Модуль 4. Эволюция состава биосферы.
Биогеохимия агроландшафтов
Тема 4.2. ГЕОБИОХИМИЯ АГРОДАНДШАФТОВ
Одним из важнейших результатов техногенного воздействия на биосферу явилось
произошедшее и продолжающееся во многих районах мира изменение наземных
природных ландшафтов и их преобразование в ландшафты техногенные. Техногенными
называют такие ландшафты, в функционировании которых ведущая роль принадлежит
техногенным процессам. При трансформации природного ландшафта в техногенный
изменяется не только характер протекающих в нём процессов, но и сама структура
ландшафта. Их составными частями являются, наряду с природными компонентами, их
техногенные или природно-техногенные аналоги. К их числу относятся техногенные
(культурные) почвы, техногенные (в отстойниках предприятий) и техногенно
изменённые илы, техногенные коры выветривания (наиболее развиты на
эксплуатируемых месторождениях), техногенные водоносные горизонты, техногенные
отложения. Структура техногенного ландшафта и характер протекающих в нём процессов в
наибольшей мере определяются характером хозяйственного использования
соответствующей территории. Поэтому классификация техногенных и техногенно
изменённых ландшафтов осуществляется, в первую очередь, на основе этого фактора.
Выделяются ландшафты селитебные (жилые), разнообразные промышленные и
сельскохозяйственные, (агроландшафты) дорожно-транспортные, лесохозяйственные,
рекреационные и т.д. Давайте несколько подробнее рассмотрим наиболее важный для
Вас тип техногенных ландшафтов - агроландшафты, протекающие в них техногенные
процессы и направления трансформации природных геосистем под их воздействием. Агроландшафты – особый отряд техногенных ландшафтов, отличающийся от других
техногенных тем, что в обмене веществом между компонентами ландшафта ведущая
роль принадлежит процессам биологического круговорота химических элементов. В
этом агроландшафты принципиально не отличаются от природных биогенных ландшафтов
– разница лишь в том, что этот круговорот иначе организован. Минимальная степень
трансформации природного биологического круговорота характерна для пастбищ.
Наибольшее техногенное влияние испытывают ландшафты, занятые многолетними
насаждениями (сады, виноградники). Должна учитываться и степень техногенного
загрязнения, оцениваемая по величинам внесения минеральных удобрений и
пестицидов. Техногенную природу в агроландшафтах нередко имеет и химизм вод – как
поверхностных, так и в ещё большей мере почвенных и грунтовых. Во многом он
зависит от таких факторов, как внесение удобрений и различных агромелиорантов, и
потому может принципиально отличаться от химизма вод исходного природного
ландшафта. Нередко в их составе могут существенную, даже ведущую роль
приобретать компоненты, для которых в природных условиях это не свойственно
(нитраты, фосфаты). Агротехногенез – древнейшая форма техногенеза. Влияние его на природную среду особенно велико в регионах длительного
интенсивного земледелия, где оно сопоставимо или даже превышает промышленное. Агротехногенез, в отличие от большинства других видов техногенеза, имеет свои
положительные экологические стороны. Это противодействие минеральному голоданию
растений, улучшение водного режима в ландшафтах. Но стремление к максимально
эффективному использованию агроландшафтов (под которым с утилитарной точки
зрения понимается максимальное производство сельхозпродукции), без учёта всего
комплекса экологических процессов, ведёт и к негативным последствиям – развитию
загрязнения, деградации ландшафтов. Наиболее традиционными видами агротехногенного воздействия на ландшафты являются
агротехническая обработка почвы, внесение в почву минеральных и органических
удобрений, почвенных мелиорантов и пестицидов, проведение водной мелиорации
(орошение, осушение). Сопутствующими результатами агротехногенеза являются
нарушения растительного покрова, которые в предельных случаях могут приводить к
развитию процессов пустынной деградации. Рассмотрим далее влияние основных
техногенных факторов на агроландшафты и наиболее существенные последствия их
воздействия – как прямые, так и косвенные. Обработка почвы. Агротехническая обработка почвы на протяжении периода вегетации
растений проводится многократно – в процессе вспашки, боронования, сева,
культивации, внесения удобрений, мелиорантов и пестицидов, сбора урожая.
Некоторые виды работ сопровождаются нарушением первичной погоризонтной структуры
почвы. В совокупности все процессы обработки имеют следствием уплотнение почвы и
(в той или иной степени) её химическое загрязнение. Источниками загрязнения
являются истирание рабочих частей сельскохозяйственных орудий, а также выхлопы
транспортных средств и утечки ГСМ. При истирании орудий в почву попадают
частички легирующих металлов, в результате чего в почвах повышаются содержания
таких компонентов, как Mn, Ni, Co, Cr, V. По оценкам специалистов ИМГРЭ (Сает и
др., 1990), концентрации названных металлов в почвах могут возрастать на 10-40%.
