4.11. Антропогенные природные процессы в геосистемах

Проявления антропогенных воздействий на природную среду чрезвычайно многообразны. Их можно классифицировать, с од­ной стороны, по направлениям, типам и факторам человеческой деятельности, например по различным отраслям промышленного и сельскохозяйственного производства и непроизводственной сферы (рекреационной, мелиоративной и др.), а с другой — по географическим компонентам или отдельным природным процес­сам, которые являются непосредственными реципиентами тех или иных воздействий. Примерами могут служить влияние вырубки леса на почву, распашки — на сток и т.п. Подобный подход вполне оправдан, но недостаточен и может служить лишь отправным пун­ктом для более глубокого анализа. Любое прямое антропогенное воздействие не замыкается на одном компоненте ландшафта, его конечный результат может сказаться на функционировании и структуре всей геосистемы. Входные воздействия на тот или иной компонент передаются по цепочкам вертикальных связей на дру­гие компоненты, а по каналам латеральных (горизонтальных) связей могут распространяться и на иные сопряженные геосисте­мы. Отсюда возникают нарушения функционирования геосистем, не только подвергающихся прямому воздействию, но и нередко отдаленных. Сказанное определяет необходимость функциональ­ного подхода к изучению антропогенных воздействий, основан­ного на анализе механизма возникающих процессов и их места в функционировании геосистемы. Кратко рассмотрим наиболее ти­пичные антропогенные процессы, затрагивающие различные зве­нья функционирования геосистем.

Нарушения гравитационного равновесия в геосистемах. Переме­щение твердых масс в геосистемах может быть вызвано или усиле­но как прямым, так и косвенным хозяйственным воздействием. Наиболее интенсивное непосредственное техногенное перерас­пределение литосферного материала осуществляется при добыче полезных ископаемых и земляных работах. Ежегодное количество извлекаемого при этом в мире твердого вещества измеряется ве­личиной порядка 10^й т. Первичный географический эффект этой деятельности — появление техногенных форм мезорельефа: тер­риконов (высотой до 300 м), отвалов, карьеров (глубиной до 500 — 800 м). Для городских территорий более характерно выравнивание

329

рельефа (искусственное заполнение грунтом мелких долин, овра­гов, балок и др., аккумуляция «культурного слоя»), но создаются и специфические насыпные формы (дорожные насыпи, дамбы и др.), все чаще практикуется создание искусственных намывных грунтов.

Создание техногенных форм рельефа стимулирует вторичные гравигенные процессы. Терриконы и карьеры дают начало обва­лам, осыпям, оползням, отвалы и терриконы подвергаются смы­ву, размыву, развеванию. Пустоты, образующиеся при подземных выработках, часто вызывают проседания грунтов и провалы глу­биной в десятки метров. При откачке подземных вод в больших городах образуются мульды оседания, площадь которых измеря­ется сотнями, а иногда тысячами квадратных километров, а глу­бина достигает 8 — 9м. Уплотнение и оседание грунтов вызывает­ся нагрузками, создаваемыми различными сооружениями и водо­хранилищами.

Побочный эффект техногенного перемещения горных пород затрагивает другие функции ландшафта и приобретает более ши­рокий радиус действия. Так, вследствие дренирующего воздей­ствия карьеров и откачки вод истощаются подземные воды на расстоянии, многократно превышающем ширину карьера. Созда­ние насыпей и дамб усугубляет застой поверхностных вод и забо­лачивание. Особенно велико побочное воздействие рассматривае­мых процессов на геохимический круговорот. Вещество, извлека­емое из земной коры, служит источником перераспределения (рас­сеяния и концентрации) многих химических элементов по всей земной поверхности. Токсичные вещества, содержащиеся в отва­лах пустой породы, золы и шлака теплоэлектростанций и др., вовлекаются в дальнюю миграцию, загрязняя атмосферу, поверх­ностные и подземные воды.

