Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Экология почв. Учение об экологических функциях почв. Учебник
.pdf
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
221
в природе..., 1980). Причем из 52% энергии, приходящейся на облака, после взаимодействия с ними поглощается — 10, отражается —
25, направляется к земной поверхности и достигает ее — 17%.
В последние годы был поставлен вопрос о необходимости всестороннего изучения участия почвы в формировании и регулировании влагооборота атмосферы (Добровольский, Никитин, 2000,
2006). Данная почвенная функция проявляется прежде всего в том,
что благодаря задержанию с помощью почвы выпадающих атмосферных осадков на поверхности суши оказывается возможным
испарение значительной их части и повторное выпадение.
Долгое время считалось, что решающим фактором обеспечения
ландшафтов суши влагой является многократный оборот водяного пара. Однако в 50-х годах было установлено, что его вклад заметно меньше, чем полагали ранее. Так, по данным М.И. Будыко,
на европейской территории России осадки, выпадающие за счет
местного испарения, составляют около 12%. Основной же влагоперенос происходит с поверхности океана.
Однако местный влагооборот оказывает сильное влияние на
относительную влажность воздуха, которая в значительной мере
определяет общее количество осадков. Так, при относительной
влажности ниже 40% осадки незначительны, но они быстро возрастают при увеличении ее до 50—55% и более (Будыко, 1977).
Кроме того, значение осадков местного испарения велико и потому, что они могут предотвращать губительное действие засух
или существенно ослаблять их отрицательное влияние.
Роль почв в формировании влагооборота в целом достаточно
велика. Почва не только способствует увеличению общего количества водяного пара, поступающего в атмосферу, но и посредством местного круговорота выравнивает процесс водообеспечения
ландшафтов. Это имеет немаловажное значение, поскольку влагоперенос с океана на сушу подвержен частым перебоям и резким
колебаниям. В то же время на Земле имеется много неустойчивых
экосистем, существование которых тесно зависит от особенностей
микроклимата в почвенно-растительном ярусе. Примером могут
служить реликтовые леса в засушливых районах, которые после
вырубки не возобновляются.
Интенсивное использование почвенного покрова нарушает
веками сложившийся вклад почвенного звена в общий круговорот
влаги в атмосфере. Уничтожение лесов на огромных пространствах и широкая распашка земель, активизировавшая поверхностный сток, привели к общему снижению влагозадержания на суше
222
и уменьшению буферной водорегулирующей способности почвенного покрова Земли, что явилось одной из причин аридизации
многих участков суши и учащения резких колебаний климата
(Ковда, 1981, 1985). Возросла частота экстремальных явлений в
воздушной оболочке: засух и сопутствующих им пыльных бурь,
ливней и наводнений, резких понижений температур в зимний
период и др. (Мазур, Иванов, 2004; и др.).
Наличие признаков снижения сбалансированности существующих климатических условий не может не вызывать тревоги, так
как все большее число ученых склоняются к мысли, что существовавшие ранее представления об однозначности и высокой устойчивости современного климата не отвечают действительности.
Так, М.И. Будыко (1984) предполагает, что современный климат
не является единственно возможным при существующих внешних
климатообразующих факторах. При имеющейся в настоящее время
величине притока тепла к внешней границе атмосферы возможно
существование устойчивого полного оледенения планеты (“белой
Земли”) с очень низкими температурами на всех широтах. Он обращает внимание на то, что распространение снежного и ледового
покрова на всю Землю может произойти уже при снижении солнечной постоянной на 4%. При увеличении солнечной постоянной
на 2% будет происходить отступание ледового покрова и таяние
вечных льдов с соответствующими глобальными последствиями.
Вывод о большой чувствительности современного климата заставляет обращать пристальное внимание на все причины возможного нарушения сложившейся климатической обстановки,
ибо когда та или иная система находится в неустойчивом состоянии, то достаточно небольших воздействий, чтобы вызвать изменения, направление которых трудно заранее предугадать. Поэтому
анализ климатообразующей роли почв является важной составной частью исследований всей системы факторов, формирующих
современный климат Земли (Никитин, 2005, 2010; и др.).
