Проблемы загрязнения почвенных экосистем и пути их решения

Увеличение численности человечества приводит к бо­лее интенсивному землепользованию.

Объект исследования – почвенные экосистемы.

Предмет исследования – виды загрязнения почвенных экосистем.

Цель и задачи исследования: выявить пути решения проблем загрязнения почвенных экосистем.

1. ПОНЯТИЕ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

Экосистема или экологическая система — биологическая система, состоящая из сообщества живых организмов (биоценоз), среды их обитания (биотоп), системы связей, осуществляющей обмен веществом и энергией между ними. Одно из основных понятий экологии.

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части, как почвенный покров. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера - становится целостной завершенной системой, все части ко­торой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Почвенный покров является важнейшим природным образованием. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для насе­ления планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км2 или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние на­саждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают око­ло 15 млн. км2 (10% суши), сенокосы и пастбища— 37,4 млн. км2 (25% суши). Общая пахотнопригодность земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км2.

Почва — это особое природное образование, обладаю­щее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва — это та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух, живые организмы. По­чву можно определить как продукт выветривания, реорга­низации и формирования верхних слоев земной коры под влиянием живых организмов, атмосферы и обменных про­цессов. Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одина­ковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Для всех почв характерно умень­шение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним.

Поверхностный горизонт состоит из ос­татков растительности, составляющих основу гумуса, из­быток или недостаток которого определяет плодородие по­чвы.

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образо­вания и различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имею­щие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы, или почвенный ра­створ, составляет вода с растворенными в ней органически­ми и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет "почвенный воздух", включающий газы, заполняющие свободные от воды поры.      

Важным компонентом почвы, способствующим изменению ее физико-химических свойств, является ее биомасса, включающая кроме микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные) еще и червей и членистоногих.                                             

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, сни­жении и повышении их плодородия. Под влиянием человека ме­няются параметры и факторы почвообразования — рельефы, ми­кроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация.

Основное свойство почвы — плодородие. Оно связано с качеством почв. В разрушении почв и снижении их плодородия  выделяют следующие процессы:

Аридизация суши — комплекс процессов уменьшения влажности обширных территорий и вызванное этим сокраще­ние биологической продуктивности экологических систем. Под действием примитивного земледелия, нерационального исполь­зования пастбищ, беспорядочного применения техники на угодь­ях почвы превращаются в пустыни.

Эрозия почв, разрушение почв под действием ветра, во­ды, техники и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия — смыв почвы талыми, дождевыми и ливневыми водами. Водные эрозии отмечаются при крутизне уже 1-2°. Водной эрозии спо­собствует уничтожение лесов, вспашка по склону.

Ветровая эрозия характеризуется выносом ветром наибо­лее мелких частей. Ветровой эрозии способствует уничтожение растительности на территориях с недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота.

Техническая эрозия связана с разрушением почвы под воз­действием транспорта, землеройных машин и техники.

Ирригационная эрозия развивается в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии. Засоление почв в основном связано с этими нарушениями. В настоящее время не менее 50% площади орошаемых земель засолено, потеряны мил­лионы ранее плодородных земель. Особое место среди почв за­нимают пахотные угодья, т. е. земли, обеспечивающие питание человека. По заключению ученых и специалистов, для питания одного человека следует обрабатывать не менее 0,1 га почвы. Рост численности жителей Земли напрямую связан с площа­дью пахотных земель, которая неуклонно сокращается. На больших площадях происходит снижение продуктивности почв из-за уменьшения содержания гумуса, запасы которого за последние 20 лет сократились в РФ на 25-30%, а ежегодные по­тери составляют 81,4 млн. т. Земля сегодня может прокормить 15 млрд. человек. Бережное и грамотное обращение с землей сегодня стало самой актуальной проблемой.

Из сказанного следует, что почва включает минераль­ные частицы, детрит, множество живых организмов, т. е. почва — это сложная экосистема, обеспечивающая рост растений. Почвы — это медленно возобновляемый ресурс. Процессы почвообразования протекают очень медленно, со скоростью от 0,5 до 2 см за 100 лет. Мощность почвы неве­лика: от 30 см в тундре до 160 см — в западных черноземах. Одна из особенностей почвы — естественное плодородие —формируется очень длительное время, а уничтожение плодородия происходит всего за 5—10 лет. Из сказан­ного следует, что почва менее подвижна по сравнению с другими абиотическими составляющими биосферы. Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, сни­жении и повышении их плодородия.

2. ВИДЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

Условно можно выде­лить следующие аспекты, влияющие на почвенные экосистемы:

а) сельское и лесное хозяйство;

б) разнообразное строительство;

в) горнотехнические ме­роприятия.

Сельское и лесное хозяйство включает земледелие, скотоводство, осушение заболоченных территорий, ороше­ние, обводнение земель, распашку целины, вырубку лесов и др. Разнообразное строительство также уменьшает ко­личество пахотных земель — строительство крупных во­дохранилищ, каналов, плотин, ГЭС, промышленных комп­лексов, городов, железных дорог, населенных пунктов, ком­муникаций. Горнотехнические мероприятия, такие, как раз­работка и эксплуатация минерального сырья, добыча по­лезных ископаемых, в том числе нефти и подземных вод, также изымают большие территории пахотных земель из природных и агроэкосистем. В результате разрушения при­родных экосистем происходит потеря почвы.

