Изменение природных процессов в геосистемах

Воздействие человека на геосистемы вызывает существенные изме­нения их состояния. Начальное воздействие на тот или иной компонент природы по цепочке вертикальных связей передается на другие компо­ненты, а по каналам горизонтальных связей - на другие геосистемы,

В результате прямо или косвенно изменяются многие природные процес­сы. Особенно глубокие преобразования наблюдаются в перемещении литогенного материала, влагообороте, биологическом и геохимическом круговоротах, тепловом балансе (Исаченко, 1980).

1. Изменений в перемещении литогенного материала тесно связаны о нарушением гравитационного равновесия в процесса как прямого, так и косвенного воздействия человека. Особенно часто они проявляются при добыче полезных ископаемых, и земляных работах. В результате об­разуются техногенные формы мезорельефа - террикона, отвалы пустой породы, выемки, карьеры. Их создание, в свой очередь, стимулирует вторичные гравитационные процессы. Терриконы и карьеры дают начало обвалам, осыпям, оползням; отвалы и терриконы подвергаются размы­ву и развеванию. Пустоты, образовавшиеся при подземных выработках, часто вызывают мульды проседания и провалы глубиной в десятки мет­ров. На месте образовавшихся форм рельефа начинают формироваться новые природные комплексы, которые по своему рангу вполне сопостави­мы о урочищами, а в Крупных горнопромышленных районах - даже с ландшафтами (например, в районе КМА).

Побочным эффектом техногенного перемещения горных пород является нарушение естественного режима поверхностных и особенно подземных вол. Вследствие дренирующего воздействия карьеров и откачки вод под­земные воды истощаются на расстоянии, многократно превышающем шири­ну карьера. Создание насыпей и дамб усугубляет застой поверхностных вод и заболачивание территории.

Ещё более интенсивные процессы гравитационного перемещения твер­дого материала связаны с нарушением растительности, распашкой зе­мель, выпасом скота. Эрозии и смыву подвержена почти половина па­хотных земель в мире (6-7 млн. ккг). Сегодня эрозия и дефляция уносят из ландшафтов сущи - миллиарды тонн почвенных гумусовых частиц. При этом образуются вторичные формы рельефа - овраги, барханы, кот­ловины выдувания и другие. К сожалению эти процессы, как правило, носят необратимый характер.

2. Изменение влагооборота обусловлено прежде всего преобразо­ванием одного из его звеньев - поверхностного стока. Известны два пути преобразования стока: а) прямое воздействие на русла рек с искусственным регулированием их режима; б) воздействие на физико-географические факторы стока, а через них на элементы водного балан­са водосбора.

Первый путь обычно связан с сооружением водохранилищ, которые дают возможность искусственно перераспределять сток внутри года и за многолетний период и тем самым более рационально использовать вод­ные ресурсы. Так, создание водохранилищ на Волге позволило умень­шить сток в весенний период в 1,5 раза и увеличить его в зимнюю межень почти в 2 раза. Одновременно возросло испарение с поверх­ности водоемов (на 10-30% в десной зоне и в 2-3 раза в лесостепи и степи) и несколько уменьшился общий объем годового стока (на 5-10%).

Второй путь - преобразование водного баланса на водосборах - не­редко глубоко затрагивает функционирование геосистем. В условиях лесостепной зоны сильным преобразующим фактором выступают мероприя­тия по интенсификации сельского хозяйства. Так, глубокая зяблевая вспашка повышает инфильтрационную способность почвы и тем самым за­пасы почвенной влаги, сокращает поверхностный сток и, по-видимому, несколько увеличивает питание грунтовых вод. Лесные полосы не только перехватывают весенний сток с полей, но и задерживают снег, умень­шают физическое испарение. Травосеяние в сочетании с внесением удоб­рений также увеличивает инфильтрацию почвы и сокращает поверхност­ный сток. Дополнительный эффект дает снегозадержание. В результате, по данным М.И.Львовича (1971), относящимся к бассейну Дона, поверх­ностный сток уменьшился на 15-20%, полный речной сток - на 10-15%.

