Российской федерации московский государственный университет природообустройства


НазваниеРоссийской федерации московский государственный университет природообустройства
страница3/5
Дата публикации04.04.2013
Размер1 Mb.
ТипДокументы
userdocs.ru > География > Документы
1   2   3   4   5
Глава 2. КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ПРИРОДЕ

Открытость геосистем любого ранга, а также их функционирование обеспечивают круговорот веществ, знание которого необходимо для оценки техногенных воздействий на природные системы, в том числе и при природообустройстве. Различают абиотический (геологический) и биотический (биогенный) круговороты. Геологический круговорот складывается из круговоро-

та воздушных масс или газов, вод во всех формах (жидкая, парообразная, твердая), масс литосферы в виде твердой фазы или в растворенном виде.
^ 2.1. Круговорот воды в природе

Вода обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым фактором, участвующим во всех природных процессах, включая и жизнь. Она обладает довольно большой плотностью, малой вязкостью, хорошей растворяющей способностью, высокой теплоемкостью и теплопроводностью, большой скрытой теплотой парообразования и плавления, молекулы воды имеют малые размеры. Вода является непременным участником фотосинтеза - единственного природного процесса, обеспечивающего жизнь на Земле. Она играет большую термостатирующую роль, являясь высокоподвижной, переносит громадное количество растворенных веществ, в том числе своим током обес-

- 25 -

печивает растения элементами питания.

^ Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т.е. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и изменения запасов. При составлении баланса влаги непременно нужно оговорить объем тела, для которого составляется баланс (озеро, объем почвы, бассейн подземных вод); указать временной интервал, для которого составляется баланс. Часто для общей характеристики влагооборота используют установившиеся среднемноголетние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до конца года можно не учитывать. А вот если, например, составлять баланс влаги за лето, то обязательно нужно учитывать разные запасы влаги на его начало и конец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для определенной территории в кубических метрах, иногда кубических километрах; для единицы площади - в миллиметрах слоя воды или в м3/га. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляющих влагооборота.

Наиболее простая структура водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной. Среднемноголетний баланс здесь выглядит так: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км3, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1,4 млрд. км3, гораздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов 96,5% - соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн. км3, из которых 2/3 сосредоточено в ледниках и снежном покрове Антарктиды и Арктики.

Водный баланс суши помимо осадков и испарения добавляется еще одной статьей - поверхностным и подземным стоком в мировой океан: осадки - 119 тыс. км3 или с учетом площади суши - 800 мм, испарение, соответственно, 72 тыс. км3 или 485 мм, сток - 47 тыс. км3 или 315 мм. Для мирового океана добавляется приток с суши и баланс выглядит так: осадки - 458 тыс. км3 или 1270 мм, испарение - 505 тыс. км3 или 1400 мм, приток с суши - 47 тыс. км3

или 130 мм. Структура водного баланса отдельных участков суши зависит от их широтного расположения и удаленности от океанов (степени континентальности). Составляющие среднемноголетнего водного баланса (мм/год) для некоторых ландшафтов равны:

Ландшафты Осадки Испарение Сток

Тундровые восточноевропейские 500 200 300

Среднетаежные восточноевропейские 650 350 300

Южнотаежные восточноевропейские 675 400 275

Широколиственные западноевропейские 750 525 225

Широколиственные восточноевропейские 650 510 130

Лесостепные восточноевропейские 600 510 90

Лесостепные западносибирские 425 310 115

Степные восточноевропейские 550 480 70

- 26 -
Полупустынные казахстанские 250 245 5

Пустынные туранские 150 150 0

Субтропические влажные восточноазиатские 1600 800 800

Пустынные тропические североафриканские 10 10 0

Саванновые типичные североафриканские 750 675 75

Саванновые влажные североафриканские 1200 960 240

Влажные экваториальные центральноафриканские 1800 1200 600

Влажные экваториальные амазонские 2500 1250 1250

Обращает на себя внимание очень сильная вариация годовых сумм осадков по сравнению со средней для всей суши. Испарение во влажных холодных ландшафтах ограничивается недостатком тепла, а в засушливых - недостатком влаги. Помимо испарения используется понятие испаряемость - количество влаги, которое может испариться, исходя из тепловых ресурсов местности при неограниченном количестве осадков, идущих на увлажнение почвы. Орошение в засушливых районах существенно увеличивает испарение, доводя его до испаряемости.

Помимо общего водного баланса территории для понимания природных процессов и решения важных практических задач необходимо составлять частные балансы для поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод. Эти частные балансы позволяют оценить влагообмен между отдельными природными телами, что, например, нужно при описании передвижения загрязняющих веществ.