Другие исследователи (Летувнинкас, 2002) считают эти цифры несколько
завышенными, но признают, что такой источник загрязнения, действительно, имеет
место. Те же металлы попадают в почвы и с выхлопами. Кроме того, транспортные
выхлопы и утечки ГСМ вызывают загрязнение углеводородами и свинцом. Применение удобрений. Использование удобрений является одним из важнейших
агротехнических приёмов. Использование его обеспечивает в настоящее время
большую часть получаемого урожая сельхозкультур. Но, наряду с полезными
результатами, использование удобрений нередко вызывает нежелательные
трансформации круговорота и баланса химических элементов. Особенно в тех
случаях, когда внесение удобрений по объёмам не сбалансировано с их потреблением
растениями. В этих случаях внесение удобрений становится серьёзным источником
загрязнения почв, сельхозпродукции, поверхностных и грунтовых вод, приземной
атмосферы. Кроме того, непродуманное использование определённых видов удобрений
может вызывать рост кислотности почв, а это, в свою очередь, ведёт к вымыванию
гумуса и других органических веществ, а также микроэлементов. В агротехнической деятельности применяются как минеральные, так и органические
удобрения. Наиболее мощный фактор загрязнения агроландшафтов – нерациональное
использование минеральных удобрений. Минеральные удобрения делятся на две группы
– стандартизированные, содержания основных компонентов в которых регулируются
стандартами, и нестандартизированные. Среди стандартизированных выделяются
удобрения фосфорные, азотные, калийные, комплексные (содержащие несколько
компонентов) и микроудобрения (содержащие стандартизированные количества тех или
иных микроэлементов – меди, молибдена и т.д.). В качестве нестандартизированных
удобрений чаще всего используются осадки сточных вод, коммунальные твердые
бытовые отходы, загрязненные речные воды. При этом содержание микрокомпонентов и
в большинстве стандартизированных удобрений не регламентируется, а среди них
имеются опасные загрязнители. Чтобы учесть все последствия их применения,
необходимо изучать весь процесс биологического круговорота и миграции веществ в
ландшафтах, не ограничиваясь традиционным для агрохимии аспектом (баланс почва –
растение). Наибольшие нарушения баланса связаны с применением азотных и фосфорных
удобрений. Азотные удобрения дают 15-20% поступления азота в агроландшафты. В районах
интенсивного земледелия эта доля увеличивается до 70-80%. В последнем случае
круговорот азота становится всё более открытым, растёт дисбаланс. Приход азота
на 20-30% превышает расход. Доля органического азота в фитомассе растений
уменьшается; увеличивается аккумуляция азота в почвах, грунтовых и поверхностных
водах, сельхозпродукции и может превышать ПДК. Сильное загрязнение азотом
характерно для пойм и дельт крупных рек в районах интенсивного овощеводства, где
содержания нитратов и нитритов превышают ПДК многократно. С фосфорными удобрениями в почвы вносятся избыточные количества многих
микроэлементов (Cd, As, Y, Sr, F, иногда U, Pb, Cd, Zn и др.). В этом плане
фосфорные удобрения являются наиболее «грязными». Многие из характерных для этих
удобрений элементов-примесей (Y, TR, As, Cd), в отличие от фосфора, слабо
усваиваются растениями. Уровни их накопления в растениях в сотни и тысячи раз
меньше, чем в почвах. В этом есть плюс, так как нет непосредственного
загрязнения сельхозпродукции, и потому в агрохимии наличие таких примесей часто
считают безопасным. Но в результате постоянного внесения таких удобрений
концентрации этих элементов в почвах неуклонно увеличиваются, оттуда они
поступают в грунтовые воды и начинают загрязнять ландшафт в целом. Наиболее экологически опасно накопление различных токсичных элементов и их
соединений в подземных и поверхностных водах, что может вызывать различные
заболевания при использовании такой воды. Нестандартизированные удобрения. Основным источником поступления микроэлементов
в агроландшафты являются нестандартизированные удобрения, широко применяемые в
Западной Европе. Особенно значительно загрязнение Cd, Ag, Hg, Bi, Sb, Zn, Pb, W.
При этом поглощение их растениями избирательно. Поэтому при оценках
агроландшафтов необходимо учитывать биогеохимическую специализацию выращиваемых
в них культурных растений. Так, известно, что капуста концентрирует Co и B,
помидоры – Co и Be, фасоль – Mo, свекла – Li и т.д. Органические удобрения.
Существенное влияние на ландшафты оказывают и
органические отходы животноводческих комплексов – стоки, жидкий навоз.