Ч. III. Глобальные функции почв
Антропогенные изменения атмосферных функций почв
Став фактором глобального масштаба, человеческая деятельность существенно отразилась и на атмосферных функциях почвенного покрова (табл. 58). В настоящее время можно констатировать ослабление и изменение экологически важных атмосферных
функций педосферы. Данное явление тесно связано с деградационными процессами в биосфере, вызванными нерациональным использованием ее ресурсов.
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
Таблица 58
Основные антропогенные изменения атмосферных функций почвы
223
Типы изменений
почвенных функций
и их проявление
Общее глобальное ослабление и изменение
планетарных газовых
функций педосферы
Редукция и трансформация некоторых
газовых функций педосферы
Глобальное (?) и региональное усиление
функций почв как источника и приемника
твердого вещества и
микроорганизмов атмосферы
Изменение климатообразующей функции
почвы
Локальное усиление
газовых функций почвы
Причины отрицательных
и положительных измене-
ний функций
Широкомасштабное хозяйственное освоение природы; сокращение зон активного функционирования
биосферы (опустынивание,
застройка и др.)
Эрозия, загрязнение почв,
антропогенное снижение
биологической активности
нерационально используемых земель
Активизация антропогенной дефляции почв; антропогенное загрязнение
воздушной оболочки
Водные мелиорации почв
и антропогенные изменения альбедо почвеннорастительного покрова
Строгое соблюдение требований передовой агротехники; реализация биологического земледелия и
охраны почв
Главные экологические
последствия изменений
Снижение сбалансированности региональноглобальных круговоротов вещества и энергии
Нарушение отдельных
составляющих кругово ротов вещества и
энергии
Снижение санитарногигиенических показателей воздушной среды,
усиление деградационных изменений биосферы
Локально-региональное увеличение климатической увлажненности или засушливости
Ослабление деградационных изменений биосферы
Воздействие почвы на газовый состав атмосферы во многом
уменьшилось из-за разрушения земель и снижения их плодородия на обширных территориях. Зона активно функционирующей
педосферы за исторический период сильно сократилась физически (потери почв из-за эрозии, прокладки дорог, строительства
хозяйственных и бытовых объектов и др.). Кроме того, сохранившиеся почвы сильно изменили свои свойства, причем часто в негативную сторону. Одна из причин этого — общая антропогенная
дебиологизация биосферы, существенно нарушающая эволюционно сложившиеся в ней взаимосвязи и снижающая естественную
224
Ч. III. Глобальные функции почв
продуктивность экосистем и плодородие почв. Сокращение размеров биомассы, численности и разнообразия видов организмов
нарушает общий эволюционный процесс, разрывает пищевые
цепи, уменьшает энергетические ресурсы, изменяет биогеохимические круговороты веществ в экосистемах. Почвы обедняются,
утрачивают плодородие и отзывчивость на приемы агрикультуры
(Ковда, 1985; Добровольский, Никитин, 1990, 2000, 2006).
Одновременно с ухудшением свойств, изменением биологической активности и плодородия почв претерпевают отрицательные
изменения их важнейшие атмосферные функции. Особенно серьезные последствия возникают при нарушении нормального газообмена в системе почва—атмосфера, часто имеющего место при
ухудшении физического состояния почв. Негативные последствия сказываются прежде всего на составе самой почвенной атмосферы, которая для почвенного покрова планеты мощностью 1 м
3
имеет объем воздуха в среднем 33•10
3
колебаниями от 15•10
км3 при полевой влагоемкости до 51•103 км3
км3 с суточно-сезонными
при воздушно-сухом состоянии почвы (Заварзин и др., 1985).