Влага, выпадающая на поверхность суши, идет частично на увлажнение листьев и испаряется с них, не доходя до поверхности почвы. При сильных осадках или при таянии снега часть воды не успевает впитаться и стекает в реки, доля поверхностного стока на влажных территориях может превышать половину суммы осадков. Впитавшаяся влага в основном расходуется на транспирацию растениями, которые используют очень много воды для производства единицы фитомассы: в среднем для естественного растительного по-

крова на 1 кг сухой фитомассы расходуется 400 кг воды. Сельскохозяйственные растения тратят еще больше воды: для производства 1 кг продукции, т.е. полезной фитомассы, зерновым культурам надо 900 - 1200 кг воды, овощам - 200 - 250 кг, картофелю - около 180 кг, хлопчатнику- 1500 - 2000 кг, а самой влаголюбивой культуре - рису, растущему под слоем воды - 3500 - 4500 кг воды.

Некоторая часть воды испаряется с поверхности почвы в зависимости от ее влажности и затененности растениями, оставшаяся часть просачивается вглубь, питая подземные воды, хотя на подтопленных территориях подземные воды за счет капиллярных сил могут подниматься вверх и потребляться корнями растений. В засушливых районах при высокой минерализации подзем-ных вод это приводит к засолению земель.

- 27 -

Структура водного баланса в широколиственном лесу, расположенном на водораздельной территории, для среднего года выглядит примерно так:

осадки 750 мм,

испарение с поверхности листьев 70 мм,

поступает на поверхность почвы 750-70=680 мм,

поверхностный сток 140 мм,

впитывается в почву 680-140=540 мм,

испарение с поверхности почвы 60 мм,

транспирация деревьями 400 мм,

просачивается вглубь 540-60-400=80 мм.

Заметим, что с данной территории возвращается в атмосферу 70+60+400=530 мм, т.е. существенно меньше, чем выпадает в виде осадков, следовательно, данная территория существует за счет постоянного притока воды извне.

Запишем частные балансы для поверхностных, почвенных, безнапорных и напорных подземных вод суши за некоторый промежуток времени, добавив искусственные, управляемые человеком статьи (орошение, дренаж):

Wпов = Ос - Ил - Ивп + Ппов - Спов - Вп + Ор;

Wпочв = Вп - Ип - Тр - g;

Wгр = g + Фк + Пгр - Сгр + Р - Др;

Wнп = -Р + Пн - Снп - Дрн;

где Wпов, Wпочв, Wгр, Wнп - изменение запасов поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод, соответственно;

^ Ос - атмосферные осадки;

Ил, Ивп, Ип, Тр - испарение с листьев, с водной поверхности, с почвы, транспирация растениями, соответственно;

Ппов, Пгр, Пн, Спов, Сгр, Снп - приток на балансовую территорию поверхностных, подземных безнапорных и напорных вод, а также отток этих вод с территории, соответственно;

^ Вп - впитывание влаги в почву;

g - просачивание (инфильтрация) части почвенной влаги в грунтовые воды;

иногда это может быть и капиллярное подпитывание, т.е. с обратным знаком;

P - напорное подпитывание со стороны глубже залегающих напорных подземных вод, которое также может быть и с обратным знаком, т.е. разгрузка безнапорных вод в напорный пласт при соответствующем соотношении напоров в этих пластах, особенно когда идет откачка воды из напорного пласта.

Искусственные статьи баланса: ^ Ор - подача воды на орошение; Др - отвод безнапорных вод дренажем; Дрн - откачка напорных вод; Фк – питание грунтовых вод за счет фильтрации из каналов.

Человек также может регулировать приток и отток вод с территории. Таким образом, можно существенно изменять структуру водного баланса для повышения продуктивности территории, управлять потоками влаги при борь-

- 28 -

бе с загрязнением. Всегда надо иметь в виду, что статьи водного баланса взаимозависимы: например, изменение увлажненности территории путем орошения изменяет практически все другие статьи: испарение, инфильтрацию, поверхностный и подземный отток. Из этого следует одно важное обстоятельство: балансовые равенства надо дополнять уравнениями движения вод, позволяющими учесть указанную взаимозависимость.

Если сложить четыре приведенные балансовые равенства, то в них сократятся важные статьи: впитывание в почву, инфильтрация в грунтовые воды, взаимодействие между безнапорными и напорными подземными водами, что существенно обеднит анализ влагооборота.

Вместо балансовых равенств можно записывать уравнения баланса, в которых могут содержаться неизвестные трудноизмеряемые статьи, но при их вычислении надо иметь в виду, что неизвестная статья будет вычислена с ошибкой, равной сумме погрешностей измерения всех других статей и может превысить 100%.

Практически важно составление балансов поверхностных и подземных вод суши вместе с водами водотоков и водоемов - рек, водохранилищ, озер. В этом случае используют понятие речной бассейн, объединяющий водосборную площадь и реку со всеми ее притоками. Для такой территории в практическом плане составляют водохозяйственные балансы, где подробно расписываются все естественные составляющие: осадки, испарение, сток, инфильтрацию, а также водозабор поверхностных и подземных вод для разных нужд, объем возвратных вод. Такие расчеты нужны при принятии решений о водораспределении, пополнении запасов, недопущении загрязнения при сбросе вод потребителями и др.
^ 2.2.Энергетические потоки в геосистемах

Одной из главнейших составляющих функционирования природных и измененных человеком геосистем является обмен энергией и ее трансформация. Энергетические связи между компонентами геосистем реализуются в