Важными факторами изменения влагооборота и водного баланса явля­ются осушение, орошение, расширение застроенных территорий в горо­дах. Застройка, искусственное покрытие, городские ливневые стоки заметно уменьшают инфильтрацию и резко усиливают поверхностный сток. В условиях Москвы, где доля непроницаемых территорий составляет 35%, поверхностный сток увеличился на 93%, подземный сток уменьшил­ся на 28%, испарение понизилось на 20% (Львович, 1986).

3. Антропогенные изменения биоценозов и замещение естественных сообществ искусственными привели к нарушении биологического круго­ворота веществ. Так, в результате вырубки леса, корчевания пней и корней, уничтожения подстилки из биологического круговорота изыма­ется большое количество азота, кальция, фосфора и других элемен­тов, что приводит к обеднению почвы. Нарушение травяного и кустар­никового покрова в тундре, степях, пустынях в связи с нерациональ­ным выпасом скота и перегрузкой Пастбищ сопровождается разрушением почвенной структуры, потерей почвенной влаги, развеванием легких почв.

Замена естественных биологических сообществ искусственными, как правило, приводит к уменьшению общей биологической продуктивности и соответственно интенсивности биологического круговорота. С урожаем культурных растений ежегодно из почвы отчуждаются сотни миллионов тонн зольных элементов и азота. Так, с урожаем пшеницы с I га выно­сится 70 кг азота, 30 кг фосфора, 50 кг калия, 30 кг кальция. По данным расчетов, почва со средним содержанием минеральных веществ может быть полностью истощена в результате изъятия урожая в течение 15-150 лет. Наименее устойчив баланс минеральных веществ почв, фор­мирующихся в условиях влажного климата и интенсивного выщелачивания, т.е. подзолистых и латеритных почв. Внесение удобрений не может вос­полнить все потери. В районах с сильно эродированными почвами с по­лей смывается в 100 раз больше азота, калия и фосфора, чем вносится с удобрениями. Кроме того, поскольку удобрения лишь частично усваи­ваются растениями, до 40-50% вносимых в почву питательных веществ вымывается и полей и вовлекается в неконтролируемую водную миграцию.

Особые проблемы возникают в связи с растущим применением пестици­дов. Попадая в пищевые цепи, они накапливаются в тканях организмов по мере перехода от низших звеньев цепи к высшим. Это свойство опре­деляет возможность их распространения (например, в организме птиц) далеко за пределы того участка, где они были применены.

4. Изменение геохимического круговорота связано с вовлечением в него тысяч, новых соединений, многие из которых в естественных усло­виях не образуются. В результате биосфера обогащается не свойствен­ными ей веществами, т.е. нарушается естественное соотношение хими­ческих элементов и соединений. Часть из них попадает в природу в процессе хозяйственной деятельности (удобрения, пестициды и др.), но большинство вводится в круговорот непреднамеренно - в виде отхо­дов производства, различных отбросов, использованных промышленных изделий.

Многие техногенные элементы начинают миграцию в воздушной среде. Основную массу выбросов в атмосферу составляет углекислый газ - глав­ный продукт сжигания топлива. Ему сопутствуют окись углерода (основ­ной источник поступления - двигатели внутреннего сгорания), сернис­тый ангидрид (образуется при сжигании нефти и угля, выплавке цветннх металлов и т.д.), окисла азота, углеводороды и другие. Кроме газов э атмосферу попадают твердые продукты сгорания топлива и пыль, вы­деляемая многими промышленными предприятиями.

Эффект атмосферных загрязнений наиболее интенсивно проявляется в непосредственной близости от их источников, однако из-за подвиж­ности воздушной среды загрязнения (в том числе радиоактивные) могут распространяться на тысячи километров. Копоть и сажа из промышленных центров Европы отлагаются на горных ледниках. Часть воздушных мигрантов попадает в почву, растворяется в поверхностных и грунтовых во­дах, вовлекается в пищевые цепи. Некоторые из них поглощаются не­посредственно водами океана, другие переходят в водное звено кру­говорота, выносятся с речным стоком в океан, где заканчивают свою миграцию.