Наибольшие изменения в почвенном воздухе производят водные мелиоративные мероприятия. При строгом соблюдении рациональной технологии водных мелиораций негативные изменения сведены к минимуму, а по ряду показателей воздушный режим
почв оптимизируется. Этот вопрос был специально рассмотрен
Н.Г. Зборищук (1985) в основном применительно к орошаемым
черноземам.
Известно, что важным показателем воздушного состояния почв
является коэффициент аэрации (КА) — соотношение концентраций О
/СО2, показывающее степень отличия состава поч венного
2
воздуха от атмосферного. Для атмосферного воздуха КА = 700.
Изучение связи коэффициента аэрации с биологической продуктивностью почв дало возможность вывести экологические интервалы для различных значений КА: сверхизбыточная — более 100,
избыточная — 100—50, оптимальная — 50—20, затрудненная —
20—10, неэффективная — 10—3, критическая — менее 3 (Зборищук, 1985).
Важно отметить, что оптимальная аэрация (КА = 20—50) характерна для обычного состояния черноземов. Наиболее плодородные почвы также характеризуются величиной КА = 20—50, что
может считаться оптимальным для развития растений. При поливах же черноземов КА нередко падают до 10 и ниже. В случае же их
снижения до 3—10 отмечается угнетение развития воздухолюбивых культур, при котором происходит опадение завязей, развитие
гнилостных бактерий, общее снижение биологической продук-
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
225
тивности. Поэтому при использовании оросительных водных мелиораций особое значение приобретает реальное соблюдение
умеренного орошения со строгим выполнением технического режима полива.
Как правило, недопустимым оказывается орошение почв вы-
сокими дозами. Так, если полив черноземов с нормой воды менее
3
/га воды мало изменяет состав почвенного воздуха, то полив
200 м
при норме 450—500 м
3
/га (широко распространено при дождевании) вызывает существенные изменения в компонентном составе
почв. Так, содержание диоксида углерода в почвенном воздухе
может достигать 2—3%, что неблагоприятно сказывается на развитии аэролюбивых культур. При повышенной концентрации
уменьшается скорость поглощения воды корневыми воло-
СО
2
сками, что снижает эффективность полива.
При поливах значительными нормами (450—500 м
3
/га) отмечается также заметное общее изменение газовой фазы почв. Так,
снижается сумма СО
чении в составе почвенной атмосферы N
фикации и потере азота в газообразной форме (Зборищук, 1985).
Особенно отрицательно изменяется фазовый состав почв при поливах с нормой 1000 м
и О2, что может свидетельствовать об увели-
2
3
/га (табл. 59). Концентрация СО2 повыша-
, о возможной денитри-
2
ется до 3% и более на фоне сильного снижения концентрации
кислорода (10% и меньше), появляются следы сероводорода, что
свидетельствует о затрудненности газообмена с прилегающими
слоями тропосферы.
Таблица 59
Изменение состава почвенного воздуха при поливе
нормой 1000 м
пахотным горизонтом (Зборищук, 1985)
3
/га чернозема с обесструктуренным
Глубина, см
10 0,30 20,65 1,75 16,05
20 0,75 20,00 3,35 11,30
30 1,75 18,05 3,75 9,95
40 2,00 17,80 3,60 10,30
50 2,30 17,50 3,00 11,85
100 1,30 18,80 1,80 13,30
*
Качественная проба: минус — нет, плюс — есть.
До полива 3-й день после полива
СО
2
О
2
СО
2
О
2
Н2S
−
+
+
+
−
−
*
226
Ч. III. Глобальные функции почв
Полив высокими дозами и особенно переполив со временем
приводят к подъему уровня грунтовых вод на отдельных участках,
а также к общему ухудшению физического состояния почв и потере их плодородия. Естественно, в связи с деградацией почвы
в данном случае возникает ослабление их атмосферных функций.