энергетических потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с вещественными, осуществляются одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвообразование, деятельность живых организмов) невозможно без постоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы и которые могут многократно использоваться, вступать в круговорот, энергия может использоваться только один раз, т.е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему, обусловленный действием фундаментальных законов термодинамики: сохранения энергии и энтропии, т.е. меры внутренней неупорядоченности системы. Первый закон термодина-

- 29 -

мики гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, в потенциальную энергию пищи или гумуса почвы), но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Это означает, что самопроизвольное превращение энергии возможно только при ее переходе из концентрированной формы в рассеянную. Компоненты геосистем способны повышать степень своей внутренней упорядоченности за счет постоянного притока энергии извне, т.е. уменьшать свою энтропию, особенно это ярко проявляется в живых организмах, в росте плодородия почвы за счет накопления гумуса, при образовании органогенных горных пород (торфа, угля, сланцев, нефти, газов). Упорядоченность проявляется также в структурированности компонентов, например, в наличии четко выраженных слоев почвы, выполняющих разные функции.

Источники энергии на Земле разные: энергия Солнца, приток энергии из глубинных слоев Земли, энергия, выделяемая при фазовых переходах, при смачивании, экзотермических биохимических реакциях, но первый источник является главенствующим.

Рассмотрим трансформацию солнечной энергии вблизи поверхности Земли (радиационный баланс). Коротковолновая солнечная радиация Jк дает осредненный поток тепла у поверхности земли, примерно равный 2 кал/см2/мин на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Это колоссальное количество энергии. Поступление тепла непосредственно на деятельную поверхность (растительный покров и поверхность почвы) зависит от географического положения, времени года и часа суток, а также от рельефа (крутизны и экспозиции склона).

Растительный покров и почва отражают часть коротковолновой радиации Jот, отношение Jот/Jк = s называется альбедо и зависит от вида и окраски поверхности. Так, для снежного покрова альбедо составляет 0,88…0,91, для травяного покрова - 0,26, сухого серозема - 0,25…0,30, влажного серозема - 0,10…0,12, для влажного чернозема -0,08. Следовательно, изменение вида и

окраски поверхности существенно изменяет приток тепла в почву. С учетом альбедо в почву поступает поток тепла, вызванный коротковолновой радиацией, равный Jп = J(1 -s).

Почва, как всякое нагретое тело, излучает тепло в длинноволновой части спектра: Jз =4 (здесь - отношение излучения почвой к излучению абсолютно черным телом, примерно равное 0,90…0,95, - постоянная излучения абсолютно черным телом, - его абсолютная температура). На деятельную поверхность возвращается часть энергии, отраженной в длинноволновой части спектра приземными слоями атмосферы, облачным покровом Jа.

- 30 -
В сумме указанные потоки радиационного тепла образуют радиационный баланс деятельной поверхности:

R = J(1 - s) - Jз + Jа.

В суточном разрезе радиационный баланс достигает максимума в солнечный полдень, в течение года он сильно изменяется и зимой может становиться отрицательным. Этот радиационный поток энергии трансформируется в растительном покрове и в почвенном слое в тепловую, ее баланс имеет вид:

;

где LEc –затраты тепла на суммарное испарение Ec, включающее транспирацию растением и испарение с поверхности почвы, L –теплота парообразования; эта составляющая теплового баланса наиболее существенная, на нее приходится около 80…90 % радиационного баланса; B – приток тепла в почву из глубинных горизонтов, его направление может меняться в разные сезоны года; P – конвективный обмен теплом с приземным слоем атмосферы за счет нагревания воздуха у самой поверхности почвы и его передвижении вверх, направление этого потока тоже может меняться; Q - затраты энергии на почвообразовательные процессы: выветривание (измельчение) твердой фазы, на эндотермические процессы, перенос веществ по профилю и т.п.; - затраты энергии на фотосинтез, составляющие не более 1% от радиационного баланса; Cп – изменение количества тепла в почве при ее нагревании за балансовый период на  o, Cп – теплоемкость почвы.

Температура почвы зависит не только от количества поступающего или расходуемого тепла, но и от ее тепловых свойств – теплоемкости и теплопроводности. Теплоемкость – это количество тепла, необходимое на нагревание 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см3 (объемная теплоемкость) на 1о, она зависит от состава почвы – соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз и от количества органического вещества. Так как теплоемкость воды наибольшая – 1кал/г/град (минеральной части – 0,18, гумуса – 0,3, воздуха – 0,0003), то и теплоемкость почвы во многом определяется ее влажностью. Поэтому влажные почвы имеют более стабильный температурный режим, они несколько холоднее, чем сухие.

Анализируя тепловой баланс, можно намечать мероприятия по улучшению температурного режима почв, т.е. проводить тепловые мелиорации.

К ним относятся: изменение структуры радиационного баланса (изменение отражающей способности с помощью покрытий – торф, песок, мел, синтетические пленки и т.п.), изменение тепловых свойств почвы – теплоемкости и теплопроводности (главным образом, путем регулирования влажности, а также добавлением в почву торфа, навоза, песка).

