Антропогенное воздействие на почвы

Механическое воздействие на почву — пахота, перемещение почвы, уплотнение, уничтожение.

Степень распаханности почв на разных материках колеблется в больших пределах: в Западной Европе — 30,8% от всей площади, в Азии — 20,2%, в Африке, Северной и Южной Америке — 14,4%, в Австралии и Океании — 4,1%. При этом способы распашки не всегда избираются оптимальные. Например, при освоении целинных земель в СССР широко производилась отвальная распашка полупустынных светло-каштановых почв, что привело к разрушению структуры и ветровой эрозии почв.

Перемещение почвы осуществляется при всех видах строительства, хотя не всегда почва предварительно снимается, чтобы освободить место для возведения объекта строительства. Перемещались и складировались тысячи и сотни тысяч тонн почвы при закладке карьеров для разработки полезных ископаемых открытым способом.

Уплотнение почвы деятельностью человека наиболее широко распространено от прокладки множества троп и грунтовых дорог человеком и транспортными средствами. Процесс этот связан не только со строительством населённых пунктов, промышленных объектов и сельскохозяйственным использованием территории, — он связан также с ростом туризма и рекреации. Установлено, что сильное уплотнение почв пашни происходит при использовании тяжёлых тракторов (например, К–500), которые, как каток, оставляют после себя уплотнённую землю, лишённую возможности газового обмена, нормального впитывания влаги, и, следовательно, плодородие таких повреждённых почв сильно снижается.

Уничтожение почв зачастую наблюдается при открытой разработке полезных ископаемых — как на месте создающегося карьера, так и на участках, отводимых под отвал, — если почва не была предварительно снята и складирована. Уничтожаются почвы при создании водохранилищ, когда оказываются затопленными обширные пойменные и пахотные земли. Так, при создании 14 крупных водохранилищ на Волге потери земель составили 3,5–4,8 млн. га, а площадь потерянных земель из-за постоянного подтопления вблизи водохранилищ составляет 6–8 млн. га. Уничтожается почва и при прокладке автодорог, трубопроводов и т.д. Так, в США дорожным бетоном покрыта площадь более 110 тыс. км² — больше суммы площадей Швейцарии, Бельгии и Дании; в Канаде площадь магистральных дорог составляет более 120 тыс. км², то есть около 1,3% площади страны. Сильно страдает почвенный покров от военных действий при современной технике.

Агромелиоративное воздействие на почву бывает прямым и косвенным.

Орошение почвы — искусственное увлажнение почвы путём подачи влаги из водного источника с целью повышения влагообеспеченности растений. За последние 200 лет орошаемая площадь Земли возросла в 25 раз, хотя орошаемое земледелие имеет историю продолжительностью значительно более 7 тысяч лет. Орошение применяется в 60 странах мира. Общая площадь орошаемых земель на планете превышает 270 млн. га, из них более половины приходится на долю трёх стран: Китая (45% обрабатываемой площади орошают), Индии (21,1%) и США (16,5%). Основными и наиболее распространёнными способами орошения являются:

а) бороздковый способ (вода подаётся по тупым сквозным бороздам шириной 1–1,3 м, дёшев, но увлажняет неравномерно и возможно засоление в гребнях борозд);

б) затопление (затопляемые участки /чеки/ имеют площадь 0,2–1 га, бывает переувлажнение и повышение уровня нижележащих грунтовых вод, применяется при выращивании риса);

в) лиманное орошение (при небольших понижениях рельефа создаются дамбы высотой 0,5–2 м, перехватывающие естественный поверхностный сток);

г) «дикий напуск» (орошение из каналов при неровном рельефе и щебнистых почвах, требуется сильный водяной поток, увлажнение неравномерное);

д) дождевание (механизированные установки экономят воду, обеспечивают равномерную подачу воды и равномерное увлажнение, способ прогрессивный, но высокая стоимость);

е) подпочвенное орошение (вода подаётся снизу капиллярным способом из заложенных в почве труб, вода используется экономно, не образуется на почве корки, увлажнение равномерное).

Осушение земель имеет целью отвести избыточную влагу из пределов корнеобитаемого слоя для достижения благоприятных водно-тепловых условий произрастания растений и улучшения аэрации почв, чтобы добиться повышения плодородия почв. Осушению подвергаются переувлажнённые земли, леса и болота с целью вовлечения их в сельскохозяйственное производство. Основной приём осушения — понижение уровня грунтовых вод с помощью открытого или закрытого дренажа. Болота бывают верховые (лежат на водоразделах и играют важную роль как естественный регулятор стока рек, поэтому должны быть охраняемы и не подвергаться осушению), низинные и переходного типа. Крупнейшее болото — Западно-Сибирская низменность: при площади её 1,3 млн. км² заболоченно около 50%. Наука ещё не сказала своего окончательного слова о значении торфа на многих болотах в круговороте веществ естественной окружающей среды, поэтому пока следует воздержаться от осушения торфяных болот.