В случае строгого соблюдения научно обоснованной системы
орошения почв их плодородие может сохраняться на высоком
уровне, процессы трансформации атмосферного воздуха при этом
протекают интенсивно. Так, отмечено увеличение выделения СО
2
орошаемых аридных почв. Часть диоксида углерода, дополнительно выделяемого почвой, используется растениями и тем самым активизирует фотосинтез (Ковда, 1985), часть поступает в атмосферу.
Говоря о влиянии сельскохозяйственной деятельности на газообмен в системе почва—атмосфера в целом, необходимо отметить,
что данный вопрос во всех аспектах пока не решается достаточно
корректно, поскольку сельскохозяйственный процесс производит сложные неоднозначные изменения в атмосферных функциях
почв. Общая количественная оценка этих изменений не поддается
учету даже в отношении наиболее изученных газов, например азота.
На протяжении XX в. круговорот азота интенсивно изучался, однако собранную обширную информацию трудно использовать для
количественной характеристики биогеохимического цикла азота
и антропогенных воздействий на этот процесс. Это обусловлено
отсутствием согласованности результатов исследований отдельных
научных школ и авторов, а также неполнотой сведений, приводимых для тех или иных превращений азота в различных экосистемах (Рыжова, 1985, 1992).
Антропогенное ослабление и изменение атмосферных функций почвы происходит и при химизации сельскохозяйственных
угодий. Так, в результате широкого применения азотных удобрений в почвах сильно снизилась естественная азотфиксация. По данным Е.Н. Мишустина и др., почвы недополучают миллионы тонн
азота, усваиваемого почвенными микроорганизмами. Подавление
поч венной биоты в результате применения агрохимикатов, обработки полей тяжелыми сельскохозяйственными орудиями приводит
к уменьшению ее численности и разнообразия и как следствие —
к ослаблению газовых функций почв в целом. Это, в частности,
прослеживается по изменению скорости газообмена у беспозвоночных животных почвы. Отмечено, что даже на полях с посевами
трав газообмен дождевых червей, благоприятствующих их развитию, ниже, чем в продуктивных зональных экосистемах (табл. 60).
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
Скорость газообмена дождевых червей,
населяющих 0,1 м
3
верхнего слоя почвы, мл/сут (Бызова, 1986)
227
Таблица 60
Показатель
Потребление кисло-
рода
Выделение углекис-
лого газа
Ельник
Пятнистая
тундра
1,91—6,72 6,24 97,2 112,8 21,2
1,54—5,38 5,0 77,8 90,2 17,0
кустар-
никово-
зелено-
мошный
Ельник
кислично-
зелено-
мошный
Дубрава
Посев
люцерны
В результате антропогенного изменения почвенного покрова
происходят также редукция и трансформация некоторых газовых
функций педосферы. Наиболее наглядным примером может служить потеря гумусовой оболочкой Земли накопленного в ней в
ходе эволюции органического вещества. В результате распашки
земель, недостаточного внесения органических удобрений, осушения заболоченных почв и других мероприятий происходит минерализация гумусовых запасов планеты, в результате чего в атмосферу вновь возвращается диоксид углерода, ранее изъятый из
нее для образования живого и гумусового вещества. Масштабы
этого процесса весьма ощутимы. Полагают, что в результате уничтожения естественной растительности и минерализации гумуса
антропогенно измененных почв в атмосферу поступило СО
до
2
20% от общей прибавки диоксида углерода в воздушной оболочке
за техногенный период. Исследователи с тревогой отмечают сокращение запасов углерода на суше. При этом подчеркивается,
что сокращение массы органического углерода суши происходит,
по-видимому, в основном за счет разрушения почвенного гумуса
(Горшков, 1987). Ускоренное окисление гумуса почв в результате
их распашки и использования под пастбища привело к уменьшению в них содержания углерода на 20—50% и значительному в
связи с этим пополнению поступлений СО
дине 80-х годов среднеземная концентрация CO
в атмосферу. В сере-
2
в воздушной
2
оболочке составила 330—340 ррт, что на 10—12% превышает количество диоксида углерода в атмосфере в доиндустриальную эпоху
(Ковда, 1985, 1990).