В некоторых случаях применяют прямой подогрев почвы термальными водами тепловых и атомных ТЭЦ вместо охлаждения воды в градирнях. Теплую воду пропускают через систему пластмассовых труб, уложенных в почву на глубину около 0,5 м. Такая система построена возле Курской АЭС,

- 31 -

она не только ускоряет сроки созревания растений и повышает их урожай, но при этом уменьшается загрязнение атмосферы, возникающее при охлаждении воды в градирнях.
^ 2.3. Геохимический круговорот веществ

Вещество литосферы мигрирует в виде растворов, а также в виде геохимически пассивных твердых продуктов денудации - обломочного материала, перемещающегося под действием силы тяжести - осыпи, оползни, с текущей водой - влекомые и взвешенные наносы, их особенно много в горных реках, в виде селей - грязекаменных потоков, с воздушными потоками - в виде пыли.

Величина твердого стока с водными потоками, или смыв, зависит от интенсивности поверхностного стока и от наличия растительности. Он особенно велик в лесостепной и степной зоне из-за сильной распашки. Так, за год в тайге он не превышает 5 - 10 т/км2, а в лесостепи доходит до 150 т/км2 вследствие сильной водной эрозии. Со стоком взвешенных наносов суша ежегодно теряет около 25 млрд. т вещества или слой около 0,07 мм.

Во многих районах значителен перенос твердого материала - пыли воздушными потоками (дефляция), интенсивность которой зависит от скорости воздушных масс, длительности ветров и, что очень важно, от защищенности поверхности растительным покровом. Одна пыльная буря в Казахстане выносит из распаханных почв от 10 до 100 т/км2, с песчаных пустынь - 5 - 10 т/км2, с поверхности солончаков - до 1000 т/км2. Ветровая эрозия наряду с водной - очень опасные природные процессы, которые часто и на больших площадях провоцируются человеком, что приносит большой вред, прежде всего из-за разрушения почвы, главного национального богатства каждой страны, а также выводит из строя мелкую речную сеть, приводит к иссушению территории.

Воздушные потоки переносят не только химически инертную пыль, но и кристаллики солей, которые растворяются в атмосферной влаге, аэрозоли, молекулы и ионы. Поэтому в засушливых районах одной из причин засоления земель является принос солей ветром (импульверизация солей), которая может достигать 20…30 т/км2 в год. Воздушные массы интенсивно распространяют на большие территории загрязняющие вещества, выбрасываемые в

атмосферу промышленными объектами. Одним из следствий этого являются кислотные дожди, т.е. появление в дождевых водах серной и соляной кислот, образующихся в атмосфере при сжигания топлива, богатого серой и другими веществами.

Помимо дефляции твердое вещество поступает в воздух в результате вулканической деятельности. Вулканический пепел после сильных извержений оказывает даже глобальный эффект. Из-за сильной запыленности воздуха меняется тепловой баланс атмосферы.

- 32 -
Геохимический круговорот растворенных в воде веществ тесно связан с влагооборотом. Масса растворенных веществ, выносимый мировым речным стоком, находится в пределах 2,5…5,5 млрд. т. По М.И. Львовичу, средний глобальный вынос реками составляет 20,7 тонн с одного км2 в год, что при средней плотности растворимых горных пород около 2,5 т/м3 дает годовой слой вымыва (химическая денудация) 0,008 мм. Из-за более высокой минерализации подземных вод круговорот растворенных веществ в них также значителен. Особенностью этого круговорота является гораздо меньшая скорость движения подземных вод, измеряемая миллиметрами реже сантиметрами в сутки, тогда как скорость поверхностных потоков - порядка десятков сантиметров в секунду, т.е. в сто тысяч раз больше. Другой особенностью транспорта растворимых веществ подземными водами - это диффузия веществ, попутное растворение веществ, их переход в твердую фазу (кристаллизация) или сорбция твердой фазой грунта.

В подземных водах растворено очень много веществ, которые в повышенном количестве опасны для биоты. Вместе с тем сильная замедленность этого круговорота, наличие застойных бассейнов подземных вод - это благо для природы, которая тем самым исключает из интенсивного круговорота эти вещества, “захоранивает” их. Поэтому антропогенная интенсификация круговорота подземных вод путем их откачки или, наоборот, пополнения часто дает негативный экологический эффект - засоляются почвы, ухудшается качество речных вод.

