделяют на˸ очень чувствительные; чувствительные; малочувствительные; устойчивые. Устойчивость или чувствительность почв к загрязняющим веществам целœесообразно определять в соответствии с а) содержанием гумуса; б) качеством гумуса; в) биологической активностью; г) глубиной гумусового горизонта; д) содержанием фракции<0,01 мм с учетом содержания фракции < 0,001 мм (механический состав почвы); е) частями глиностных минœералов; ж) глубиной почвенного профиля.

Основные понятия, касающиеся химического загрязнения почв, определœены ГОСТом 17.4.1.03-84. ʼʼОхрана природы. Почвы. Термины и определœения химического загрязненияʼʼ. Сегодня в России установлен лишь один норматив, определяющий допустимый уровень загрязнения почвы вредными химическими веществами, - это предельно допустимая концентрация для пахотного слоя почвы. Принцип нормирования содержания химических соединœений в почве основан на том, что поступление их в организм происходит преимущественно через контактирующие с почвой среды.

Предельно допустимая концентрация в пахотном слое почвы - это концентрация вредного вещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямого или косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и на здоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы.

Нормативы предельно допустимой концентрации в пахотном слое почвы разработаны для веществ, которые могут мигрировать в атмосферный воздух или грунтовые воды, снижать урожайность или ухудшать качество сельскохозяйственной продукции. Оценка уровня химического загрязнения почв населœенных пунктов проводится по показателям, разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованиях окружающей среды городов. Поскольку часто почвы загрязнены сразу несколькими элементами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения, отражающий эффект воздействия группы элементов. Суммарный показатель загрязнения должна быть определен как для всех элементов в одной пробе, так и для участка территории по геохимической выборке. Оценка опасности загрязнения почв комплексом элементов по показателю Zc проводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на базе изучения состояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнем загрязнения почв.

Таблица 1.

Ориентировочная оценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю (Z_с)

Мониторинг земель – система наблюдения за состоянием земельного фонда для своевременного выявления и оценки изменений, предупреждения и устранения последствий негативных процессов. Согласно Положению ʼʼО мониторинге земель в Российской Федерацииʼʼ, утвержденному постановлением Правительства России от 15 июля 1992 ᴦ., мониторинг земель является составной частью мониторинга окружающей среды.

Почва так же, как воздух и вода, подвержена загрязнению. Основные источники загрязнения почвы канцерогенными веществами – выбросы промышленных предприятий, тепловых электростанций, котельных, выхлопные газы воздушного и наземного транспорта. Канцерогенные вещества в почве обнаруживаются повсеместно, причем одним из источников этих загрязнений является атмосфера. Вредные выбросы оседают на почве, а часть из них просачивается в грунтовые воды. Другим крупным источником загрязнения почвы становятся опасные отходы, в числе которых встречаются болезнетворные и смертоносные побочные продукты промышленных объектов либо захоронения особо опасных веществ, ставших отходами технологических и химических процессов атомной, военной и других отраслей промышленности.

С промышленными твердыми отходами в почву поступают всевозможные металлы: железо, алюминий, свинец, цинк, сталь и самые различные химические загрязнения, в числе которых микроэлементы органических и неорганических соединений.

В связи с развитием агропромышленных комплексов потенциальная опасность загрязнения почвы имеется в сельской местности. Орошение, призванное увеличить урожаи сельскохозяйственных культур, в конечном итоге приводит к значительному снижению качества и продуктивности земель за счет чрезмерного накопления солей и подъема уровня грунтовых вод (засоления и заболачивания).

Применение большого количества различного рода удобрений и пестицидов также является одним из источников загрязнения почвы, ибо накопление их может оказать вредное влияние на свойства почвы. В частности, может произойти деградация или изменение численности микроорганизмов отдельных видов, а это влечет за собой процессы, связанные с потерей способности почвы к самоочищению, в конечном счете, к ухудшению плодородия.

В настоящее время наиболее часто используются удобрения: альгициды – для борьбы с вредителями, арборициды – для уничтожения нежелательной древесной растительности, бактерициды – для уничтожения вредных микробов, инсектициды, уничтожающие вредных насекомых, гербициды – для борьбы с сорными травами, фунгициды, предупреждающие грибковые заболевания и многие другие.Среди часто используемых пестицидов особо вредными и опасными являются:

а)органические соединения – хлорорганические, фосфороргани-ческие, хлорофос, метафос, фосфамид, карбонаты;б)неорганические соединения ртути, свинца, мышьяка, нефтепродуктов. Главная опасность пестицидов заключается в том, что они вписываются в экологические цепочки, переходят из почвы и воды в растения, птицу, рыбу и, в конечном счете, попадают в организм человека. Насколько ядохимикаты способны в процессе миграции преодолевать все условные географические границы, свидетельствует пример. Антарктидный ледниковый панцирь, которой находится за десятки тысяч километров от регионов применения химических средств, накопил в своем слое более 2000 т ДДТ.

Орошение, призванное увеличить урожаи сельскохозяйственных культур, с течением времени приводит к резкому снижению качества и продуктивности земель. Коренное улучшение земель для сельскохозяйственного пользования путем осушения болот, укрепления сыпучих песков древонасаждением, устройства прудов и водоемов искусственного орошения называется мелиорацией. Благодаря орошению удается резко повысить урожайность агрокультур. Однако со временем оно приводит к чрезмерному накоплению солей, т.е. засолению, а также подъему уровня подпочвенных вод, так называемому заболачиванию.

 При орошении вода, просачиваясь в почву, растворяет соли, тем самым увеличивается содержание солей в воде. Большая часть этой воды испаряется в атмосферу, оставляя на поверхности почвы слой различных солей. В результате засоления ухудшается урожайность, а со временем земля может стать совершенно бесплодной. Соленая вода убивает корни растений, и постепенно плодородные земли превращаются в пустыню. Процесс снижения продуктивности пастбищ или пашен более чем на 10% называется опустыниванием. В настоящее время в мире орошается примерно 20% пахотных земель, а к 2010 году предполагается эту площадь увеличить в два раза. От заболачивания на планете страдает около десятой части всех орошаемых земель, площадь их с каждым днем увеличивается. Таким образом, использование таких прогрессивных средств, как применение большого количества ряда удобрений и пестицидов, чрезмерное орошение может оказать неблагоприятное воздействие на свойства почв, снизить способность почвы к самоочищению. Регламентация химического загрязнения почв устанавливается по предельно допустимым концентрациям (ПДК), которые значительно отличаются от принятых допустимых концентраций вредных веществ в воде и воздухе, попадающих в организм человека непосредственно. ПДК – это концентрация 1 мг химических веществ на 1 кг почвы в пахотном слое, которая не должна оказывать вредного прямого или косвенного влияния на окружающую среду и здоровье человека, а также на самоочищение почвы.

Основные источники загрязнения почвы