Примерно 1/10 поверхности суши ежегодно подвергается ме­ханической обработке (рыхлению, переворачиванию, перемеши­ванию) — не менее 3 • 10¹² т твердого почвенного вещества. Меха­ническая обработка почвы, резко ослабляющая сцепление твер­дых частиц, в сочетании с уничтожением естественного расти­тельного покрова приводит к нарушению неустойчивого гравита­ционного равновесия в пахотном слое и развитию вторичных гра-вигенных процессов — смыва, линейной эрозии, дефляции. Эти процессы ежегодно уносят с поверхности суши миллиарды тонн почвенных частиц, в районах интенсивной антропогенной эрозии потери могут превышать 30 т/га в год. Вынос материала сопро­вождается аккумуляцией наносов в понижениях и водоемах. В ус­ловиях аридного климата фактором перемещения почвенно-грун-тового материала и образования вторичных форм рельефа может стать интенсивный выпас скота. Во многих ландшафтах, особенно горных, для нарушения гравитационного равновесия достаточно

330

свести растительный покров, что ведет к активизации эрозии, обвалов, осыпей, лавин, селевых потоков. В области многолетней мерзлоты толчком к гравитационным процессам могут служить всякие воздействия, нарушающие тепловое равновесие в верхней части мерзлой толщи, — уничтожение растительного покрова, строительство, спуск теплых сточных вод и др.

Важная с точки зрения структурно-функционального анализа геосистем особенность гравигенных процессов техногенного про­исхождения — их практически необратимый характер.

Изменение влагооборота и водного баланса. Из всех звеньев вла-гооборота наибольшему целенаправленному преобразованию под­вергается сток. Функционирование геосистем непосредственно затрагивают воздействия, направленные на формирование стока с поверхности водосборов. Один из самых радикальных способов преобразования водного баланса наземных геосистем — искусст­венное орошение, на которое уходит не менее ³/4 забираемой из рек воды. В мире искусственно орошается 2,7 млн км² (1,5 % пло­щади суши). В среднем на 1 га расходуется ежегодно 12—14 тыс. м³ воды. Часть этой воды теряется на инфильтрацию и непродуктив­ное (физическое) испарение и лишь около половины транспи-рируется культурными растениями. Ожидаемый позитивный эф­фект ирригации — производство биомассы — часто сопровожда­ется побочными функциональными изменениями геосистем не­гативного характера, в частности поднятием уровня минерализо­ванных грунтовых вод и вторичным засолением, местами забола­чиванием или эрозией. Кроме того, многократно увеличиваются затраты тепла на испарение, но уменьшается альбедо, в резуль­тате существенно преобразуются радиационный и тепловой ре­жимы.

На богарных пахотных землях примитивная агротехника спо­собствует усилению поверхностного стока. Зяблевая пахота повы­шает инфильтрационную способность почв, тем самым увеличи­вая запасы почвенной влаги, сокращая поверхностный сток и, по-видимому, несколько увеличивая питание грунтовых вод. Лес­ные полосы перехватывают весенний сток с полей, задерживают снег, уменьшают непродуктивное испарение. Травосеяние также увеличивает инфильтрацию и сокращает поверхностный сток. До­полнительный эффект дает снегозадержание. Аналогичное действие оказывает террасирование склонов. В целом любые меры по ин­тенсификации земледелия и повышению урожайности (а следо­вательно, транспирации) ведут к перестройке водного баланса в сторону сокращения поверхностного стока; вместе с тем умень­шается интенсивность смыва почв и эрозии.

В зонах избыточного увлажнения основным фактором воздей­ствия на водный баланс служит осушительная мелиорация. Сток с осушенных болот вначале обычно возрастает, но в дальнейшем

331

этот процесс может протекать по-разному в различных ланд­шафтах.

На территории городов усилению поверхностного стока спо­собствуют застройка, искусственные покрытия, водостоки, убор­ка снега. Откачка подземных вод может привести к уменьшению и даже прекращению грунтового питания рек (например, р. Моск­вы в пределах столицы страны).

Примерно на 0,3 % площади суши наземные геосистемы заме­щены искусственными водохранилищами. При сработке уровня (в меженный период) часть поверхности дна, особенно равнинных водохранилищ, обнажается и здесь наблюдается своеобразный «земноводный» режим. Прилегающие к водохранилищу геосисте­мы испытывают воздействия вторичных процессов: переработки берегов (размыв, активизация оползней, обвалы, провалы), под­пора грунтовых вод, повышения их уровня и подтопления пони­женных участков, а отсюда — заболачивание лесов, сельскохо­зяйственных и других угодий. Влияние водохранилища на мест­ный климат проявляется в некотором выравнивании температур­ного режима, увеличении влажности воздуха, изменении скорос­ти и направления ветра. Практически значимое климатическое влияние самых крупных равнинных водохранилищ ощущается на расстоянии 1 — 3 км от берега. Подтопление распространяется чаще на сотни метров или первые километры от берегов водохранили­ща. В нижнем бьефе водохранилища из-за прекращения поемного режима нередко деградируют пойменные геосистемы на протяже­нии десятков и сотен километров. В водохранилищах отлагается часть речных наносов, в результате чего сокращается твердый сток рек и уменьшается отложение наносов в устьевых частях морского побережья, в том числе в речных дельтах.