В почвенных и подземных водах имеется большой набор растворенных веществ: биогенов, т.е. используемых растениями как элементы минерального питания (азот, фосфор, калий), токсичных для растений ионов (натрия, хлора, магния, гидрокарбонат-ион, сульфат-ион), ионов тяжелых металлов, радиоактивных веществ и многих других. Следует отметить, что практически все вещества нужны для растений, порог их токсичности зависит от их концентрации в растворах, некоторые вещества в избыточных количествах неблагоприятно влияют на свойства почвы. Повышенная концентрация веществ негативно сказывается на искусственных элементах, внедренных человеком в геосистему: коррозия трубопроводов, разрушение фундаментов. При мелиорации земель возникают проблемы засоления почв токсичными ионами, находящимися в больших количествах – натрия, хлора, магния, сульфат-ионов, гидрокарбонат-ионов, при утилизации сточных вод на полях орошения есть

угроза загрязнения почв, растений, подземных и поверхностных вод соединениями азота (нитратами и аммонием), вблизи промышленных районов наблюдается загрязнение компонентов геосистем тяжелыми металлами, содержание которых хотя сравнительно невелико, но они очень токсичны для биоты. Передвижение этих веществ в почве и в подземных водах подчиняется общим законам, но имеется некоторая специфика, связанная с их токсичностью, взаимодействием с твердой фазой и биотой, трансформацией этих веществ. Отметим, что, так как главным носителем токсичных веществ в почве и в грунтах

- 33 -

являются почвенные или подземные воды, то достоверное описание их поведения невозможно без аккуратного расчета количества воды в этих средах и скорости ее передвижения.
^ 2.4. Биогеохимические барьеры

Биогеохимические барьеры - это компоненты или части компонентов геосистем, в которых на относительно коротком расстоянии в результате специфического сочетания механических, физико-химических, биологических процессов происходит избирательное накопление одних химических элементов и удаление других. В этих барьерах резко изменяются условия миграции веществ, что часто приводит к накоплению химических элементов. Наиболее значимые природные биогеохимические барьеры - это растительный покров, почва, толща водо-ненасыщенных горных пород, особенно мелкоземов, области застойного скопления подземных вод. Биогеохимические барьеры могут быть вертикальными или горизонтальными (латеральными), препятствующими, соответственно, вертикальным или горизонтальным потокам загрязняющих веществ. Человек может управлять биогеохимическими барьерами, усиливая или ослабляя их действие, создавать искусственные барьеры.

Природные биогеохимические барьеры обеспечивают, наряду с другими процессами, естественную самоочищаемость природы, так как в них происходит не только накопление, но и связывание до недоступных для биоты форм токсичных веществ, разрушение токсичных веществ, преобразование их в безвредные вещества.

Механизмы накопления, связывания и разрушения веществ очень разнообразны, но их объединяет общая закономерность: интенсивность этих процессов во многом зависит от обеспеченности территории теплом и влагой. При оптимальном сочетании тепла и влаги биогеохимические барьеры работают эффективней. Человек может в известных пределах регулировать тепло-влагообеспеченность территорий путем мелиораций и, тем самым, повышать естественную самоочищаемость.

Естественный или искусственно созданный растительный покров является эффективным биогеохимическим барьером: прежде всего, это перехват воздушных потоков, содержащих пыль, аэрозоли, капельножидкие вещества. Токсичные вещества не только накапливаются на листовых пластинах, но и проникают в устьица, аккумулируясь в тканях листьев. Очищая воздух, осо-

бенно в городах и вдоль крупных магистралей, деревья накапливают вредные вещества в кронах. Так, в листьях городских деревьев в местах с интенсивными транспортными потоками (г. Москва) содержится цинка - свыше 500 мг/кг сухого вещества, свинца - 90, меди - 45, никеля - 10, хрома - 4, кадмия - 0,8 мг/кг. Осенью все эти вещества попадают на поверхность почвы, загрязняя ее. Количество токсичных веществ, попадающих на поверхность почвы можно подсчитать, зная массу опавших листьев на единицу поверхности, в городе это

- 34 -

0,1…0,2 кг/м2. Во избежание загрязнения почвы, опавшие листья нужно собирать и складировать.

Вторая роль растений как биогеохимического барьера - это утилизация ряда веществ в процессе метаболизма (обмена веществ): например, хорошо развитый и интенсивно продуцирующий биомассу травянистый покров ежегодно потребляет азота 300…500 кг/га, фосфора (в форме P2O5) 60…120, калия (в форме K2O) 300…600 кг/га, в меньших количествах - металлы, в том числе и тяжелые. Это свойство растений используется при утилизации сточных вод путем орошения. Известны растения, выносящие из почвы тяжелые металлы в повышенных количествах, их используют для очистки почвы.

Мощным биогеохимическим барьером является почва - активно функционирующее органоминеральное тело, в котором идут разнообразнейшие физико-химические и биологические процессы, в том числе присутствует широкая гамма микроорганизмов. Почвоведы одним из основных свойств, отличающих почву от инертной горной породы, называют поглотительную способность, умеют количественно оценивать емкость поглощения.

Почва способна задерживать или поглощать газы, растворенные вещества, минеральные или органические частицы и суспензии. Во многом поглотительная способность связана с высокодисперсной, главным образом, коллоидной частью почвы, имеющей большую удельную поверхность (суммарную поверхность всех частиц, составляющих единицу массы почвы).

Различают несколько видов поглотительной способности: механическую, физическую, физико-химическую, химическую и биологическую.

Механическая поглотительная способность выражается в том, что почва работает как фильтр, задерживая в своих мелких порах пыль, суспензии. Зависит она от размера пор, механического состава (песчаные или глинистые почвы), наличия микро- и макроагрегатов, наличия гумуса.

