Почва и связанные с ней проблемы

Занятие 7

  В обеспечении человека продовольствием основное значение продолжает отводиться биологическим механизмам. Часть этих биологических механизмов происходит при участии почвенного слоя на поверхности твёрдых пород земной коры. Возник почвенный слой Земли в результате воздействия на земную кору биотических и абиотических факторов. Он характеризуется накоплением химических элементов под влиянием живых организмов. Сам этот процесс назван почвообразованием. Почвообразование - совокупность химических реакций, протекающих в поверхностном слое Земли в присутствии органических и минеральных соединений, а также с участием определённых живых организмов. К биотическим факторам почвообразования относится количество биомассы, идущей в почвенный слой. К абиотическим – климатические условия, от которых зависит как исходная биомасса, так и её сохранение. По этой причине почвы разных природных условий обладают разным запасом биогенного вещества.

  Почва имеет слоистую структуру, слои называют генетическими горизонтами. По направлению от нижних горизонтов (материнской породы) к верхним усложняется общий состав почв. По глубине (при переходе к более нижнему горизонту) снижается содержание биогенного вещества и растёт содержание минерального. Причём минеральное вещество отличается от составляющего исходные поверхностные породы.  

  Почвенные слои - продукт длительного генезиса почв. Материнская порода
обычно состоит из нескольких минеральных соединений, промежуточные горизонты -
из минерально-органических соединений. В целом в почве обнаруживаются тысячи различных соединений, большинство которых не идентифицировано. Наиболее важный компонент почв - гумус - представляет собой совокупность многих органических и минеральных веществ, состав и строение которых в полной мере ещё не изучены. Гумус, содержащий биогенное вещество и принимающий участие в биологических явлениях, рассматривается как плодородный слой почв.

  Процессы почвообразования протекают чрезвычайно медленно. За всё время
существования биосферы образовалось в среднем 18 - 20 см почвенного слоя. По
различным районам суши толщина почвенного слоя может колебаться от нескольких
миллиметров до 2 м. Существуют различные факторы, разрушающие почву. В
естественных условиях это вода и ветер, которые обусловливают снос верхнего слоя
почвы. Процессы разрушения почвы называются эрозией, при так называемом
нормальной эрозии потеря почвы компенсируется почвообразовательными
процессами. При особо благоприятных условиях толщина почвы может увеличиваться
со скоростью 1 см за 100 - 200 лет.

  Почва - участник геохимического круговорота. Почва поглощает газы, жидкие и
твёрдые вещества. Установлено, что микрофлора почвы удерживает твердые
соединения свинца, источник которых - выхлопные газы автомобилей, использующие
в качестве топлива этилированный бензин (на территории Москвы и Московской
области использование этилированного бензина с 1980-х г.г. запрещено). Поглощение
почвой других металлов значительно меньше. Почвенный покров Земли ежегодно
усваивает 0,45 млрд. т. СО, 25 млн. т. SО₂, атмосферный приземный озон, ртутные
пары.

  Важнейшим видом геохимического кругооборота, идущего с участием почвы, является оборот азота. Азот входит в состав всех живых организмов в виде соединений, в то время как в остальной природной среде он присутствует в свободном виде в атмосфере. Азот – химически наименее активный элемент из входящих в живые организмы. И большинство живых организмов не может употреблять свободный азот, они нуждаются в его соединениях. В природе же существует два основных процесса перевода азота в соединения (связывания азота) – при грозовых разрядах и в результате деятельности некоторых бактерий, называемых азотфиксирующими. Те бактерии переводят в год 1 млрд т азота в соединения, в дальнейшем они перемещаются по пищевой цепи. При грозовых разрядах связывается 0,3 млрд т азота в год, а производство синтетических удобрений составляет 0,1 млрд т в год в пересчёте на азот. Сам азот живых организмов в итоге возвращается в атмосферу в элементном виде.

  Азотфиксирующие бактерии живут в том числе на корнях растений семейства бобовых. Поэтому их выращивают также в целях повышения запаса азота в почве. Но основным способом повышения этого запаса в ХХ веке была химизация, основанная на использовании синтетических удобрений.

   Почва - такой природный ресурс, использование которого не предполагает изъятия
из природной среды. Но как и с другими ресурсами, для почвы тоже имеет место сокращение возможностей при использовании. Это например касается соединений азота (на основе чего выведен закон минимума экологического фактора – закон Либиха).