Отдельно нужно сказать о географическом значении интенсив­ного забора руслового стока на хозяйственные нужды, в особен­ности на искусственное орошение. Влияние этого фактора наибо­лее ярко сказывается на состоянии внутренних водоемов в арид­ных условиях, чему наглядным примером служит сокращение площади Аральского моря.

Нарушение биологического равновесия и биологического круго­ворота веществ. Биота чрезвычайно чувствительна к человеческо­му воздействию и подверглась наиболее сильному преобразова­нию. На обширных площадях естественные биоценозы уничтоже­ны и частично замещены искусственными и вторичными, или производными. (Мы не будем касаться истребления многих пред­ставителей флоры и фауны.) Уничтожение и изменение биоце­нозов как главного стабилизирующего компонента геосистемы не­избежно вызывает нарушения структуры и функционирования последней. Площадь лесов на Земле в результате хозяйственной деятельности сократилась, по расчетам некоторых авторов, не

332

менее чем на 30 млн км² и продолжает сокращаться. Это не могло не сказаться на балансе свободного кислорода в глобальных мас­штабах, не говоря уже о побочных последствиях регионального и локального характера (интенсификация денудационных процес­сов, нарушение водного режима и т.д.). Аналогичные следствия вызывает нарушение травяного, кустарникового, мохово-лишай-никового покрова.

Преобразование растительного покрова как продуцента пер­вичной биомассы сопровождается изменением биологического звена геохимического круговорота. Биологический метаболизм играет важнейшую роль в круговороте углерода, кислорода, азо­та, фосфора и ряда других элементов. Замена естественных биоло­гических сообществ культурными, как правило, приводит к умень­шению общей биологической продуктивности и соответственно интенсивности биологического метаболизма. С урожаем культур­ных растений ежегодно из почвы отчуждаются сотни миллионов тонн зольных элементов и азота. Так, с урожаем пшеницы выно­сится из почвы (кг на 1 га): азота — 70, фосфора — 30, калия — 50, кальция — 30; с урожаем картофеля — соответственно 90, 40, 160, 76.

По некоторым расчетам, почва со средним содержанием ми­неральных веществ может быть полностью истощена в результате изъятия урожая в течение 15— 150 лет. Истощение почвы вызыва­ется также вырубкой леса, корчевкой пней, уничтожением под­стилки. Необратимая потеря химических элементов из почвы свя­зана с механическим воздействием распашки. В США, например, в 30-е гг. прошлого века с полей ежегодно смывалось в реки 1,5 — 3,0 млрд т почвенных частиц и почвы теряли до 40 млн т азота, калия, фосфора. Внесение в почву удобрений не может воспол­нить все потери. В некоторых сильно эродированных районах с полей смывается в 100 раз больше азота, калия и фосфора, чем вносится с удобрениями. При этом удобрения не могут полностью усваиваться растениями и до 40 — 50 % вносимого в почву количе­ства (что составляет десятки и даже сотни килограммов на гек­тар) вымывается с полей и вовлекается в неконтролируемую вод­ную миграцию. Следует также добавить и негативные последствия применения пестицидов, которые попадают в пищевые цепи и прогрессирующим образом накапливаются в тканях организмов. Наконец, в качестве крайней формы антропогенного воздействия на биологическую продуктивность и биологический метаболизм следует напомнить о прогрессирующем отторжении площадей, покрытых растительностью, под застройку и иное непродуктив­ное использование.

Техногенная миграция химических элементов в геосистемах. Тех­ногенный геохимический круговорот — одно из самых специфи­ческих и трудно контролируемых проявлений современного вме-

333

шательства человека в функционирование геосистем. В процессе производства создаются тысячи новых соединений, большинство из которых вводится в геохимический круговорот непреднаме­ренно в виде отходов производства, различных отбросов, исполь­зованных промышленных изделий. Среди элементов земной коры, вовлеченных в техногенный круговорот, на первом месте стоит углерод (С), далее следуют Са, Fe, Al, Cl, Na, S, N, Р, К, Си, Zn и др.