Факты сокращения фиксированного углерода на суше, особенно в почвенном покрове, и как следствие этого возрастание
в атмосфере свидетельствуют о явной антропогенной редукции
СО
2
228
Ч. III. Глобальные функции почв
и трансформации некоторых важнейших функций почвенной оболочки и биосферы в целом. Очевидно, что на современном этапе
измененный хозяйственной деятельностью почвенный покров не
в состоянии эффективно выполнять функцию поглотителя и консерватора избытка СО
атмосферы. Более того, налицо трансфор-
2
мация углеродонакопительной функции педосферы в противоположную — углеродовыделительную. Естественно, это не может не
вызывать повышенной озабоченности за будущее биосферы. Очевидно, что редукция и трансформация эволюционно сложившихся
газовых функций почвы в глобальном масштабе — явление негативное со многими дополнительными осложнениями и отрицательными последствиями в будущем (Никитин, 1990, 2010).
Особое беспокойство вызывает продолжающееся наступление
человека на почвенно-растительный покров Земли, сопровождающееся дальнейшей деградацией органогенных горизонтов многих
автоморфных, полугидроморфных и гидроморфных почв, в том
числе торфяных — эффективных поглотителей СО
. При проек-
2
тировании крупных осушительных мероприятий часто не принимается в расчет экологическая полифункциональность и значимость
болотных экосистем и почв. При оценке их роли в природных
процессах необходимо принимать во внимание то, что они помимо других функций выполняют функцию фиксатора диоксида
углерода атмосферы, дальнейшее существенное увеличение содержания которого может привести к глубокой перестройке современной природной обстановки на Земле с многочисленными
непредсказуемыми, в том числе отрицательными, явлениями.
Среди антропогенных изменений атмосферных функций педосферы обособляется категория локальных усилений газовых функ-
ций почв отдельных сельскохозяйственных угодий. Примером таких
усилений может служить уже упоминавшееся увеличение азотфиксации и выделения почвами в тропосферу СО
при их регламентиро-
2
ванном орошении и возрастании их биологической активности.
Усиление деятельности биоты и газовых функций пахотных
почв отмечается при дополнительном использовании энергетического материала в различной форме — внесение навоза и сидератов, запахивание соломы и пожнивных остатков. Исследования
влияния oрганических удобрений на состав почвенного воздуха
показали неоднозначность этого влияния. Так, при внесении в южный чернозем удобрений в виде свежего навоза нормой 100 т/га
произошло возрастание концентрации СО
в почвенном воздухе
2
на порядок (Зборищук, 1985). Однако благодаря тому, что условия
аэрации в почве были нормальными, изменение состава почвенного воздуха, вызванное разложением органического вещества,
Гл. 10. Влияние почв на атмосферу
229
осуществлялось при достаточно благоприятном газообмене с тропосферой, что важно для благополучия произрастающих растений.
При нарушении условий газообмена, например в случае уплотнения поверхности почв, интенсивность трансформации почвенного
воздуха, обусловленная разложением органического вещества
удобрений, начинает превышать интенсивность газообмена с тропосферой, что может неблагоприятно отразиться на состоянии
посевов. Например, известно, что на повышение содержания диоксида углерода в составе почвенного воздуха сельскохозяйственные
культуры реагируют различно: аэролюбивые овощные культуры
(помидоры, баклажаны и др.) испытывают угнетение, кукуруза же
увеличивает биомассу на зеленый корм благодаря развитому ассимиляционному аппарату.
Таким образом, экологические следствия усиления газовых
функций почв зависят от состояния почв, способов обработки,
форм и доз вносимых удобрений, вида сельскохозяйственной культуры и др. В связи с этим при планировании урожайности должен
быть установлен оптимальный диапазон концентраций газов для
каждой конкретной культуры, который для многих культур еще не
разработан (Зборищук, 1985, 1991).