Физическая поглотительная способность (аполярная адсорбция) - свойство почвы поглощать из раствора молекулы электролитов, продукты гидролитического расщепления солей слабых кислот и сильных оснований, а также коллоиды при их коагуляции (слипании). Аполярная адсорбция - это сгущение молекул на поверхности раздела фаз (твердой и жидкой или твердой и газообразной) благодаря наличию свободной энергии на поверхности твердых частиц почвы. При таком поглощении вещества удерживаются почвой от вымывания и уменьшается загрязнение подземных вод.

Физико-химическая или обменная поглотительная способность - свойство почвы обменивать некоторую часть катионов и в меньшей степени анионов твердой фазы на эквивалентное количество катионов или анионов из соприкасающихся растворов. Ионы из раствора переходят в слой компенсирующих ионов мицелл почвенных коллоидов и наоборот.

Химическая поглотительная способность проявляется при образовании нерастворимых или трудно растворимых соединений.

- 35 -
Биологическая поглотительная способность связана с жизнедеятельностью организмов почвы (главным образом микрофлоры), которые усваивают и закрепляют в своем теле различные вещества. При борьбе с загрязнением, при очистке почвы важно то, что микроорганизмы способны разрушать очень вредные вещества: нефтепродукты, поверхностно активные вещества, различные химикаты (гербициды, пестициды), другие токсичные органические и органоминеральные вещества.

Поглотительную способность почвы можно регулировать доступными агротехническими и мелиоративными приемами: внесением в почву органических удобрений для повышения количества гумуса - особого вещества, состоящего из органических остатков разной степени разложения и модификации; изменением химических свойств: уменьшение кислотности или щелочности; уменьшением степени засоления; регулированием количества влаги в почве (орошение или осушение). В настоящее время довольно широко применяются специальные сорбенты естественного или искусственного происхождения, вносимые в почву для очистки ее от тяжелых металлов, радионуклидов. Эффективным является обогащение микрофлоры почвы специальными бактериями, способными разлагать нефтепродукты и другие вредные вещества.

Очищающая способность почвы далеко не безгранична. Она может только до определенного предела защищать растения, подстилающие грунты и подземные воды от загрязнения. Поэтому, решая задачу защиты территорий от загрязнения, задачу очистки (восстановления, рекультивации), необходимо брать на вооружение и другие барьеры. Одним из них может быть гидрофизический барьер - регулирование направления и величины потоков влаги в неполностью- (зона аэрации) и полностью водонасыщенных горных породах. Например, уменьшая промываемость почвы и верхних горизонтов грунтов, можно в определенной степени защитить жизненно важные водоносные горизонты, или наоборот, усилить промываемость почв для их очистки. Для локализации области загрязнения, например, нефтепродуктами, гидрофизический барьер можно выполнить в виде системы нагнетательных и откачивающих скважин, позволяющих не допустить поток загрязненных подземных вод к водотокам или к водозаборам. Очень эффективно совместное использование барьеров разной природы.

При мелиорации земель по сути дела регулируют действие биогеохимических барьеров, применяя глубокое рыхление плотных подпочвенных го-

ризонтов, увеличение естественной дренированности, изменение скорости впитывания воды, противофильтрационные барьеры, разрушение гипсоносных или оглеенных горизонтов и т.п.
^ 2.5. Биотический круговорот веществ

Важнейшей составляющей этого круговорота является продуцирование биомассы, в основе которого лежит процесс фотосинтеза, т.е. образования орга нического вещества из углекислого газа и воды с потреблением коротко-

- 36 -

волновой солнечной радиации определенного спектра. Зеленые растения используют для этих целей излучение в более узком диапазоне (0,4…0,7 мкм), чем видимый свет и которое называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР), составляющей около половины суммарной радиации. Хотя растения поглощают около 75% солнечной радиации, но на фотосинтез расходуется не более 1% (КПД ФАР у очень урожайных культурных растений доходит до 2…3%), подавляющая часть солнечной энергии тратится растениями на транспирацию.

Органическое вещество образуется в результате сложных биохимических реакций в присутствии определенных ферментов, при этом выделяется большое количество молекулярного кислорода. Органические вещества, по сути, аккумулируют солнечную энергию, которая выделяется при окислении органики в процессе ее разложения как продукта питания или при горении. Фотосинтез является основой жизни на Земле.

Около половины создаваемого при фотосинтезе вещества окисляется в самом растении до CO2 (дыхание растений). Оставшаяся фитомасса включается в трофическую (питательную) цепь и потребляется животными (фитофагами), следующая трофическая ступень - поедание фитофагов зоофагами. При переходе с одного трофического уровня на другой соотношение биомасс уменьшается в 100…1000 раз.