Многие техногенные элементы начинают миграцию в воздуш­ной среде. Основную массу выбросов в атмосферу составляет ди­оксид углерода СО₂ (не менее 10—15 млрд т ежегодно) — глав­ный продукт сжигания топлива. Ему сопутствуют другие газы, в том числе СО, SO₂, NO₂ и ряд других, ранее уже упоминавшихся в связи с их токсическим действием (см. разд. 4.6). В атмосферу поступают также твердые продукты сгорания топлива и пыль, по­ставляемая многими отраслями промышленности и пыльными бурями. Главный компонент пыли — SiO₂, в ней, кроме того, могут содержаться тяжелые металлы (Pb, Zn, Ni, Co и др.). Круп­ные пылевые частицы быстро оседают на земную поверхность, тогда как самые мелкие (< 1 мкм) распространяются по всей тро­посфере и годами не выпадают на поверхность. Из-за подвижнос­ти воздушной среды атмосферные загрязнители (в том числе ра­диоактивные) способны распространяться на тысячи километров.

Глобальный эффект техногенного загрязнения атмосферы, в особенности увеличения концентрации главного «парникового газа» СО₂, — возможное изменение теплового баланса Земли и всеобщее потепление, однако механизм этого процесса пока изу­чен недостаточно (см. ниже). Влияние техногенных примесей в атмосфере на климат в локальных и региональных масштабах весьма многообразно и особенно ощутимо в непосредственной близости к центрам загрязнения. Над крупными городами возможно обра­зование ядовитых туманов — смогов, в формировании которых участвуют SO₂, NO₂ и многочисленные другие примеси, в том числе канцерогенные. Под действием серной кислоты, содержа­щейся в атмосферных осадках, стены зданий подвергаются хими­ческому выветриванию. Двуокись серы оказывает вредное действие на растительность, в том числе древесную, а также на почвенные микроорганизмы. Часть техногенных воздушных мигрантов попа­дает в почву, растворяется в поверхностных и грунтовых водах, вовлекается в пищевые цепи, некоторые из них, в том числе часть СО₂и СО, поглощаются непосредственно водами Мирового океа­на. Увеличение концентрации СО₂ находит локальное проявление в усилении растворяющего действия водных растворов на извест­няки, доломиты и бетон.

Большинство техногенных выбросов проходит через водный цикл миграции. Некоторые из них сбрасываются непосредственно

334

в реки и водоемы через канализацию и относительно легко под­даются учету и контролю, притом не оказывают существенного прямого влияния на геосистемы водосборов. Однако значительная часть водных мигрантов поступает в водоприемники более слож­ными путями, пройдя предварительно почвенное, а отчасти так­же атмосферное и биологическое звенья миграции. Их главными источниками служат сельскохозяйственные земли, животновод­ческие фермы, отвалы и терриконы, свалки промышленных и бытовых отходов, рекреационные угодья. Содержащиеся в отходах от этих источников органические и минеральные вещества, среди которых имеются химически очень активные и токсичные, вовле­каются в водную миграцию посредством плоскостного смыва (пре­имущественно талыми снеговыми и ливневыми водами) и ин­фильтрации. К этому следует добавить ту часть атмосферных миг­рантов, которая осаждается в виде пыли или в растворенном виде с атмосферными осадками.

Многие водные техногенные мигранты могут быть вовлечены в биологический метаболизм. Известны виды растений, обладаю­щие избирательной способностью к поглощению тех или иных техногенных элементов и являющиеся их концентраторами. Пове­дение элементов, мигрирующих в почвенных растворах, существен­но зависит от свойств почв. Например, высокое содержание каль­ция в почве способствует сокращению выноса различных элемен­тов; токсичные вещества быстрее удаляются из фаций, формиру­ющихся на легком сухом субстрате со слабо развитой подстилкой; пестициды в условиях холодного климата с длительной зимой, в кислых и гумусированных почвах разлагаются медленнее, чем в теплом климате и в щелочных и малогумусных почвах.

Естественными коллекторами загрязненных поверхностных и грунтовых вод служат реки, внутренние водоемы и моря. Некото­рая часть загрязняющих веществ накапливается на речном дне, но основная функция рек — транзитная. Благодаря проточности рек их загрязнение — процесс обратимый. Притом в речной воде про­исходит частичное самоочищение: часть органических примесей разрушается и минерализуется в результате жизнедеятельности микроорганизмов и водорослей. Внутренние водоемы характери­зуются замедленным влагооборотом (осредненная скорость влаго-оборота у озер Земли в 230 раз меньше, чем у рек), поэтому в озерах и водохранилищах условия самоочищения значительно хуже, чем в реках. Увеличение концентрации в воде азота и особенно фосфора обусловило широкое распространение эвтрофикации водоемов.