Необходимо также отметить региональное и глобальное усиление
функции почвенного источника и приемника твердого вещества и микроорганизмов атмосферы. Активизация данной функции вызвана
возрастающим хозяйственным прессом на Землю. Почвы оказались
лишенными защитного растительного покрова на обширных пространствах пахотных угодий, а также в районах интенсивного строительства, добычи полезных ископаемых, в районах чрезмерного выпаса скота и высокой рекреационной нагрузки. Во всех этих случаях
поверхность почвы почти в течение года непосредст венно соприкасается с воздушными слоями тропосферы и каждый раз при активизации их динамики подвергается дефляционному воздействию.
Особенно мощно процесс развеивания и воздушного переноса
почвенного мелкозема происходит во время пыльных бурь. Только
за один день (12 мая 1934 г.) с Великих Равнин США ветер снес
300 млн т почвы, что снизило плодородие земель на площади около
4 млн га (Кальянов, 1976). Современное поступление в атмосферу
почвенных частиц и адсорбированных ими микроорганизмов суммируется с попаданием в воздух с поверхности обрабатываемых
почв агрохимикатов. Это стало одним из важных факторов, сильно ухудшающих санитарно-гигиеническое состояние атмосферы.
Так, сдуваемые с поверхности почв пестициды наносят значительный ущерб здоровью людей, страдают или гибнут многие полезные животные.
230
Ч. III. Глобальные функции почв
Увеличение поступления в атмосферу почвенных частиц может
иметь еще несколько последствий. Усиливаются такие малоучитываемые процессы, как физическое выветривание и разрушение
природных, хозяйственных и бытовых объектов при взаимодействии их с минеральными частицами, переносимыми воздушными
потоками. Р. Кейдал в монографии “Твердые частицы в атмосфере
и в космосе” (1969) отмечает весьма живописное проявление действия атмосферной пыли и песка — красивые и странные фигуры
выветривания, вырезанные в скалах носящимися в воздухе частицами. Особенно часто данные фигуры встречаются в аридных регионах. Можно полагать, что в связи с расширением антропогенного опустынивания многих территорий земного шара (Ковда,
1981) указанные процессы возрастают.
Необходимо в полной мере учитывать и то обстоятельство, что
минеральные частицы составляют значительную часть аэрозольного балласта воздушных масс населенных районов. В районе
Лос-Анджелеса, по данным Р. Кейдала, смог примерно на 60% состоит из минералов и других неорганических веществ сложного
химического состава.
Следствием возрастания взвешенных частиц в атмосфере, в том
числе почвенного происхождения, явилось расширение процесса
приема почвой оседающих на ее поверхность аэрозольных компонентов, представленных в основном частицами почв и кор выветривания, принесенных воздушными потоками из других районов.
Одноразовые порции такого материала могут достигать огромных
размеров. В 1901 г. лишь при одном выпадении на африканские
пустыни и на Европу осело 2 млн т пыли. Около 10 млн т красной
пыли, принесенной с северо-запада Африки, выпало на территорию Англии в 1903 г. (Кейдал, 1969).
В эпоху техногенеза почва начала выполнять еще одну антропогенно обусловленную функцию: она стала служить своего рода
противогазом — поглотителем твердых, а также газообразных загрязнителей атмосферы. Механизм данного явления оказался достаточно сложным. В нем обнаружена существенная особенность;
почвенно-растительный покров не только пассивный приемник
осаждающихся на него под действием силы тяжести загрязнителей. Установлена отчетливая зависимость интенсивности осаждения от свойств поверхности растений и почв. Скорость осаждения
обычно является функцией поверхности поглотителя (почвы или
растительности) и зависит от того, мокрая она или сухая. Ее можно
представить как скорость, при которой абсорбирующая поверхность “очищает” воздух от примеси. Если скорость осаждения
равна 1,0 см/с, это означает, что данная поверхность каждую се-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]