Органические удобрения, в отличие от минеральных, являются естественным
компонентом биологического круговорота в природных ландшафтах. Поэтому
изначально, при сбалансированном их употреблении, сочетание земледелия с
поставляющим такие удобрения стойловым животноводством явилось эффективным
фактором противодействия развитию минерального голодания в агроландшафтах. Но с
переходом животноводческой отрасли на промышленную основу баланс оказался
нарушен. Стремление, во что бы то ни стало, повысить экономическую эффективность
животноводства привело к созданию гигантских животноводческих комплексов в
десятки тысяч голов крупного рогатого скота и сотни голов свиней.
Соответственно, огромны и объёмы отходов, образующихся при их эксплуатации.
Животноводческие отходы характеризуются высоким содержанием взвесей, а также
соединений азота, фосфора, калия, органических веществ, сероводорода, метана,
тяжёлых металлов. Свойственно им и присутствие патогенных организмов –
сальмонеллы, паразитарных червей, фекальных бактерий, возбудителей бруцеллёза,
туберкулёза, чумы и других опасных заболеваний. Поэтому прямой сброс их в
естественные водоёмы и водотоки невозможен. Стремление их максимально
утилизировать в качестве органических удобрений приводит к нарушениям баланса
вещества в агроландшафтах. Главная причина нарушений баланса – упомянутая выше высокая степень концентрации
животноводческого производства. Перевозка жидкого навоза на расстояние более 7
км обычно считается нерентабельной. Поэтому в ближайших окрестностях крупных
животноводческих хозяйств в агроландшафты обычно поставляются избыточные (и даже
резко избыточные) дозы органических удобрений, а отдалённые сельхозугодья могут
не получать их вовсе. В то же время при правильном, строго нормированном
распределении органических удобрений урожайность возрастает в несколько раз, и
никакого загрязнения ландшафта при этом не происходит. Нормы безопасного использования отходов животноводческого производства зависят
от специализации хозяйства – поставщика отходов. Токсичность минимальна у
отходов птицефабрик, максимальна – у свинокомплексов. Применение пестицидов. Ещё один серьёзный источник загрязнения агроландшафтов –
использование пестицидов. Пестициды – это синтетические соединения, созданные
для борьбы с насекомыми (инсектициды), сорняками (гербициды), болезнетворными
грибами (фунгициды) или бактериями (бактерициды). Главным образом, это
органические соединения хлора и фосфора. Насчитывается более 100 тысяч видов
пестицидов, что существенно осложняет изучение их экологического воздействия.
Некоторые из них не разлагаются десятки лет и существенно загрязняют ландшафтные
среды. Наиболее опасны для человека и животных инсектициды, но и другие средства
также оказывают негативное действие. В одной из работ профессора Санкт-Петербургского государственного университета
В.Ф. Барабанова отмечено: «Все без исключения пестициды при тщательной проверке
обнаруживают либо мутагенное (изменение наследственности), либо иное
отрицательное воздействие на живую природу и человека. Даже разовые контакты
человека с такими пестицидами, как диэлдрин, малатион, паратион ведут к
изменениям биотоков головного мозга, сохраняющимся в течение полугода.
Воздействие же самых современных, быстро разлагающихся органо-фосфатных
пестицидов чревато развитием депрессии, раздражительности, нарушением памяти,
способности к абстрактному мышлению, иными нейрохирургическими нарушениями. 60%
гербицидов и 30% инсектицидов, применявшихся в США в 1986 г., способны вызвать
рак». При этом следует отметить, что пример по США приведён не потому, что там дела с
загрязнением пестицидами обстоят особенно плохо. Скорее, наоборот, Просто дело в
том, что статистические данные такого рода по США наиболее полны и доступны. А
вообще средний уровень внесения пестицидов в почвы агроландшафтов США
сравнительно невелик – от 0,2 до 0,5 кг/га в год. В большинстве стран мира эта
величина составляет в среднем 2-3 кг/га в год. А в СССР в 1980-е гг., на пике
кампании по химизации сельского хозяйства, в некоторых регионах на гектар пашни
вносилось более 230 кг/га в год!!! Сейчас случаев такого массированного
применения пестицидов в России уже нет. Но остались старые запасы пестицидов, в
том числе и давно запрещённых к употреблению (например, ДДТ), которые хранятся
совершенно бесконтрольно, иногда просто в кучах под открытым небом, откуда они
разносятся потоками дождевых и талых вод и загрязняют окружающие территории. В отличие от макро- и микроэлементов, вносимых с удобрениями, пестициды в
исходных ландшафтных средах не существуют, и появляются в них только в
результате хозяйственной деятельности. То есть любое их содержание, даже самое
малейшее, свидетельствует о техногенном загрязнении. Активное применение этих
веществ во второй половине ХХ в. привело к глобальному загрязнению ими биосферы.