  Человеческая производственная деятельность фактически началась с использования
человеком почв для возделывания сельскохозяйственной растений, прежде всего
зерновых. Переход к сельскохозяйственному производству представлял собой становление производящей экономики. С биологической же точки зрения он означал смещение человека на более низкую ступень цепи питания, общая масса живых организмов на которой больше. Таким образом благодаря обработке почвы население получило возможность для большего роста. В ХХ веке такую же возможность для роста давала химизация сельского хозяйства.

  Большая часть мировых земельных ресурсов (около 70%) представлен
малопродуктивными почвами. Это почвы в холодном климатическом поясе (20%),
почвы засушливых территорий (20%). Ещё 20% земельных ресурсов расположены на
слишком крутых горных склонах, 10% земель пред ставлено почвами со слишком
малой мощностью плодородного (гумусного) слоя.

  Общий фонд обрабатываемых земель составляет 10% от площади суши.

Оставшиеся 20% - пастбища, без учёта тундровых и пустынных (естественные и
культурные луга, травяно-кустарниковые пространства, открытые леса).

  Рост числа горожан требует непрерывной интенсификации сельского хозяйства.

Если в античную и средневековую эпоху для обеспечения продовольствием одного
горожанина требовался труд нескольких десятков крестьян, то во многих развитых странах один земледелец сегодня может прокормить горожан и более. Это было достигнуто в ХХ веке благодаря механизации и химизации сельского хозяйства. С их помощью предпринимались попытки увеличения вовлечённых в обработку территорий, которые часто не давали ожидаемого результата и прекращались. Поэтому дальнейший рост сельскохозяйственного производства может идти только при дальнейшей интенсификации использования уже вовлекаемой в него земли. В качестве мер интенсификации рассматривают в том числе генетическую модификацию.

  Однако процессы интенсификации сельскохозяйственного и продовольственного производства имеют естественные пределы, обусловленные принципиальной невозможностью существенно ускорить воспроизведение производственных почвенных ресурсов.

Земли, используемые в хозяйственной деятельности человека, нуждаются в
специальных мероприятиях, так называемой мелиорации (т.е. улучшения). Существует
множество видов мелиорации - водная (обводнение и осушение земель), химическая,
механическая (уборка валунов и камней, выравнивание микрорельефа),
лесомелиорация (укрепление зыбучих песков облесением) и т. д.

Применение водных мелиораций - ирригация - имеет самую долгую историю.

Но как уже упоминалось, ирригация приводит к ухудшению физических,
биологических и хозяйственных свойств почвы за счет процессов выщелачивания
полезных компонентов в верхнем слое земли. С орошением связано вторичное
засоление земель, которое охватывает половину мировой орошаемой земли.

Как важнейшее средство восстановления нарушенного баланса биофильных
(потребляемых живыми организмами) химических элементов продолжает
рассматриваться химическая мелиорация, Т.е. использование минеральных удобрений.
Простое использование минеральных удобрений уже не может решить проблемы
повышения урожайности без нежелательных побочных явлений. К этим явлениям
относятся снижение эффективности воздействия удобрений на растения, способность
растения накапливать вещества в себе и становиться опасными для здоровья человека.
Интенсификация сельскохозяйственного и продовольственного производства за счёт
использования удобрений осуществлялась до 1970-х г.г.

Многие виды хозяйственной деятельности людей, в том числе разработка

полезных ископаемых и строительные работы, неизбежно при водят к порче и
разрушению почвы. На добычу 1 млн. т угля открытым способом приходится
отчуждать в зависимости от условий залегания пластов от 20 до 117 га земельных
угодий сельско- и лесохозяйственного назначения. При эксплуатации месторождения
открытым способом проводится комплекс вскрышных, добычных и отвальных работ.
Для размещения отвалов также нужны территории. Частично отвалы размещаются в
выработанном пространстве карьера (так называемые внутренние отвалы). Однако
большая часть вскрышных и пустых пород оказывается вне контура карьера, образуя
внешние отвалы. В результате сотни и тысячи гектаров земель оказываются
нарушенными.

Проблема почвы заключается в истощении плодородия и деградации почв. в их
механическом разрvшении и в загрязнении почвы химическими веществами. К
загрязняющим почву химическим веществам относятся бытовые отходы.
избыточные соли и кислоты. mяжёлые металлы. нефтепродукты.