Косвенное снижение уровня грунтовых вод возникает как побочное явление при создании карьеров. Оно может захватить обширные территории, особенно на равнинах, но обычно размер таких площадей зависит от литологического состава горных пород, характера их залегания, наклона и дислоцированности слоёв и т.д.

Косвенное поднятие уровня грунтовых вод порождается сооружением водохранилищ или оросительных каналов без соответствующих дренажных мероприятий.

Засоление и вторичное засоление почв. Почва содержит обычно соли угольной кислоты: Na₂CO₃, MgCO₃, CaCO₃ и др. Натриевые и некоторые другие соли значительно ухудшают плодородие. В естественных условиях почвы засоляются через грунтовые воды, насыщенные солями. Грунтовые воды, расположенные на небольшой глубине, в жарких и засушливых районах поднимаются по почвенным капиллярам и испаряются. Тогда на поверхности почвы остаются все растворённые до этого в воде соли. Засоление почв при орошаемом земледелии наблюдается во всех странах Ближнего и Среднего Востока — от Афганистана до Марокко и Сенегала, а также в орошаемых районах Австралии, США и Мексики. Процессам деградации и снижения плодородия почв подверглись орошаемые земли и в аридных зонах России. Так, Поволжье засолено 350 тыс. га орошаемых земель, имеется 390 тыс. га земель с солонцовыми комплексами.

Вторичное засоление орошаемых почв особенно опасно для земледелия. Современные оросительные системы обычно строятся и функционируют без гидроизоляции. В результате, грунтовые воды, поднимаясь вверх (иногда со скоростью 0,5–2 м/год и более), подтопляют поверхность почвы и, при отсутствии хорошего естественного дренажа (свободного оттока грунтовых вод), вызывают заболачивание и засоление земель. Вторичное засоление почв распространено в Индии и других странах Азии. По данным ФАО, не менее 50% площади орошаемых земель мира значительно засолено, в том числе в России и странах СНГ.

Химическое воздействие на почву. На суше ежегодно разлагается 10–55 млрд. т органического вещества, продукты распада переходят в почву, грунтовую воду и атмосферу. Процесс разложения, как известно, сопровождается выделением энергии. В каждом природном биоценозе поступление в почву основных химических элементов и микроэлементов происходит в виде свойственного данному биоценозу сочетания веществ и соединений в определённых количественных соотношениях. Хозяйственная деятельность человека в значительной степени изменяет естественные круговороты вещества, в результате через почву проходит иной набор химических веществ и соединений, чем свойственно данному биоценозу. В каких-то пределах растительность и животный мир могут адаптироваться к антропогенным изменениям в почве, если же этот предел превышен, биоценоз начинает изменяться, а затем может разрушиться. На ранних стадиях этот процесс поправим — правильными мерами иногда можно восстановить нарушенное равновесие в экологической нише, но нередко возникает и необратимый ход процесса.

Изменение химического состава почв отражается на химическом составе произрастающих на них растений, на составе поверхностных и грунтовых вод. В результате животные и человек, обитающие в данном районе, с пищей и водой получают избыток или недостаток тех или иных элементов. Возникают «эндемичные заболевания»: недостаток йода порождает эндемический зоб и кретинизм; недостаток вместе йода, кобальта и меди вызывает зобную болезнь; при высоком содержании молибдена и недостатке меди — эндемическая подагра и др. Потери сырья добывающей промышленности и побочные отходы обрабатывающей промышленности могут достигать 2–33%. Такими путями, а также через стадию промышленной продукции (с металлоломом, коррозией, распылением, истиранием, со сточными водами и т.д.) в почву попадают дополнительные количества железа, калия, магния, меди, цинка, олова, никеля, ртути, резко изменяя природное содержание этих элементов и соотношение различных компонентов. Изменение содержания этих элементов в почве оказывает влияние на обмен веществ как в почве, так и у растений и животных. Например, промышленные воды с высоким содержанием магния вызывают закупорку пор, по которым воздух поступает к корням растений, последние гибнут и т.д.