После отмирания фитомасса разлагается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном итоге мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами до простейших минеральных соединений, которые в свою очередь являются пищей для растений. Основная среда или природное тело, где идут многие из указанных процессов - почва, которая создает условия для жизни многим организмам, накапливает продукты синтеза и разложения органики. Почва способна на некоторое время извлекать из круговорота продукты фотосинтеза в виде гумуса - сложного органоминерального вещества, активно участвующего в почвообразовании, придающего почве нужные свойства, аккумулирующего питательные вещества и, в конечном счете, формирующего плодородие почвы. Запасы гумуса наибольшие в ландшафтах, оптимально обеспеченных теплом и влагой. В Росси - это черноземные степи, где запасы гумуса достигают 600…1000 т/га, в почвах лесостепей и широколиственных лесов - около 300 т/га, в таежных подзолистых почвах - около 100 т/га.

Продуцирование биомассы связано с другими природными процессами такими показателями, как количество элементов питания, поглощаемое живыми организмами, закрепляемое в органике, возвращаемое в другие компоненты природы. Ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 140…160 млрд. т биомассы, связывается 250…300 млрд. т CO2, выделяется 180…200 млрд. т О2, в продуктах фотосинтеза аккумулируется энергия, эквивалентная 50…60 млрд. т нефти при годовой ее добыче около 3 млрд. т.

- 37 -

Живые организмы потребляют также значительное количество других элементов - биогенов: N, K, Ca, Si, P, Mg, S, Fe, Al. Вынос биогенов культурными растениями измеряется десятками килограммов в год с 1 гектара. В малых дозах потребляются тяжелые металлы (микроэлементы): B, Cu, Mn, Zn, Mo, вынос которых исчисляется граммами и десятками граммов с гектара.

Живые организмы могут извлекать вещества из геологического круговорота, участвуя тем самым в процессах самоочищения природной среды (см. их роль как биогеохимических барьеров).

Биотический круговорот характеризуется запасами биомассы на единице площади и ее ежегодным приростом. Запасы биомассы зависят от вида растительности, в лесах ее гораздо больше, чем в степях, а прирост биомассы в большей степени зависит от степени тепло-влагообеспеченности:

Природные Фитомасса Ежегодный

зоны (т/га) прирост (т/га)

Арктическая тундра 5 1

Лесотундра 25 3

Северная тайга 125 5

Южная тайга 300 8

Широколиственные леса 360 12

Луговые степи 17 19

Типичные степи 12 12

Сухие степи 6 5

Пустыни умеренных широт 4 1,2

Пустыни тропические 1,5 0,5

Влажные субтропические леса 450 24

Влажные экваториальные леса 500 35

Человек сильно изменяет растительный покров, вмешивается в биотический круговорот. Особенно это заметно на землях сельскохозяйственного назначения, где практически полностью уничтожена естественная растительность. Геосистемы с большой долей сельскохозяйственных земель называются агрогеосистемами (см. выше).

При мелиорации земель, очистке загрязненных территорий необходимо оценивать продуктивность (урожайность) растений, так как создание благоприятных условий для продуцирования биомассы является одной из главных задач природообустройства. Для этого используют модели продуктивности,

реагирующие на изменение факторов и условий жизни растений. В настоящее время физиологами разрабатываются модели продуктивности, в которых описываются процессы фотосинтеза, дыхания растения, роста биомассы и развития репродуктивных органов. Однако такие модели еще не находят практического применения из-за слабой изученности количественных показателей. Поэтому применяют приближенные эмпирические зависимости конечной продуктивности от основных факторов жизни и развития растений: обеспеченности теплом, влагой, воздухом, в них учитывается снижение продуктивности в

- 38 -

результате засоления и загрязнения почв. Эти зависимости основаны на законах земледелия, в частности, на законе незаменимости и равнозначности факторов, а также на законе оптимума, гласящего, что наибольшая продуктивность наблюдается, когда все факторы находятся в оптимальном диапазоне. Это позволяет применить мультипликативный вид зависимости продуктивности (урожайности) от ряда факторов:

;

где U0 – потенциальная урожайность данной культуры при всех оптимальных условиях и агротехнике; Uф – фактическая урожайность при неблагоприятных условиях; K, K, Kп, Ks, Kz – коэффициенты, учитывающие неоптимальное увлажнение почвы, обеспеченность теплом, питательными веществами, снижение урожайности из-за засоления и загрязнения почвы. Набор этих коэффициентов может быть увеличен.
^ 2.6. Мониторинг и земельный кадастр

В соответствии с пятым принципом природообустройства - принципом адекватности воздействий - природообустройство должно базироваться на мониторинге его объектов.

Мониторинг – система повторных наблюдений за компонентами природы в пространстве и времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленными программами. Мониторинг проводится с целью обеспечения экологически безопасного и рационального использования природных ресурсов, своевременного оповещения населения о состоянии окружающей среды и создания информационной базы для оценки, прогнозов и управления техно-природными процессами по заранее разработанным программам.

Мониторингу, в отличие от других наблюдений за природой свойственны: комплексность (полнота); непрерывность; единство цели и задачи исследований; системность; достоверность; одновременность; оперативность (своевременность); информативность.

Мониторинг организуется как комплекс информационно-измеритель- ных систем наблюдений на глобальном, национальном, региональном и локальном уровнях.