Неизменным спутником развития цивилизации считается загрязнение почвенного
покрова бытовыми отходами. Большое количество отходов поступает на
несанкционированные свалки. Накапливающийся на свалках бытовой мусор и прочие
отходы не только портят ландшафт и изымают из хозяйственного оборота
значительные земельные ресурсы, но и приводят К деградации почв, накоплению в них
вредных химических веществ, которые в процессе инфильтрации отравляют также
грунтовые воды.

Накопление в почве легкорастворимых солей называется засолением почв. Почвы
засоляются и при поднятии уровня грунтовых вод до отметки 3,0 - 1,5 м и выше.
Поднимаясь по почвенным капиллярам, вода испаряется, а содержащиеся в ней соли
остаются, постепенно накапливаясь в корнеобитаемом слое почвы. Такое накопление
солей называется вторичным, распространено оно в условиях жаркого и сухого климата. В результате вторичного засоления орошаемые земли становятся
непригодными для сельскохозяйственного использования, и их приходится
забрасывать. Засоление почв идет также при атмосферном (ветровом) переносе солей с
территории, где распространены соленые озера и солончаки.

Загрязнение почвы тяжелыми металлами чаще всего происходит при их ветровом
переносе. Источниками поступления тяжелых металлов являются металлургические
предприятия и сжигание твердого топлива. Причиной локального загрязнения почвы
могут быть также осадки сточных вод, свалки бытового и промышленного мусора.
Загрязнение почв вокруг металлургических предприятий может достигать столь
высоких значений, что земля вообще становится непригодной для любых видов
хозяйственной деятельности. Определенные химические элементы способны
накапливаться в растениях, способность растений извлекать тяжелые металлы может
использоваться в процессе восстановления почв. В то же время растения, выращенные
на почвах, загрязненных металлами, становятся непригодными для пищевого
употребления.

В почву попадает значительная часть теряемой нефти и нефтепродуктов, которая
составляет 50 млн. т в год. Попадая в почву, нефть претерпевает ряд превращений.
Наиболее токсичные для живых организмов легкие фракции постепенно испаряются в
атмосферу. Остальная часть нефти уносится водными потоками или подвергается •
химическому и микробиологическому окислению. Тяжелые нефтяные фракции более
устойчивы к перемещению и трудно поддаются разложению, особенно в суровых
природно-климатических условиях. В загрязнённой нефтью почве уменьшается
гумификация органического вещества, увеличивается кислотность, создаются условия
для накопления в почве тяжелых металлов. Нефтяное загрязнение уменьшает
влагоемкость почвы и ухудшает режим воздухообмена.

Почва является постоянным или временным местом обитания для большого числа
видов низших животных и микроорганизмов. Многие из этих организмов могут
представлять опасность для человека, вызывая различные заболевания. Широко
распространенный вид микробиологических загрязнений почвы возбудители
кишечных инфекций. Почва не является их постоянной средой обитания, они попадают
туда с нечистотами, фекальными выделениями людей и животных. В зависимости от
температуры, влажности, наличия питания, деятельности бактерий-антагонистов
кишечные микробы способны сохраняться в почве в жизнеспособном состоянии от
нескольких суток до трех месяцев.

 

К процессам на земной поверхности, способным причинять значительный
ущерб хозяйственной деятельности, относятся водная и ветровая эрозия почв. С расширением масштабов человеческой деятельности процессы нормальной эрозии повсеместно нарушены. Водная эрозия может быть как плоскостной – при равномерном распределении стока, так и овражной - при концентрации стока в суженных руслах.

Процессы эрозии практически не проявляются при наличии естественной растительности. Растительность предохраняет почву от ударной силы дождевых капель, создаёт шероховатость, затрудняющую стекание поверхностных вод, в целом создаёт условия для перевода поверхностного стока в грунтовый, подпочвенный.

На развитие эрозионных процессов существенно влияют количество и характер атмосферных осадков. При одном и том же количестве дождя эрозия почвы сильно зависит от его интенсивности. Кроме дождя, причиной эрозии может быть таяние снега. Бурное таяние приводит к формированию большого стока и ускоренному смыву самого верхнего, оттаявшего слоя почвы. Разрушительные способности поверхностного стока будут тем больше, чем больше крутизна поверхности. При удвоении крутизны смыв почвы при прочих равных условиях увеличивается в 1,5 - 2 раза. Смыву почвы также способствует длина склона, смыв почвы увеличивается пропорционально длине склона в
степени 1,5.