Количество поступающих в почву чужеродных веществ очень велико, особенно близ крупных городов и промышленных центров. Так, в отдельных странах Центральной Европы за 30 лет металлические отходы в населённых пунктах возросли в 10 раз. К середине следующего века ожидается рост концентрации окиси железа в почве более чем в 2 раза, свинца — в 10 раз. За это же время неполное использование сырья, потери и отходы производства могут увеличить концентрацию в почве ртути в 100 раз, урана — в 200 раз, мышьяка — в 250 раз.

Попадающие в почву твёрдые отходы ухудшают аэрацию почв и тем самым способствуют образованию ядовитых веществ, уничтожающих почвенную флору и фауну, вызывая деградацию почвы. В Норвегии, в районе разработок руд кобальта, производившихся 75 лет назад, установлено повышенное содержание кобальта и мышьяка в почве и в выращиваемых на ней растениях — моркови, томатах, свёкле.

В Польше в районе хвостохранилищ медного рудника тяжёлые металлы в почве оказывают токсическое воздействие на ряд микроорганизмов, в результате в подземной части растений (редис, лук), выращиваемых на этой почве, повышенное содержание свинца и меди может представлять угрозу для человека.

В одной из горных долин Швейцарии установлено, что вблизи автодороги в почве в 50–80 раз повышается содержание полициклических ароматических углеводородов, входящих в состав выхлопных газов автомашин и являющихся канцерогенами.

В районах суперфосфатного и ртутного комбинатов в почве обнаружено содержание ртути в 3–13 раз больше по сравнению с фоновым содержанием.

Итак, с химическими отходами производств и от автотранспорта в почву могут попадать канцерогенные вещества (бластомагенные) — таковы сажа, продукты осмоления, нефтепродукты и др.

Изменение почвы через изменение растительного покрова. Особенно сильно изменяются состав и строение почвы после вырубки лесов, когда в условиях новых теплового, светового и водного режимов резко возрастает вымывание из почвы многих питательных веществ и гумуса, в котором питательные вещества содержатся в недоступной для растений форме, однако в нормальном ходе почвообразования эти вещества быстро переводятся микробиологическими процессами, при участии аэробных и анаэробных бактерий, в доступную для растений форму. Намного усиливается также смыв почвы. Поскольку леса обладают высокой водорегулирующей способностью, сведение их приводит к резкому нарушению водного баланса и росту поверхностной составляющей стока. При этом нарушается естественный круговорот веществ в биоценозе, почва довольно быстро изменяется, в значительной степени утрачивая своё плодородие, и теряет способность быть основой для самовосстановления прежнего растительного покрова.

Изменение почвы через изменение животного мира. Уничтожение или хотя бы частичное сокращение, в результате хозяйственной деятельности человека, численности популяций землеройных животных, червей и полезных микроорганизмов отрицательно сказывается на плодородии почв.

Сокращение в степях и саваннах поголовья копытных травоядных животных, поедающих определённые группы растений, изменяет соотношение компонентов в фитомассе биоценоза, что отражается на составе поступающих в почву органических остатков и продуктов их минерализации. В результате происходит качественное изменение почвы.

Вообще влияние на почвы антропогенного изменения животного мира менее наглядно проявляется, чем влияние изменения растительного покрова. Оно может выразиться, например, в антропогенном нарушении способности почвы к естественному процессу самоочищения. Под воздействием огромного количества микроорганизмов, простейших многоклеточных и других организмов в почве происходит распад органического вещества на безвредные для человека и полезные для растений минеральные соли, углекислоту, воду. Процесс самоочищения почвы сопровождается образованием гумуса.

При антропогенном нарушении процесса самоочищения почвы могут возникнуть очаги патогенных микроорганизмов в почве — возбудителей инфекционных болезней. Таковы возбудители кишечных инфекций (брюшного тифа, паратифов, дизентерии, холеры), бруцеллёза, туляремии, чумы, коклюша и др. Возбудитель сибирской язвы — сибиреязвенная палочка, — попадая с мочой и испражнениями больных животных в почву, образует спору (плотную оболочку, обеспечивающую ему высокую устойчивость к неблагоприятным факторам среды) и в таком состоянии может сохраняться годами, особенно в каштановых и чернозёмных почвах, а затем животные, поедая корм, загрязнённый этой палочкой, заражаются сибирской язвой. Человек заражается этой болезнью через контакты с больными или павшими животными, через продукты или сырьё, полученные от больных животных, и при непосредственном соприкосновении с почвой. Опасность для человека представляет собой столбнячная палочка, заражение которой происходит через повреждённую кожу или слизистую. В почве может присутствовать спороносная палочка — возбудитель ботулизма — тяжёлого пищевого отравления; она может попасть на овощи, ягоды, фрукты, грибы и при анаэробных условиях из споры переходит в вегетативную форму, продуцирующую сильный яд, превосходящий многие другие. Ботулизм распространён в США, Канаде, Франции, Японии, Казахстане, Армении, России — в частности на Северном Кавказе. Заражение ботулизмом часто связано с продуктами домашнего приготовления: грибами, консервированными в герметически закрытых банках, консервами овощными и фруктовыми, рыбой солёной и вяленой. Газовая гангрена возникает при проникновении спор гангренозной палочки в повреждённые ткани вместе с загрязнённой почвой и обрывками одежды, характеризуется быстро распространяющимся отёком тканей и их омертвением.