Самое разрушительное влияние на почву оказывает эрозия, т. е. процесс захватывания частиц почвы и их выно­са водой (водяная эрозия) или ветром (ветровая эрозия). Вынос может быть медленным и слабым, когда почва мед­ленно выдувается в ходе ветровой эрозии, и катастрофи­ческим, когда водная эрозия образует глубокие овраги пос­ле сильного ливня (овражная эрозия). Растительный по­кров или естественный опал (опавшие листья) обеспечива­ют защиту земли от всех видов эрозии. Водная эрозия начи­нается с капельной эрозии — действия ударов дождевых капель; равномерное смывание почвы с поверхности назы­вается плоскостной эрозией. Для удержания воды и биоге­нов в почве важнее всего гумус и глина, удаление которых за счет эрозии приводит к опустыниванию почвы.

Земельный фонд России имеет много неудобных земель.

Вечная мерзлота — 47—49%, пески, пустыни, полупусты­ни — 14—15%, заболоченные земли и болота — 9—10%, тундра — 8%, высокогорье — 3%, города и населенные пун­кты — 3% и только 15% — пахотные земли, площадь ко­торых составляет около 230 млн га. Из них 160 млн га под­вержены эрозии (в большинстве своем — это чернозем и 137 краснозем). Знаменитый воронежский чернозем, 1м3 кото­рого хранится в Париже в качестве эталона плодородия, уже не дает того урожая, который был раньше (умень­шился в 1,5—3 раза). За последние 25 лет площадь сельско­хозяйственных угодий уменьшилась на 24%, а пашни — на 18%. На каждого жителя России приходится 1,5 га пахот­ных земель, в то время как на душу населения планеты (обрабатывается всего 10,4% всей суши) земли приходится менее 0,5 га, и этот показатель имеет тенденцию к даль­нейшему снижению.

Причинами потери почвы является выпахивание, пе­ревыпас, сведение лесов и засоление почвы при орошении.

Выпахивание увеличивает эрозию почвы, уменьшает ее влагоудерживающую способность, инфильтрация и аэра­ция также уменьшаются.

Перевыпас уничтожает травяной покров. За счет указанных действий произошло опустынива­ние 61% плодородных земель засушливых районов, в част­ности: в Южной Африке — 80%, Западной и Южной Азии — 82—83%, азиатской части бывшего СССР — 55% и т. д. Еже­годно превращается в пустыню 6 млн га природных почв.

Сведение лесов. Лесной покров особенно эффективно предохраняет почву от эрозии и удерживает почвенную вла­гу, так как принимает на себя удары дождевых капель и позволяет впитываться в рыхлый, пахотный слой почвы, покрытый опалом. Кроме этого леса эффективно усваива­ют элементы питания, освобожденные при разложении дет­рита, т. е, рециркулируют их. Следовательно, вырубка леса не только приводит к эрозии почвы, но и обедняет ее био­генный состав. Сведение лесов происходит по трем основ­ным причинам: освоение новых территорий под сельскохо­зяйственные угодья, получение древесины для строитель­ства и бумажной промышленности, использование в каче­стве топлива.

К потере почвы приводит и ее орошение — искусст­венное снабжение водой пахотных земель. Орошение приводит к существенному увеличению сельскохозяйственной продукции в регионах, где осадков выпадает недостаточно, но часто приводит к засолению почвы (т. е. солености по­чвы, выходящей за пределы устойчивости растений), по­скольку даже очень хорошая поливная вода содержит со­лей 500—600 мг/л. При испарении воды из почвы и транспирации через листья растений растворенные в воде соли остаются в почве. 30% орошаемых земель уже засолены. Засоление почвы приводит к ее опустыниванию. Одной из причин падения богатейшей когда-то Рим­ской империи было засоление и опустынивание ранее бо­гатых пахотных земель.

Процессы выветривания и почвообразования сильно зависят от климата и состава материнской породы. Если ско­рость эрозии не будет превышать скорости формирования почвы, то потери почвы не произойдет. Однако в большин­стве агроэкосистем этот баланс нарушен, поскольку ско­рость эрозии в 2—10 раз выше допустимой.

В настоящее время эрозия почвы набирает силу, по­скольку рост населения и экономические трудности застав­ляют людей вырубать леса, распахивать склоны гор и ма­лопригодные засушливые территории, использовать мето­ды интенсивного земледелия, которые ненадолго повыша­ют урожай за счет дополнительной эрозии.

3. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ

Загрязненность почв неорганическими ионами и нехватка по­лезных органических, избыток пестицидов и других вредных ми­неральных добавок приводят к снижению урожайности и каче­ства сельскохозяйственных культур, а также эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьма затратными. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются безграничные, возобновляемые ресур­сы удобрений, содержащие необходимые питательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда и превышающие по ка­честву органические удобрения (например: осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и ор­ганизационно) в целом разрешимо, то второе — требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в России и за рубежом проводится боль­шая работа по селекции и получению методами генетической ин­женерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву вместе с осадками продуцировать полимеры, переводящие тяже­лые металлы в неподвижные формы, и осуществляющие одно­временно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и ши­рокого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлемен­тами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения такого типа. Смешение загряз­ненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микро­организмов, существующих на поверхности коры, к росту слож­ных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а так­же адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название «микробное восстановление загрязнен­ной нефтью почвы».

Не менее перспективным и эффективным является бактери­альный препарат «Путидойл», промышленный выпуск которо­го освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат пред­ставляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Pseudo — топаз. Конкретные параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с неф­тью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углеки­слоты) и восстановить естественные свойства почв.

Почвенный покров накапливает информацию о происходя­щих процессах и изменениях, т. е. почва является своеобраз­ным индикатором не только сиюминутного состояния сре­ды, но и отражает прошлые процессы. Поэтому почвенный (агроэкологический) мониторинг имеет более общий ха­рактер и открывает большие возможности для решения про­гностических задач. Основными показателями, которые оцени­ваются в процессе агроэкологического мониторинга, являются следующие: кислотность, потеря гумуса, засоление, загрязнение нефтепродуктами.