Многие промышленные выбросы (различные кислоты, фенолы, нефте­продукты и др.) начинают свой путь со сточными водами. Более слож­ный путь водной миграции проходят различные хозяйственные и бытовые выбросы. Их источниками являются сельскохозяйственные земли, загряз­ненные удобрениями и ядохимикатами, животноводческие фермы, рекреа­ционные угодья, отвалы и терриконы, свалки промышленных и бытовых отходов. Изэтих источников различные органические и минеральные ве­щества (нередко токсичные) вовлекаются в водную миграцию талыми снеговыми и ливневыми водами, а также путем инфильтрации.

Естественными коллекторами загрязненных поверхностных и грунто­вых вод являются реки, озера и моря. В реках благодаря их проточ­ности самоочищению загрязнение носит обратимый характер. Однако в озерах и водохранилищах в связи с замедленным водообменом условии самоочищения значительно ухудшаются. В результате резко изменяются гидрохимический и гидробиологический режимы, что ведет к техногенной евтрофикации водоемов, обусловленной увеличением концентрации в во­де азота и особенно фосфора. Конечным звеном водной миграции выбро­сов является Мировой океан, загрязнение которого в большой степени носит необратимый характер.

Поведение элементов, участвующих в техногенном геохимическом кру­говороте, условия их накопления или удаления из геосистем зависят от структуры ландшафта, его термического режима, условий увлажнения и дренажа, механического и химического состава почвы, характера растительности: Отрицательные форма рельефа (например, межгорные впадины) способствуют формированию устойчивых очагов атмосферного и почвенного загрязнения; этому же содействуют температурные инвер­сии и штили. В условиях холодного климата и в кислых гумусированных почвах пестициды разлагается медленнее, чем при теплом климате и в щелочных или малогумусных почвах. Высокое содержание кальция в поч­вах задерживает вынос изних различных элементов. Большую роль в тех­ногенном геохимическом круговороте играют растения - концентраторы отдельных элементов (лишайники, например, способны захватывать радио­активные изотопы непосредственно из воздуха).

5. Изменение теплового баланса имеет непреднамеренный характер и является побочным результатом хозяйственной деятельности человека.

Оно связано с: а) преобразованием подстилающей поверхности за счет орошения, осушения, увеличения искусственных покрытий в городах и т.п.; б) увеличением Концентрации углекислого газа в атмосфере и созданием парникового эффекта, повышающего температуру воздуха; в) поступлением тепла в атмосферу за счет сжигания топлива; г) увеличением содержания аэрозолей в атмосфере, повышающих долю отра­женной солнечной радиации и понижающих температуру воздуха. Количест­венная оценка каждого из этих (факторов и их суммарного эффекта затруд­нительна и нередко противоречива. Наиболее очевиден локальный энер­гетический эффект преобразования подстилающей поверхности, в част­ности, при орошении и осушении.

В условиях засушливого климата при орошении происходит увеличе­ние радиационного баланса, что связано о уменьшением альбедо (за счет увлажнения почвы и появления растительности) и снижением эффек­тивного излучения (за счет повышения влажности приземного слоя воз­духа). По данным наблюдений, в сухостепных районах ЕТС величина ра­диационного баланса возрастает на 10-30%. Это должно приводить к усилению нагревания поверхности почвы, однако при орошении одновре­менно резко возрастают затраты тепла на испарение. В зависимости от количества подаваемой воды (т.е. нормы орошения) затраты тепла на испарение увеличиваются на 50-100%, что в абсолютных единицах (ккал/см²) значительно превосходит увеличение радиационного баланса. Поэтому существенно (на 30-50%) уменьшается теплообмен с атмосфе­рой и соответственно затраты тепла на нагревание воздуха и почвы.

При осушении, наоборот, уменьшается расход тепла на испарение (на 10-15%) и заметно увеличиваются затраты энергии на турбулентный обмен с атмосферой (на 10-25%). В результате происходит больший, чем ранее, нагрев приземного слоя воздуха и почв днем и охлаждение их в ночное время.