Глава 5

ПОЧВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ И ИХ ЗАГРЯЗНЕНИЕ

За те 400 млн. лет, что жизнь на Земле вышла на сушу, с' поверх­ностью нашей планеты произошли большие изменения: каменистые и глинисто-песчаные пустыни покрылись тонкой оболочкой среды обита­ния наземных животных и растений. Определяющую роль в формиро­вании этой живой оболочки Земли сыграли фотосинтезирующие расте­ния. Вследствие их деятельности поверхностный слой Земли обогатил­ся органическими веществами, насытился множеством гетеротрофных микроорганизмов, сформировались почвенные экосистемы, дающие пищу для животных. Они же служат основными источниками пищи и для человека. При этом истощение почвенного плодородия неизбежно сказывается на уровне жизни населения.

Как указывалось, в процессе фотосинтеза образуется около 100 млрд.т целлюлозы в год. В качестве же пищи человек использует лишь так называемый хозяйственный урожай — 800—900 млн .т. Это почти в два раза ниже физиологической нормы, иначе говоря, в мире существует значительный дефицит продуктов питания даже по массе. По данным ООН, около трети населения земного шара постоянно испытывает голод. К истощению почвенных экосистем приводит нера­циональное использование их в процессе сельскохозяйственного произ­водства. Чтобы полнее представить, какие из антропогенных воздейст­вий наиболее опасны для почвенных экосистем, рассмотрим свойства почв и виды воздействий.

§ 5.1. Почвенные ресурсы

Почва — связующее звено между атмосферой, гидросферой, лито­сферой и живыми организмами и играет важную роль в процессах обмена веществами и энергией между компонентами биосферы. Поч­ва — это средоточие жизни, среда обитания многих живых организмов.

"Дыхание" почвы существенно изменяет состав приземного слоя атмосферы. Почвенная влага, формируясь из атмосферных осадков, в дальнейшем определяет химический состав грунтовых, речных, озер­ных и в значительной мере морских вод.

Поскольку почва не обладает свойством подвижности, ее необходи-

153

мо воспринимать как структурно-функциональный биокосный компо­нент биосферы. Это же свойство определяет бесконечное разнообразие почвенного покрова в пространстве. Гетерогенность и многофазность почв определяет широкий диапазон характерных времен формирова­ния различных компонентов и свойств почв — от 10 до 10^б лет.

Общая площадь земельного фонда в мире составляет 133,9 млн .км² (14 млн.км² заняты ледниками). Из них так называемых продуктивных угодий — 86 млн. км², из которых 45 млн.км² занимают сельскохозяй­ственные земли, остальные площади (окло 40 млн.км²) занимают леса и кустарники. Площади обрабатываемых земель (пашни, сады, планта­ции) занимают 15 млн.км², т.е. около 11,2% от всего земельного фонда или лишь 3% от всей земной поверхности.

Другими словами, сельскохозяйственные земли, занимающие ^х/з земельного фонда, состоят на ¹/_s из обрабатываемых угодий и на ²/з из лугов и пастбищ.

В большинстве экономически развитых стран процент распаханных территорий стабилизировался. В экономически слаборазвитых странах. и в странах, имеющих пригодные для пашни ресурсы земельного фонда, площади пахотных земель продолжают увеличиваться. В целом с 1940 по 1975 г. площадь обрабатываемых в мире земель возросла почти вдвое (с 8 до 15 млн.км²). В перспективе ожидается увеличение площади освоенных земель до 27—30 млн.км².

Ясно, что только расширение площади дахотцых земель продоволь­ственную проблему не решит. Такое расширение не беспредельно. Необходимо решать вопросы повышения продуктивности земледелия на уже освоенных площадях.

В странах бывшего СССР земельный фонд составляет 22,3 млн.км² (табл. 21), из которых сельскохозяйственные угодья занимают 6,08 млн.км². Остальное пространство занято лесами и кустарниками, паст­бищами, болотами. Около 57% территории страны относится к холод­ному поясу. Лишь 10,6% земельного фонда страны (2,34 млн.км²) занято пашнями, приусадебными участками, садами и огородами.

Почвенный покров земельного фонда в странах бывшего СССР исключительно разнообразен. Встречается около 100 типов почв, тыся­чи видов и разновидностей.

В табл.22 представлены наиболее распространные типы почв в странах бывшего СССР. Видно, что наибольшую площадь (65%) зани­мают северные почвы. На степные и лесостепные почвы (черноземы, каштановые и серые лесные) приходится всего 15,3%. Пустыни и полу­пустыни с количеством осадков 200—300 мл/год занимают в нашей стране 15% почвенного покрова. Используются эти почвы в основном под пастбища. 154

Таблица 21. Земельный фонд в мире и в СССР в млн.км² на 1975 г.

Земли	в мире	в СССР
Площадь	148	23
Земельный фонд	133,9	22,3
Сельскохозяйственные:	45	6,08
пашни, сады	15,1	2,34
сенокос	-	0,46
пастбища	-	3,27
орошаемые земли	2,6	0,17
осушенные земли		0,14
Леса и кустарники	40	8,07
Болота	_	1,16
Оленьи пастбища		3,43

Таблица 22. Типы почв в СССР

Тип почвы	Процент площади почвенного
	покрова
Северные почвы:
подзолистые и мерзлотно-таежные	41,9
тундровое и арктические	15,8
подзолисто-болотные и болотные	7,3
Пустыни и полупустыни (бурые и светло-
бурые, солончаки)	15
Степные и лесостепные почвы:
черноземы	8,2
каштановые	3,9
серые лесные	3,2

В лесостепной и степной зонах сосредоточено около з/₄ (72,5%) всех пахотных площадей бывшего СССР. Сельскохозяйственные уго­дья здесь занимают 60—80% земельного фонда, а пашни — 40—50%, достигая в черноземных районах 80%. Это почвы, плодородие которых славится во всем мире: "русский чернозем — кормилец России".

Большую роль в расширении пахотных земель в странах бывшего СССР сыграло освоение целинных и залежных земель в 1954—1960 гг. За эти годы в Казахстане, Сибири, Поволжье и Приуралье освоено под пашню более 0,4 млн.км² черноземных, каштановых и серых лесных почв.

155

Сейчас в странах СССР около 20% площади пашни сильно пора­жены эрозией (см. следующий раздел), около 30% — солоноватых и засоленных (малопродуктивных), около 30% с кислой реакцией, 5% заболоченных. Лишь 13—15% пашни не нуждаются в мелиоративных или почвозащитных мероприятиях.

Потери почвенного покрова во всем мире велики. Общая площадь почв, разрушенных за всю историю человечества, достигла 20 млн .км², что намного превышает площадь всей пахотной земли, используемой в настоящее время. В результате застройки, производства горных работ, опустынивания и засоления почв мировое сельское хозяйство ежегодно теряет 50—70 тыс.км². Сейчас в мире используется около 70% пригод­ных для сельского хозяйства земель. С одной стороны, продолжается интенсивное освоение новых земель, в основном за счет вырубки лесов, с другой — происходит широкомасштабное опустынивание почв. Леса планеты сейчас исчезают со скоростью 20 га/мин. Площадь тропичес­ких лесов — основных производителей О2 в земной атмосфере — сокра­щается ежегодно на 1%.

Понятно, что сохранить почву можно лишь на определенных эколо­гических принципах — за счет проведения таких мероприятий, как севооборот, культурная обработка земель, устройство ветрозащитных заслонов, использование соответствующих удобрений в необходимом и достаточном количестве в нужное время с применением соответствую­щих методов. Что касается антропогенного загрязнения почвенных экосистем, оно связано как с отходами промышленного производства, так и с широким, зачастую недостаточно контролируемым и экологи­чески обоснованным применением пестицидов и химикатов.

5 5.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЧВЕННОГО ПЛОДОРОДИЯ

В почве постоянно и одновременно протекают химические, физи­ческие и биологические процессы. Немаловажную роль здесь играют процессы ферментативного и каталитического окисления, восстановле­ния и гидролиза. В результате почва обогащается необходимыми неорганическими и органическими веществами, происходит химичес­кий круговорот веществ — сущность развития почвы, ее плодородия.

Под плодородием понимают свойство почвы удовлетворять потреб­ности растений в элементах питания и воде, снабжать корневые систе­мы необходимым количеством воздуха и теплоты, обеспечивая тем самым нормальную жизнедеятельность растений.

Важное значение для осуществления почвенных процессов имеет структура почвы. 156

Любую почву можно рассматривать как гетерогенную, многофазную систему, состоящую из твердой (минеральный "скелет", органический и биологический компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газооб­разной (почвенный воздух) фаз. Почва представляет собой биомине­ральную (биокосную) динамическую систему, находящуюся в мате­риальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой и час­тично замкнутую через биологический круговорот веществ.

Минеральный состав почв складывается в основном из кварца (ЭЮг) и алюмосиликатов — оксидов алюминия и кремния (Si02:Al₂03:H20) в различных соотношениях.

Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из разнораз­мерных частиц (педов) — механических элементов. Относительное содержание в почве таких элементов определяет ее гранулометричес­кий состав. В зависимости от размеров частиц различают песчаные, суглинистые и глинистые почвы.

От механического состава почв и почвообразующих пород в значи­тельной мере зависит интенсивность многих почвенных процессов, связанных с превращениями, переносом и накоплением в почве орга­нических и минеральных соединений.

Органический компонент почв представлен гумусовыми веществами, служащими источниками питания для почвенных микроорганизмов и структураторами почв. Гумусообразование происходит в результате превращения органических остатков, поступающих в почву после отмирания растений.

Биологическая составляющая почвенных экосистем представлена зелеными растениями, микроорганизмами и животными. При воздейст­вии организмов на почву в процессе их жизнедеятельности осуществ­ляются важнейшие звенья почвообразования — синтез и разрушение органического вещества, избирательное концентрирование биологичес­ки важных микроэлементов, разрушение и новообразование минералов и аккумуляция веществ.

Основная почвообразующая роль принадлежит лесной раститель­ности. Ее биомасса на поверхности суши составляет 10^й—10¹² т. Остат­ки растительности поступают на поверхность почвы в основном в виде опада, На втором месте по биомассе почвообразующих зеленых расте­ний — травянистая растительность (10¹⁰—10^й т). При этом биомасса корней обычно превышает биомассу наземной части травянистой рас­тительности.

В формировании плодородия почв важнейшая роль принадлежит почвенным микроорганизмам. Здесь обитают в большом количестве бактерии, микроскопические грибы и водоросли. Общее число микро­организмов в почве исчисляется миллиардами в 1 г. Микрофлора

почвы по объему составляет около 0,1% ее объема, 7—10 т на 1 га или в сухом весе примерно 2 т живого вещества на гектар.

Особенно важную роль в почвенном круговороте веществ играют бактерии. Гетеротрофные бактерии разлагают органические остатки до простых минеральных соединений. Они могут быть как аэробными, так и анаэробными. Одни осуществляют процесс аммонификации,

другие восстанавливают гЮз до N2 в процессе денитрификации. Бак-терии-денитрификаторы (Pseudomonas) используют KNO3 в качестве акцептора электрона от глюкозы. В качестве акцептора электрона может выступать и сульфат. При этом бактерии участвуют в процессе десульфофикации:

Автотрофные бактерии осуществляют в почве процессы окисления минеральных соединений — продуктов жизнедеятельности гетеротро-фов. Например, аэробные бактерии играют роль в процессах нитрофи-кации:

Широко распространенные в почвах серобактерии окисляют SH2, S и тиосоединения до H2SO4 (процесс судьфофикации):

При участии железоокисляющих бактерий, наиболее распростра­ненных в заболоченных почвах, происходит окисление солей Fe(II):

Эти же бактерии могут окислять и соли Мл (II).

В почве содержится много бактерий-азотфиксаторов: свободноживу-щих (аэробный азотобактер и анаэробный клостридиум) и клубенько­вых.

На отмирающих органических остатках живут сапрофитные гетеро­трофные бактерии и грибы. Микроскопические грибы (плесневые, актиномицеты) в аэробных условиях могут разлагать клетчатку, лиг­нин и другие стойкие органические соединения, участвуют в минера­лизации гумуса. Их гифы достигают нескольких тысяч метров на 1 г почвы.

Наряду с бактериями и грибами в почве присутствует большое количество водорослей, в основном в поверхностном слое и на растени­ях. Так, в 1 г лесной подзолистой почвы встречаются десятки тысяч клеток 10—15 видов водорослей, а в 1 г лесного опада — до 5 млн. клеток.

Плодородие почвы определяется содержанием в ней гумусовых веществ. Эти вещества химически и микробиологически устойчивы. Они являются промежуточными продуктами в процессе образования угля. Получаемые из самых разных источников — угля, торфа, поч­вы — гумусовые вещества обнаруживают внешне удивительно сходные свойства. Между собой гумусовые вещества различаются по раствори­мости в водных и спиртовых растворах:

Элементный анализ гумусовых веществ разного происхождения показывает, что содержание С, Н, О примерно одинаково для каждой фракции.

Кислород в составе гумусовых веществ присутствует в основном в виде функциональных групп —ОН, —СООН, —С=0, —ОСН₃ и эфиров. Фракция фульвокислот характеризуется наиболее высоким содержани­ем кислорода (45%). В гуминовой кислоте кислорода содержится меньше (33%). В гумусовых веществах присутствует как алифатичес­кий, так и ароматический углерод. Соотношение ароматического С к алифатическому в гуминовой кислоте гораздо выше, чем в фульвокис-

159

лотах. Данные ИК- и ЯМР-спектроскопии показывают, что водород в гумусовых веществах находится лишь при алифатическом С. Это свидетельствует о высокой степени замещения ароматических колец в почвенном гумусе.

Помимо Н, С, О гумусовые вещества содержат серу (и 1%), а также азот (2—5%). Азот входит в основном в состав аминогрупп.

Гумусовые вещества состоят из молекул различной молекулярной массы. Наименьшую среднюю молекулярную массу имеют фульвокис-лоты, наибольшую — гуминовые. В силу высокого содержания в соста­ве гумусовых веществ лигандных функциональных групп они облада­ют высокой комплексообразующей способностью.

Помимо комплексообразующих свойств для гуминовых веществ характерны гидрофобные взаимодействия, в силу чего высокомолеку­лярные гуминовые вещества в воде нерастворимы и образуют основу органического вещества почв. Так называемые тучные почвы содержат более 10% гумуса, среднегумусовые почвы — 5—7%.

Зрелые гумусовые почвенные горизонты формируются за сотни лет, а минеральные — за тысячи и миллионы лет.

Уменьшение содержания гумусовых веществ в почве приводит к их дегумификации. Этот процесс обусловлен резкой сменой баланса почв по органическому веществу при освоении целинных земель, или при длительной распашке почв без применения органических удобрений, или. без посева многолетних трав. Уменьшение количества либо изме­нение качественного состава поступающих в почву органических остат­ков приводит к тому, что комплекс почвенных микроорганизмов, при­способленный к естественному круговороту органических веществ, при нарушении баланса начинает использовать гумус почвы. Это продол­жается либо до установления нового почвенного экологического равно­весия, либо до полной деградации почвы.

Уменьшение содержания органического вещества в почве сопровож­дается ухудшением ее физических свойств и прежде всего структуры и водопроницаемости, что способствует усилению процессов эрозии, особенно опасной для пахотных земель. Эрозия, в свою очередь, уси­ливает процесс дегумификации. В процессе дегумификации резко сокращается содержание в почве наиболее ценных зернистых агрегатов размером 1—5 мм.

В общем случае воздействие на почву при сельскохозяйственном использовании может быть сбалансированным — без коренных пере­строек почвенного профиля, с севооборотом, с разумным внесением органических и минеральных удобрений, с формированием высокого уровня почвенного плодородия, а может быть экстенсивным — с изъя­тием органических веществ без их восполнения, с быстрым расходова­ло

нием естественных питательных ресурсов, с потерей плодородия и физическим разрушением и изменением почвенного профиля.