Почвы могут быть заражены гельминтозами. Гельминты бывают двух видов:

а) геогельминты (аскариды, власоглавы и др.), они одну стадию развития проходят в почве, где яйца дозревают до инвазийной стадии;

б) биогельминты (свиной и бычий цепни, или солитёры, и др.), дозревание яиц которых происходит в кишечнике домашних животных, личинки затем разносятся с кровью по телу и поселяются в мускулах, а человек, употребляя в пищу недостаточно термически обработанное мясо таких животных, может заразиться этими гельминтами.

Изменение почвы при её сельскохозяйственном использовании. После снятия урожая с поля человеком отторгается громадное количество фитомассы, чем существенно нарушается природный круговорот веществ, а почва обедняется рядом важных компонентов — соединениями азота, фосфора, калия, кальция. Отсюда следует, что при существующем землепользовании теоретически через 100–150 лет почвы, характеризующиеся средним плодородием, могут быть полностью истощены. Возникает острая необходимость в восполнении отчуждаемых человеком веществ посредством регулярного привноса удобрений.

Общее количество вносимых в почвы удобрений по земному шару составляет около 60 млн.т, то есть в среднем приходится почти 5 т/км² распаханных земель.

Из вносимых в почвы азотных удобрений около 40% смывается и сносится в реки, и у человека, использующего такую воду для питья, из-за накопления в организме нитратов нарушается дыхательная функция крови. Применение азотных удобрений может сопровождаться накоплением нитратов в кормовых культурах, тогда они по пищевой цепи могут передаваться в организм человека. При определённых погодных условиях (продолжительной засухе, прохладной погоде), а также воздействии ряда других факторов (применении гербицидов и др.) содержание нитратов в растениях может возрасти в несколько раз. Высоконитратная пастбищная трава способствует накоплению в молоке и тканях животных нитратов и нитритов. С повышением доз азотных удобрений возрастает концентрация нитратов в растениях (особенно в сахарной и кормовой свёкле — до 1,8%). Наибольшее количество азота из почвы поглощают технические культуры — сахарная свёкла, масличные, конопля, лён (уносящие 100–200 кг азота с га), хлопчатник (45 кг/га); за ними идут зерновые — пшеница, кукуруза, овёс (30–35 кг/га).

В России наибольший вынос фосфора с урожаем из почв полей наблюдается в южных районах (более 21 кг/га) за счёт преобладания в посевах кукурузы и подсолнечника, далее к северу вынос фосфора постепенно сокращается и в северных областях снижается до 8 кг/га.

Водная и ветровая эрозия почв. Помимо громадных территорий, где человеком изменены состав, структура, химизм почв, растут площади земель, где почвы нарушены эрозией водной и ветровой (или дефляцией). За последнее столетие водной эрозии и дефляции подверглись на земном шаре почвы на площади 2 млрд. га или 27% сельскохозяйственных земель мира.

Природные факторы развития водной эрозии почв: крутизна склонов, коэффициент горизонтальной расчленённости территории, глубина местных базисов эрозии, интенсивность осадков и др. Эрозия почв может резко возрасти под действием антропогенных факторов: при сведении или нарушении естественного растительного покрова, распашке вдоль склонов, чрезмерном выпасе скота и др. Интенсивность эрозии сельскохозяйственных земель зависит от применяемой агротехники. Наиболее легко развивается эрозия почв под паром (смыв до 100%) и пропашными культурами (75–99%), меньше — под овсом, пшеницей и рожью (20–25%). Различают плоскостную эрозию, возникающую при плоскостном нерусловом смыве почвы осадками, и овражную эрозию, когда дождевые струи, сливаясь в потоки, размывают почву и подстилающие породы с образованием промоин и оврагов. Развитие оврагов приносит сельскому хозяйству не только прямой вред, разрушая и снося плодородную почву, но и косвенный — снижая уровень грунтовых вод, истощая их, иссушая земли и порождая «эрозионную засуху». В степной зоне из-за эрозии земледелие теряет 30–35 млрд. м³ воды. Об ущербе можно судить, если учесть, что в районах с неустойчивым увлажнением каждые 100 м³ воды на 1 га дают прибавку урожая в размере 1 ц зерна. На эродированных почвах урожай сокращается в 15–12 раз, из-за смыва азота, фосфора и калия; ухудшается качество зерна — изменяется его биохимический состав, уменьшается абсолютный вес; в 2–4 раза возрастает засорённость сорняками.