Глобальный мониторинг – это наблюдения за компонентами глобальной

геосистемы, т. е. за всей планетой Земля. Основной задачей этого мониторинга является общепланетарный межгосударственный контроль за изменениями атмосферы, вызванные результатами антропогенной деятельности и природными катаклизмами.

Национальный мониторинг – это единая государственная система, объединяющая системы мониторинга отдельных природных сред, природных и техно-природных объектов. Он осуществляется различными ведомствами

39 -

(министерствами). В состав национального мониторинга также входит мониторинг трансграничного переноса.

Региональный мониторинг – это система наблюдений за изменением природной среды в пределах ландшафта, ландшафтного района и области. Региональный мониторинг отслеживает последствия природопользования и техногенного загрязнения на больших территориях, он является подсистемой национального мониторинга и осуществляет комплексный контроль, оценку и прогноз состояния всех компонентов геосистемы на основе обработки информации локальных мониторингов.

Локальный мониторинг организуется для оценки и прогноза экологического состояния компонентов ландшафта, земель, территорий, включая населенные пункты, получения оперативной информации по отдельным природным и техно-природным объектам и разработки способов оздоровления окружающей среды в зоне проводимых наблюдений.

Специальный мониторинг создается на инженерно-мелиоративных и инженерно-экологических системах для контроля за состоянием почв, почвообразовательными процессам, локализированными источниками загрязнения и управления потоками вещества с целью повышения самоочищающей способности природных компонентов.

Сведения для различных уровней мониторинга получают с помощью дистанционного зондирования (съемки с космических аппаратов, самолетов, зондов и других средств), наземных наблюдений (съемки, исследования, изыскания, обследования, режимные наблюдения), с использованием фондовых данных.

Мониторинг земель является составной частью мониторинга геосистемы: атмосферы, литосферы, гидросферы, биосферы.

Объектом мониторинга являются все земли России, независимо от форм собственности, современного состояния, от цели и характера использования земель. Мониторинг земель состоит из подсистем, которые ведутся по видам земель: сельскохозяйственного назначения, земель населенных пунктов и др.

Мониторинг земель предполагает изучение следующих процессов:

- эволюционных (естественно - исторических);

- цикличных (суточных, сезонных, годовых и других характерных периодов);

- антропогенных;

- связанных с чрезвычайными ситуациями (авариями, катастрофами, стихийными и экологическими бедствиями).

Задачами почвенного мониторинга являются оценка изменения плодородия почв, потери массы почвы вследствие эрозии, контроль химических свойств, контроль водного режима и динамики загрязняющих веществ, исследование микробиологических процессов и адекватной реакции растительного покрова на конкретные почвенные условия.

Вся информационная база мониторинга земель служит и для органи- зации и ведения земельного кадастра, который содержит систему необходи-

- 40 -

мых сведений и документов о правовом режиме земель, их распределении по собственникам земли, землевладельцам, землепользователям и арендаторам, а также сведения о категории земель, данные об их качественных характеристиках и коммерческой ценности.

Государственный земельный кадастр ведется в целях обеспечения рационального использования и охраны земель, защиты прав собственников земли, землевладельцев, землепользователей и арендаторов, создания объективной основы для установления цены земли, земельного налога, арендной платы.

Учет земель ведется по собственникам земли с выделением мест проживания и хозяйственной деятельности малочисленных народов, участков особо охраняемых природных и историко-культурных объектов.

При ведении учета земель устанавливается их цена, выделяются все виды земель, из них нерационально используемые, деградированные, малопродуктивные, нарушенные, а также загрязненные тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, радиоактивными веществами, пестицидами и биологическими компонентами.
1   2   3   4   5

Похожие:

Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconМосква Издательство "Республика"
К. О. Апель (Франкфуртский университет, Германия), Б. Н. Бессонов (Академия государственной службы при Президенте Российской Федерации),...
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconМинистерство образования и науки российской федерации московский...

Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconОбразован в 1953 году Кафедра физики и высшей математики
Министерство образования российской федерации московский государственный университет технологий и управления
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconРоссийской Федерации Магнитогорский государственный технический университет...
Министерство образования Российской Федерации Магнитогорский государственный технический
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconРоссийской Федерации Московский государственный институт электроники...
Целью проекта является техническое описание компьютерной сети в помещениях №45 и №46 Колледжа педагогического образования информатики...
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconПеречень оснований Вид мероприятия (олимпиады, конкурса, соревнования,...
Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Министерства здравоохранения и социального развития...
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconМинистерство образования российской федерации тамбовский государственный...
Министерство образования российской федерации тамбовский государственный университет
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconФилиал федерального государственного бюджетного образовательного...
«московский государственный университет технологий и управления имени к. Г. Разумовского» в г. Калининграде
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconФгбоу впо «московский государственный гуманитарный университет им....
Фгбоу впо «московский государственный гуманитарный университет им. М. А. Шолохова»
Российской федерации московский государственный университет природообустройства iconМосковский финансово-юридический университет мфюа
Законы Российской Федерации, посвященные вопросам защиты населения в чрезвычайных ситуациях
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница