ПОЧВЫ

Дегумификация почвы. Вторичное засоление, осолонцевание и слитизация почв. Влияние на почвы продуктов техногенеза

Процессы дегумификации почв

При распашке целинных почв, как правило, идет процесс дегумификации, уменьшение содержания и запасов органического вещества. Этот процесс приводит к уменьшению содержания и запасов гумуса на 30—40% и затем стабилизируется на более низком уровне через 30—50 лет. Наиболее резкое уменьшение содержания и запасов гумуса происходит в первые 5—10 лет. При дальнейшем использовании почвы темпы потерь гумуса затухают. Процесс дегумификации не стабилизируется в случае развития эрозии. Хотя самые резкие изменения происходят в пахотном слое, различия с целинными почвами могут прослеживаться до 80 см (И. А. Крупеников, 1973).

Повторное сравнение содержания и запасов гумуса в черноземах на тех точках, где 100 лет назад работал В. В. Докучаев, показало, что ежегодные потери гумуса на разных подтипах черноземов и в разных условиях их использования составили 0,5 — 1,8 т/га, запасы гумуса сократились при этом на 15—40% (Г. Я. Чесняк и др., 1983). Изменение содержания гумуса определяется структурой посевных площадей, соотношением в севооборотах пропашных культур и сплошного сева, удельным весом многолетних трав, применением органических и минеральных удобрений.

Процесс дегумификации имеет место во всем мире. В США, Канаде, Аргентине на пашнях ежегодная потеря гумуса составляет около 1,5 т/га, а на черных парах достигает 8 т/га. Содержание гумуса в пахотных горизонтах степных почв прерий снизилось на 30—40%, в почвах Бразилии — в 3 раза (с 6 до 2%), что увеличило плотность почв на 50% и ухудшило водопроницаемость в 15—20 раз (В. А. Ковда, 1981).

Мелиорация торфяных почв также сопровождается потерей органического вещества. В нашей стране осушено более 3 млн. га торфяников. Процесс осушения сопровождается уменьшением мощности торфяного слоя в среднем на 2—3 см/год. Этот процесс происходит за счет уплотнения торфяной массы вследствие частичного обезвоживания, коагуляции коллоидов и изменения природной структуры торфа (1,9—2,5 см/год), а также в результате безвозвратных потерь, обусловленных минерализацией и эрозией торфа (0,1—0,5 см/год).

Человек может способствовать нарастанию гумуса в почве применением органических удобрений, известкованием кислых почв, использованием в севообороте многолетних трав, регулированием соотношения площадей пропашных и зерновых культур и другими приемами. Подсчитано, что для создания бездефицитного баланса органического вещества ежегодно в среднем в почвы следует вносить 8—12 т/га органических удобрений. Естественно, что при этом важно учитывать свойства почв и качество органических удобрений.

Восстанавливают и стабилизируют содержание и запасы гумуса оструктуренность почв, улучшение их водно-физических свойств, посев многолетних трав. Положительное действие оказывают и пожнивные послеуборочные остатки при запахивании их в почву. Их бывает тем больше, чем выше урожай. Сочетание минеральных удобрений с органическими благоприятно сказывается на росте плодородия почв, урожайности растений и качестве урожая.

Важным фактором сохранения гумусного состояния почв является щадящая обработка почв. В настоящее время на обширных территориях юга нашей страны применяют безотвальную пахоту. Облегчение машин, минимализация обработки способствуют сохранению и накоплению гумуса в почве.

Следует подчеркнуть, что важно заботиться не только о содержании и запасах гумуса, но и о его качестве.

Процессы вторичного засоления, осолонцевания и слитизации почв

Для создания оптимального водного режима в районах недостаточного увлажнения необходимо орошение. По данным ФАО, площадь орошаемых земель мира составляет около 220 млн. га. Однако при нарушении правил эксплуатации ирригационных систем, при несовершенных их проектах возникают побочные явления: вторичное засоление, осолонцевание, слитость и др.

Главными причинами деградации орошаемых почв служат бездренажное орошение, большие потери воды на фильтрацию, строительство оросительных каналов без гидроизоляции, превышение оросительных норм, неконтролируемая подача воды, полив минерализованной водой. В оросительных системах мира больше половины воды расходуется не по назначению.

Засолению подвергаются прежде всего те почвы, где оросительные системы не имеют дренажных устройств. Оросительные воды при фильтрации вызывают повышение уровня почвенно-грунтовых вод. Их поднятие и испарение сопровождается накоплением солей в почвенном профиле. Помимо вертикального, следует принимать во внимание и горизонтальное движение солей, вызванное различием положения участков по рельефу или комплексностью почвенного покрова.

Наиболее токсично содовое засоление. Оно вызывает резкую смену реакции почвенного раствора (рН 9—11), состава поглощенных катионов, приводит к пептизации коллоидов, повышает мобильность органического вещества, ухудшает водно-физические свойства почвы, прежде всего ее структурное состояние. В черноземах при орошении исходная водопрочная зернистая или мелкокомковатая структура пахотного горизонта быстро разрушается. Появляется глыбистость, слитость, склонность к образованию поверхностной корки после поливов и дождей. Процесс слитооб- разования ведет к понижению содержания доступной растениям влаги, к ухудшению воздухообмена, затрудняет их обработку, дренирование и промывку от солей.

Для орошения пригодны воды с концентрацией солей до 1 г/л. Большинство рек, воды которых использовали для орошения в нашей стране, имели концентрацию солей 0,2—0,3 г/л. В настоящее время минерализация воды в некоторых реках увеличилась до 0,8—1,5 г/л, при этом карбонатно-кальциевый состав ее стал меняться на сульфатно-магниевый, сульфатно-натриевый, хлоридно- натриевый и карбонатно-натриевый. Это связано с зарегулирован- ностью стока рек, увеличением стока дренажных и промышленных вод, возрастанием роли испарения. В практике ряда стран (Египет, Алжир, Тунис, Марокко, Пакистан, Индия и др.) имеется опыт использования для полива высокоминерализованных вод (5 — 6 г/л), но только в условиях хорошего дренажа и промывного водного режима. Предельно допустимой минерализацией для орошения почв среднего и тяжелого состава считают 2—3 г/л, а для супесчаных и песчаных— 10—12 г/л (В. А. Ковда, 1981). Особенно нежелательно присутствие в поливной воде гидрокарбоната натрия. Принято, что вода с его содержанием менее 1,2 мг-экв/л пригодна для орошения, 1,25—2,5 — условно пригодна, более 2,5 — непригодна. Воды повышенной минерализации и особенно щелочные воды вызывают вторичное осолонцевание почв.

С повышением концентрации солей в воде должен меняться режим орошения. На каждый 1 г соли в оросительной воде необходимо добавлять на дренажный сток 5—10% водозабора, при этом потребность в дренаже и вегетационных промывках возрастает. При содовых оросительных водах с концентрацией 0,3—1,5 г/л доля вывода дренажных вод повышается до 30 — 50% от водозабора. При этом целесообразно применение химической мелиорации воды или почв.

Во избежание потерь поливной воды и вторичного засоления рекомендуют: 1) закрытую сеть каналов, исключающую фильтрацию воды; 2) дренажные сооружения, обеспечивающие удержание соленых грунтовых вод на глубине не ближе 1,5—3 м; 3) капитальные промывки почв, если они засолены, для удаления солей из корнеобитаемого горизонта; 4) регулярные вегетационные поливы с дренажными водоотводами (В. А. Ковда, 1981).

Для определения опасности осолонцевания и для слежения за скоростью этого процесса определяют SAR оросительной воды по формуле Ричардса:

SAR=Na7((Ca2++Mg2+)/2)°'5

где SAR — натриевое адсорбционное отношение; Na+, Са2+, Mg2+ — содержание катионов, мг-экв/л.

Опасность осолонцевания наступает при SAR > 10, 6, 4, при минерализации воды соответственно 1, 2, 3 г/л (А. А. Попов, В.Ф. Вальков, 1979).

Для охраны почв от содового засоления и слитости желательна химическая мелиорация (внесение гипса), применение физиологически кислых и Са-содержащих удобрений, введение в севооборот многолетних трав. Режим орошения должен исключать переувлажнение и иссушение почв. При орошении необходимы высокая культура земледелия, строгое соблюдение технологических норм. Необходима организация постоянно действующей контрольной службы на оросительных системах в целях мониторинга водно-солевого режима орошаемых почв, их структурного и гумусного состояния для предотвращения деградации орошаемых почв и поддержания их высокого плодородия.

Влияние на почвы продуктов техногенеза

Загрязнение почв тяжелыми металлами и токсичными элементами. Современная индустриальная деятельность сопровождается выбрасыванием в биосферу побочных продуктов. В форме твердых отходов промышленности поступает ежегодно 20—30 млрд. т различных веществ, из них 50% — органических (JI. Г. Бондарев, 1976). С твердыми отходами на поверхность почв поступают загрязнители окружающей среды. Среди них наиболее опасными считают ртуть, свинец, кадмий, мышьяк, селен и фтор. Загрязнение почв тяжелыми металлами имеет разные источники, но преимущественное загрязнение ими происходит при сжигании ископаемого топлива: угля, нефти, горючих сланцев. К настоящему времени добыто и использовано более 130 млрд. т угля и 40 млрд. т нефти. Следовательно, с золой поступили на поверхность почв миллионы тонн металлов, значительная часть которых аккумулирована в верхних горизонтах. Антропогенная деятельность на порядок увеличила поступление свинца и кадмия. Главный источник загрязнения почв свинцом — выхлопные газы автомобилей. Ежегодно с ними поступает более 250 тыс. т свинца. Тяжелые металлы поступают в почву также с удобрениями и пестицидами. Большинство соединений тяжелых металлов аккумулируются в подстилке и гумусовом горизонте. Распределение тяжелых металлов по поверхности от источника загрязнения зависит от характера и особенностей источника загрязнения, метеорологических особенностей региона, в частности от розы ветров, геохимических факторов и ландшафтной обстановки в целом. Ареал максимального загрязнения редко превышает 10—15 км в радиусе от источника, но небольшие концентрации при попадании в высокие слои атмосферы могут переноситься на значительные расстояния. Металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по цепям питания и вызывают целый ряд заболеваний у животных и человека, при высоких концентрациях губительно влияют на растения, понижают биологическую активность почв.

Неравномерность техногенного распределения металлов усугубляется неоднородностью геохимической обстановки в природных ландшафтах. В связи с этим для прогнозирования возможного загрязнения продуктами техногенеза и предотвращения нежелательных последствий необходимо принимать во внимание законы миграции химических элементов в различных природных ландшафтах и геохимических условиях.

Продукты техногенеза в зависимости от их природы и той ландшафтной обстановки, куда они попадают, могут терять токсичность, перерабатываться природными процессами либо сохраняться и накапливаться, губительно влияя на живые организмы. В автономных ландшафтах развиваются процессы самоочищения от техногенных загрязнений, так как продукты загрязнения рассеиваются поверхностными и внутрипочвенными водами. В аккумулятивных ландшафтах продукты техногенеза консервируются и накапливаются. Ртуть, свинец, кадмий хорошо сорбируются в верхних сантиметрах перегнойно-аккумулятивного горизонта разных типов почв суглинистого состава. Миграция их по профилю и вынос за пределы почвенного профиля незначительны. Но в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются.

Фтор также оказывает токсическое действие на микрофлору, беспозвоночных животных и растительность. Адсорбция фтора происходит в почвах с хорошо развитым поглощающим комплексом. Растворимые соединения фтора легко перемещаются по почвенному профилю и могут попадать в грунтовые воды. Цинк и медь менее токсичны, но более мобильны, чем свинец и кадмий. Повышение содержания органического вещества и утяжеление гранулометрического состава почв уменьшает миграционную способность цинка и его соединений.

Совместное действие тяжелых металлов на живые организмы в почве оказывает более сильное интибирующее действие, чем при той же концентрации каждый элемент в отдельности.

В разных типах почв уровень токсичности тяжелых металлов может отличаться на порядок и выше. Установлено, что, например, кадмий на неокультуренных подзолистых почвах оказывает угнетающее действие при содержании 5 мг/кг, а на окультуренных — начиная с 50 мг/кг.

Загрязнение почв бензпиреном. С продуктами неполного сгорания угля и нефти в почву поступают полициклические ароматические углеводороды, среди которых особенно опасен бензпирен. Он сильный канцероген. Почва — конечный резервуар аккумуляции бензпирена. Больше всего его накапливается в гумусовом горизонте. С почвенной пылью, грунтовыми водами, с продуктами питания бензпирен может попадать в организм животных и человека. Почвенные микроорганизмы обладают способностью расщеплять бензпирен на нетоксичные компоненты, но процесс поступления превалирует над детоксикацией его. Эта проблема заслуживает глубокого изучения.

Техногенное подкисление почв. Техногенное поступление в атмосферу соединений хлора и соляной кислоты, оксидов азота и азотной кислоты, а также соединений серы приводит к выпадению кислотных дождей, адсорбции почвой газов и изменению реакции почв в кислую сторону.

Антропогенное поступление серы в почву и на поверхность растительности происходит в форме диоксида серы и других газообразных соединений и в виде кислотных дождей. Почва сорбирует диоксид серы. Скорость сорбции увеличивается с нарастанием влажности почв, повышением рН, увеличением содержания органического вещества, емкости поглощения и удельной поверхности почв. Воздушно-сухие почвы сорбируют 1—5, а влажные 9— 67 мг S02/r почвы (К. Смит, 1973). Почвы сорбируют также и восстановленные соединения серы: сероводород, метилмеркаптан, сероуглерод и др. Диоксид серы в атмосфере окисляется в три- оксид серы. Оксиды серы и азота, выделяемые в процессе техноге- неза, при растворении в жидкой фазе облаков и тумана превращаются в кислоты и выпадают с осадками. Выбросы серной кислоты часто сочетаются с выбросами тяжелых металлов, оксидов азота и растворов азотной кислоты, соединений хлора, органических компонентов и др. Эти сочетания или усиливают действие кислотных дождей (с азотной и соляной кислотами, с тяжелыми металлами), или ослабляют его (со щелочно-земельными металлами). На фоновых территориях с осадками поступает 3—6 кг/га серы, в промышленных регионах — 25—30 кг/га. Соответственно содержание водорастворимой серы в дерново-подзолистых почвах фоновых территорий составляет 5—7 мг/100 г, вблизи промышленных производств оно возрастает до 20 и более мг на 100 г почвы.

Диоксид и триоксид серы могут переноситься воздушными массами на десятки и сотни километров от источника выброса. На планете ежегодно в атмосферу поступает до 500 млн. т кислотных компонентов. Кислотные дожди усиливают кислотность почв и природных вод, вызывают выщелачивание питательных элементов, разрушают структуру почв, нарушают газовый режим, подавляют биоту почв и вызывают другие негативные последствия. Техногенное подкисление почв следует учитывать при планировании известкования почв, при расчетах доз удобрений и других мероприятий.

Техногенное подщелачивание почв. При поступлении щелочных, щелочно-земельных и тяжелых металлов с выбросами металлургических заводов, а также аммиака с выбросами комбинатов по производству удобрений происходит подщелачивание почв. Масштабы этих процессов значительно меньше, чем процессов подкисления, и негативные последствия также не столь значительны. Но при этом аномально может возрастать содержание в почвах тех или иных компонентов, что может привести к нарушению необходимых пропорций в элементах питания. Повышенная щелочность почв неблагоприятна для многих сельскохозяйственных растений. К тому же в условиях щелочной реакции среды и промывного режима резко возрастает мобильность органического вещества, что приводит к обеднению почв гумусом.

Охрана почв от загрязнения тяжелыми металлами и другими продуктами техногенеза

Защита почв от загрязняющих ее продуктов техногенеза базируется прежде всего на совершенствовании технологии и принципов организации производства. Создание замкнутых технологических систем, организация производства без отходов приводит к резкому, почти полному сокращению поступления в почву продуктов техногенеза.

Помимо предупредительных мер, важное значение имеют меры по ликвидации существующего загрязнения.

При атмосферном загрязнении почв тяжелыми металлами и другими токсичными компонентами, когда они концентрируются в больших количествах в самых верхних сантиметрах почвы, возможно удаление этого слоя и захоронение его.

В настоящее время получен ряд химических веществ, которые способны инактивировать тяжелые металлы в почве или понизить их токсическое действие. Это ионообменные смолы, образующие хелатные соединения с тяжелыми металлами. Ионообменные смолы вносят в почву в дозах, определяемых уровнем загрязнения. Негативной стороной веществ-инактиваторов является их ограниченная емкость.

Более доступен, но не всегда более эффективен способ закрепления тяжелых металлов в почве путем внесения извести и органических удобрений, которые адсорбируют тяжелые металлы и токсины.

Внесение органических удобрений в высоких дозах, использование зеленых удобрений, муки из рисовой соломы и т. п. снижает поступление кадмия и фтора в растения, а также токсичность тяжелых металлов. Регулирование состава и доз минеральных удобрений может уменьшить токсическое действие ряда элементов. Внесение повышенных доз фосфора понижало токсическое действие свинца, меди, цинка и кадмия.

Сочетание предохранительных мер и мер по ликвидации загрязнения почв тяжелыми металлами позволит защитить почвы от загрязнения, а растения от токсического их действия.

Проблемы почвенного мониторинга

Работа по охране почв предполагает наличие информации о состоянии почв, об их изменениях под влиянием антропогенных нагрузок.

В отличие от атмосферного воздуха и природных вод наблюдение за состоянием и загрязнением почв минеральными и органическими токсикантами крайне ограничено и в должной мере не организовано. Экологическая роль почвы как узла связей биосферы, где наиболее интенсивно идут все процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и обитающими на суше организмами, определяет необходимость специальной организации почвенного мониторинга как неотъемлемой части общего мониторинга окружающей среды.

Необходимость организации службы почвенного мониторинга становится все более острой с каждым годом, поскольку размеры антропогенных нагрузок на почвы постоянно возрастают, причем увеличиваются и темпы роста этих нагрузок. Общий объем глобальных антропогенных нагрузок на почвенный покров стал уже соизмерим с действием природных факторов ().

Общий перечень задач, стоящих перед почвенным мониторингом, достаточно велик. В перспективе возможно появление новых задач, которые возникнут в связи с новыми технологическими процессами и расширением ассортимента синтезируемых химической промышленностью органических и минеральных веществ. Конечно, часть из сегодняшних задач будет снята с повестки дня в обозримом будущем; например, при переходе промышленных предприятий на безотходную технологию отпадет необходимость контроля за загрязнением почв химическими веществами. Но в настоящее время такой контроль еще необходим. Не будут сняты с повестки дня наблюдения и контроль за теми процессами, которые вызываются некоторыми видами использования почв и почвенного покрова.

На современном этапе важнейшими задачами почвенного мониторинга являются следующие:

—        оценка среднегодовых потерь почвы вследствие водной, ирригационной и ветровой эрозии;

—        обнаружение регионов с дефицитным балансом главнейших элементов питания растений, обнаружение и оценка скорости потерь гумуса, азота, и фосфора; контроль за содержанием элементов питания растений;

—        контроль за изменением кислотности и щелочности почв, особенно в районах с внесением высоких доз минеральных удобрений, а также при ирригации, использовании при мелиорации промышленных отходов и в крупных промышленных центрах, характеризующихся высокой кислотностью атмосферных осадков;

—        контроль за изменением солевого режима орошаемых и удобряемых почв;

—        контроль за загрязнением почв тяжелыми металлами вследствие глобальных выпадений;

—        контроль за локальным загрязнением почв тяжелыми металлами в зоне влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей, а также пестицидами в регионах их постоянного использования, детергентами и бытовыми отходами на территориях с высокой плотностью населения;

—        долгосрочный и сезонный (по фазам развития растений) контроль за влажностью, температурой, структурным состоянием, водно-физическими свойствами почв;

—        оценка вероятного изменения свойств почв при проектировании гидростроительства, мелиорации, внедрения новых систем земледелия и удобрений и т. п.;

—        инспекторский контроль за размерами и правильностью отчуждения пахотно-пригодных почв для промышленных и коммунальных целей.

Это наиболее общий и, вероятно, неполный перечень задач, который должен быть дифференцирован применительно к почвен- но-географическому, климатическому и экономическому районированию страны применительно к объектам почвенного мониторинга.

Охрана почв — это постоянная работа, основанная на строго научном подходе, это важнейшая часть Продовольственной программы, важнейшая часть программы охраны окружающей человека природы. Охрана и рациональное использование почв, нашего огромного национального богатства, — важное звено укрепления производства, роста материальных благ, улучшения условий труда, жизни и отдыха советских людей.