Дефляция значительно изменяет химизм почв: происходит потеря органических веществ, азота, фосфора и пр. При выдувании пылеватых частиц происходит опесчанивание и огрубление почв, ухудшается полезная микрофауна почв.

Примеры разномасштабных проявлений эрозии и дефляции многочисленны. На Великих равнинах США раньше жили индейцы и в степях пасли громадные стада бизонов. Первое массовое вторжение земледельцев на эти тучные земли произошло в 1885 году, но в тех местах сухая весна приводила к тому, что после весенней пахоты земли иссушались и почва выдувалась, бывали и засухи. После сильной засухи 1894 г. 90% хозяйств на Великих равнинах было заброшено. Вторая волна земледельцев пришла туда в конце первой мировой войны в связи с ростом цен на хлеб. Тракторами были распаханы ещё большие территории. Сильные засухи в 1932–1934 гг. и пыльные бури весной 1934 г. унесли и развеяли 300 млн.т гумуса, за два года было уничтожено более 2 млн. га плодородных земель, не считая садов, которые были засыпаны, либо из-под корней был выдут весь грунт. В последующие годы губительные последствия пыльных бурь были несколько ослаблены пропашкой поперёк склонов, правильным орошением, созданием на полях широких полос с плотной дерниной трав, оставлением соломы на стерне, покрытием дёрном в садах приствольных кругов и т.д. Бывают пыльные бури и в Европе, и в России. Так, в 1960 и 1969 гг. были пыльные бури в Ставропольском крае, Кабардино-Балкарии и Северной Осетии, принесшие немалый урон.

Бурный смыв почвы происходит в районах интенсивного землепользования при развитии эрозии. Ежегодный снос достигает в бассейне р.Хуанхэ 7900 т/км², в бассейне р.Верхней Вольты — 17000 т/км², на склонах в Азербайджане — 15000–30000 т/км², на чайных плантациях Грузии — 20000–50000 т/км².

Нерегламентированный выпас скота на горных склонах вызывает интенсивные эрозионные процессы. В ряде стран, особенно в субтропических и тропических широтах, разрушению почвенного покрова в значительной степени способствовал выпас коз. Так, на о-в Св.Елены, ранее сплошь покрытый лесом преимущественно из эбенового дерева, в 1514 г. были высажены с корабля козы, а в 1835 г., когда туда привезли сосланного Наполеона, леса оказались полностью уничтоженными и эбеновое дерево исчезло совершенно. Подобно этому, человек, разводя или выпуская коз, вызывал с их помощью сведение растительного покрова, а затем и эрозию почв в Новой Зеландии, Новой Каледонии, на о-вах Галапагос, Хуан-Фернандес и др. В иных случаях человек сначала вырубал лес, а затем разводимые им козы препятствовали восстановлению растительности, так как молодые побеги и травы выдёргивались ими с корнем, а обнажённая почва выбивалась острыми копытами животных и затем смывалась дождём и сдувалась ветром. Так протекал процесс разрушения почв в Греции, Турции, Сирии, Ливане и других странах. К разрушению почв в горных областях приводит и массовый выпас овец, что порождает скотосбой и последующее разрушение почв. Это имеет место в Татрах, на Карпатах, Стара Планина, на Кавказе, в Крыму, в ряде горных районов Средней Азии и т.д.

Значительные трудности в землепользовании возникают в районах Крайнего Севера и пустынях в связи с ранимостью почв. В тундре почвенный покров быстро разрушается под воздействием современной техники (тракторов, вездеходов, тягачей и т.д.), причём восстановление его происходит очень медленно. Так, В тундровой зоне России за последние 25 лет в 2 раза сократились площади лишайниковых тундр, а процессы деградации оленьих пастбищ наблюдаются почти на 25% их площади. Если раньше основной причины этого явления был перевыпас оленей, то сейчас — с нерегламентированное движение транспорта и пожары. Таким образом, необходимо особенно бережно относиться к почве в зонах экстремальных условий её формирования.

Растительность