Конечное звено водной миграции техногенных выбросов — Мировой океан. Его прогрессирующее загрязнение определяется не только веществами, поступающими с речным стоком, но и непосредственными выбросами нефтепродуктов (при авариях на

335

танкерах и нефтепромыслах) и промышленных отходов, а также осаждением загрязнителей из атмосферы. Процесс загрязнения Океана в основном необратим. В силу тесного взаимодействия Океана с атмосферой его загрязнение может оказывать опреде­ленное влияние на климат. Так, образование нефтяной пленки приводит к нарушению газового, теплового и водного обмена Океана с атмосферой.

Изменение теплового баланса в геосистемах. Антропогенное воз­действие на радиационный и тепловой баланс земной поверхнос­ти и атмосферы имеет непреднамеренный характер. Различают четыре группы антропогенных энергетических факторов.

1. Преобразование подстилающей (субаэральной) поверхности: вырубка лесов, создание оазисов, водохранилищ, искусственных покрытий в городах, осушение болот, запыление поверхности снега и льда, образование нефтяной пленки и др. Все эти факторы воз­ действуют на радиационный и тепловой баланс через изменение отражающей способности поверхности и испарения. Локальный, реже региональный эффект бывает весьма существенным (приме­ рами могут служить города и оазисы).

2. Выбросы тепла в атмосферу в результате производства энер­ гии. Вся вырабатываемая энергия в конечном счете превращается в тепло и рассеивается в пространстве, причем не менее ²/з энер­ гии, содержащейся в потребляемом топливе, не используется в производстве из-за низкого КПД и непосредственно уходит в ат­ мосферу в виде тепла. Одним из источников тепла служит вода, нагретая при использовании для охлаждения на тепловых и атом­ ных электростанциях. Глобальный эффект всего техногенного тепла выражается в повышении средней температуры воздуха у земной поверхности примерно на 0,01 °С, но в развитых индустриальных странах и районах этот эффект значительно сильнее. В крупных городах количество выбрасываемого в атмосферу тепла соразмер­ но с величиной суммарной солнечной радиации или даже пре­ восходит ее.

3. Увеличение концентрации так называемых парниковых газов и главным образом диоксида углерода в атмосфере. Многие авторы придают этому фактору приоритетное глобальное значение, по­ скольку он должен усиливать парниковый эффект и, следователь­ но, вести к прогрессирующему повышению температуры воздуха на Земле, что в свою очередь будет иметь последствия, катастро­ фические для человечества (таяние полярных льдов, повышение уровня Мирового океана и затопление приокеанических низмен­ ностей и др.). Однако усилению парникового эффекта должны сопутствовать процессы с противоположным влиянием на тем­ пературу воздуха (в частности, изменение облачности и увеличе­ ние отраженной радиации). Кроме того, до сих пор отсутствуют надежные способы количественной оценки баланса СО₂ в атмос-

336

фере. Выше уже отмечалось, что часть техногенного СО₂ поглоща­ется водами Океана и поверхности суши. Известно также, что повышение концентрации СО₂ в воздухе стимулирует фотосин­тез, и можно ожидать усиления его изъятия за счет роста биоло­гической продуктивности.

4. Увеличение содержания аэрозоля в атмосфере. Запыленность воздуха способствует образованию облаков и повышает величину отраженной солнечной радиации, но в то же время пылевые час­тицы поглощают длинноволновое излучение и тем самым усили­вают парниковый эффект. Соотношение этих противоположных тенденций еще недостаточно ясно.

Суммарный тепловой эффект техногенных факторов наиболее ощутимо проявляется в локальных масштабах, особенно в горо­дах, где действуют все четыре группы факторов, причем опреде­ляющее значение имеет непосредственный выброс тепла. В резуль­тате средние годовые температуры в крупных городах на 1 — 2 °С выше, чем в окрестностях, а зимние могут быть выше на 6 — 7 "С. Если бы циркуляция атмосферы не спасала большие города от перегрева, температура воздуха в них должна была повыситься на десятки градусов.

Что касается глобальных изменений теплового баланса, то их природа пока еще недостаточно изучена. Это объясняется непол­нотой и противоречивостью исходной информации, чрезвычай­ной сложностью глобальных климатических моделей, недостаточ­ной изученностью механизма наблюдаемых процессов. В настоя­щее время отсутствуют надежные способы отделить вклад антро­погенных факторов в происходящие изменения термики атмос­феры от ее колебаний, происходящих в силу естественных при­чин.