  Эрозионная опасность обычно возрастает с ростом коэффициента расчленённости гидрографической сети. Этот коэффициент определяют делением суммы длин всех рек, балок и оврагов (в км) на площадь водосбора (в км²)

Немаловажное значение для степени развития эрозионных процессов играют свойства самой почвы, такие как водопроницаемость, структура, содержание гумуса, поглотительная способность, влажность, материнская порода. Наименее подвержены овражной эрозии почвы, расположенные на скальных породах.

В 1990-х г.г. в мире ежегодно терялось по причине эрозии 20 млрд. плодородных почв, За десятилетия после окончания Второй мировой  войны Европа потеряла 23% своих при годных для полеводства почв, Африка - 22%, Азия - 20%.

Важнейшим условием землепользования по этой причине стало проведение
своевременных противоэрозионных мероприятий. В таких условиях недопустимы
разрывы по времени начала и завершения земляных работ, особенно на уклонах. На них также необходим отвод поверхностных вод, предотвращающий размыв склонов и образование оползней.

Меры по охране и рациональному использованию земельных ресурсов при возведении объектов железнодорожного транспорта следующие:

Наименование работ	Природоохранные мероприятия
Разработка карьеров	Рекультивация земель Снижение объёмов земляных работ, использование разрабатываемых природных ресурсов Минимальное размещение карьеров и резервов в полосе отвода
Буровзрывные работы	Запрещение производства взрывных работ на выброс и сброс вблизи пахотных земель Использование контурного взрывания
Гидромеханизация	Непревышение принятой интенсивности намыва при намыве грунта в насыпь Недопущение прорыва обвалования
Сооружение мостов и труб	Замена сборных массивных фундаментов свайными или столбчатыми
Электрификация	Использование рельсовой цепи для заземления устройств энергоснабжения
Сооружение временных посёлков	Выбор территории с благоприятными инженерно-геологическими условиями Правильное рассредоточение посёлков

 

Рекультивация – комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности, хозяйственной ценности нарушенных земель и на улучшение условий окружающей среды в соответствии с интересами общества. Рекультивация состоит из двух этапов _. технического и биологического. В состав работ на техническом этапе входят такие мероприятия, как:

проведение работ по снятию плодородного слоя почвы, разделение
плодородных и токсичных пород

выравнивание территории, террасирование склонов, засыпка каналов
химическая мелиорация токсичных пород

Биологический этап - восстановление плодородия рекультивируемых земель. Он включает в себя химические мелиорации и посевы.

Существенное превышение ПДК загрязняющих веществ в почве наблюдается не только в полосе отвода железных дорог, станций, предприятий, но и в радиусе 50 – 100-метровой санитарно-защитной зоны, а в ряде случаев повышение загрязнения могут распространяться на большие расстояния.

Тяжёлые металлы сохраняются в почве длительное время даже после устранения источника загрязнения. Накопление тяжёлых металлов нарушает почвенный поглощающий комплекс, микробиологический режим; деградирует почвенный гумус. Восстановление плодородия почв, загрязнённых тяжёлыми металлами - одна из наиболее сложных проблем промышленной экологии. Основным мероприятием по защите почв является предотвращение загрязнения. Помимо предупредительных мер, важное значение имеют меры по ликвидации
существующего загрязнения. Меры по ликвидации - следующие:

- механическое перемещение почв и их промывка

- известкование кислых почв, оно сопровождается заменой водорода на
кальций и переводом солей металлов в нерастворимые гидроокиси
- внесение веществ-индикаторов, фиксирующих определённые элементы 13
нерастворимом виде, ионный обмен

- внесение органических удобрений, понижающих концентрацию солевых
загрязнений за счёт высокой скорости ионного обмена

- введение веществ, образующих нерастворимые соли, например фосфатов

Особенно опасно загрязнение поверхностного слоя нефтепродуктами при
железнодорожных авариях, утечках и т.д. При аварии состава из 20 цистерн
общая площадь загрязнения может достигать 10 га на глубину более 3 м, утечка
переходит и в грунтовые воды. Существующие меры обезвреживания
нефтепродуктов не позволяют полностью предотвратить их попадание в
грунтовые воды; весь загрязненный слой подвергается удалению и последующем
уничтожению. При малой концентрации нефтепродуктов загрязнённый грунт чаще всего перемешивают с незагрязнённым так, чтобы концентрация загрязнения была как можно меньше. В последние годы разработаны специальные биологически
активные вещества и бактерии, уничтожающие нефтепродукты, а также реагенты,
переводящие их в твёрдое состояние.