Наличие пестицидов обнаружено даже в организмах пингвинов в Антарктиде – то есть
в той части света, где они никогда не применялись. Особенно опасные концентрации
создаются в донных отложениях низовьев и дельт крупных рек. Внесение почвенных мелиорантов. Почвенными мелиорантами называются вещества,
которые не являются сами по себе источниками минерального питания растений, но
внесение которых улучшает агрономические свойства почв. К ним относятся такие
материалы, как известковая мука, торф, глина, песок, гипс и т.д. применение
каждого из них требует определённой осторожности и контроля, так как любой из
вносимых в почву компонентов может быть обогащён теми или иными токсичными
элементами. Особой осторожности требует применение глин, так как они, из-за
своей высокой сорбционной способности, могут накапливать большой спектр
токсичных элементов. Торфяники, при столь же высокой способности к сорбции,
напротив, вне зон техногенного загрязнения микроэлементами чаще всего обеднены.
Под «чаще всего» имеются в виду торфяники верховых болот, на долю которых
приходится наибольший объём запасов торфа – так как в верховые болота вообще
поступает очень мало минеральных веществ. Но вот торфяники низовых болот,
питаемых подземными водами, являются исключением, и их применение требует
контроля содержания микроэлементов. В качестве ещё одного примера можно
упомянуть битуминозные известняки, в которых также могут содержаться повышенные
количества токсичных элементов, не свойственные обычным известнякам. Поэтому
использовать их для известкования почв тоже не следует без предварительного
исследования на содержание элементов-примесей. Орошение. Орошение ведет не только к увлажнению, но и к существенной
геохимической трансформации ландшафта. При оптимальных природных предпосылках и
нормах орошения улучшаются водный и тепловой режим почв, возрастает
микробиологическая активность, уменьшается засоление, повышается биологическая
продуктивность ландшафта. Но при нерациональном использовании орошения возможны и отрицательные
последствия. В их числе:
- повышение уровня грунтовых вод до критической глубины и развитие вторичного
засоления почв;
- загрязнение сопряженных ландшафтов дренажными стоками орошаемых массивов (в
результате с 1960 по 1985 гг. минерализация Сыр-Дарьи увеличилась в 3,5 раза);
- орошение автономных степных и лесостепных ландшафтов может резко усиливать
латеральную миграцию вод и приводить к переувлажнению почв на склонах.
Осушение не только означает изменение водного режима, но и неизбежно ведёт к
изменению характера биологического круговорота на осушенной территории – главным
образом, в результате изменения окислительно-восстановительных условий. Глеевая
среда, характерная для болотных вод, сменяется на окислительную. В результате
более энергичным становится разложение ОВ, интенсифицируется биологический
круговорот. В целом это улучшает условия для развития растительности. Но, в то
же время, осушение ведёт к ускорению процессов водной миграции, а это может
способствовать выносу из почв и, соответственно, дефициту некоторых
микроэлементов. Эрозия и дефляция почв. Ускорение процессов эрозии и дефляции нередко являются
побочным следствием распашки земель, так как при этом нарушается сцепление между
почвенными частицами. Эрозия доминирует во влажном климате, дефляция (её иногда
неправильно называют «ветровой эрозией») – в засушливых ландшафтах. На Ближнем
Востоке эрозии подвержено 17% сельскохозяйственных земель, дефляции – 35%. Из агроландшафтов при этом выносятся большие массы гумуса и минеральных соединений,
что ведёт к ухудшению качества почв. Накопление продуктов эрозии и дефляции –
один из важнейших источников обмеления и загрязнения внутриконтинентальных
водоёмов. Нарушения растительного покрова. Основными видами нарушения растительного
покрова при агротехногенезе являются обезлесение и опустынивание. Обезлесение
очень часто сопутствует агротехническому освоению земель. Леса сводятся,
уничтожаются в связи с распашкой земель с целью разведения тех или иных
сельскохозяйственных культур. С агрономической точки зрения это даёт возможность
использовать больше площадей для производства продуктов питания, кормовых или
технических культур. Но неизбежными неблагоприятными следствиями являются общее
уменьшение биомассы и продуктивности исходного природного ландшафта, снижение
биоразнообразия, а с глобальной точки зрения – изменение баланса интенсификации
эрозионных процессов, баланса кислорода и СО2 в атмосфере. Нередко сведение
лесов и распашка активизируют развитие эрозионных, а в сухом климате – и
дефляционных процессов. Опустынивание характерно для засушливых районов и выражается в разрежении
растительности, усилении дефляционных процессов. Основными причинами
техногенного опустынивания являются перевыпас скота (Калмыкия, Казахстан) и
вырубка деревьев (Южная Аравия, Сахель – территории Африки к югу от Сахары |