Общая характеристика антропогенных ландшафтов, связанных с сельскохозяйственной деятельностью (агротехногенез)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Общая характеристика антропогенных ландшафтов, связанных с сельскохозяйственной деятельностью (агротехногенез)

Земледельческие площади (включая села и фермы) занимают около 12% суши, еще около 25% используется под пастбища. В настоящее время возделывание сельскохозяйственных культур, осуществляется во всех природных зонах, кроме арктической пустыни. Поля, дающие устойчивые урожаи, не распространяются к северу далее полосы с суммой активных температур 1400-1600О. В Европе эта граница проходит немного севернее шестидесятой параллели. С продвижением в пределы азиатской части России граница постепенно опускается к югу до 58О с.ш. в Средней Сибири и до 53О с.ш. и южнее на Дальнем Востоке. В Канаде северная граница районов устойчивого полеводства примерно совпадает с 56О с.ш. Годовая сумма осадков, ограничивающая распространение неорошаемых полей в умеренном поясе, равна 200-300 мм.

По А.М. Рябчикову, наиболее освоены умеренный (26%), субэкваториальный и субтропический (17 - 18%) пояса. Относительная площадь агроландшафтов и степень изменения природной среды максимальны в Европе (32%) и Азии (21%).

Пахотные угодья и плантации занимают самые удобные в орографическом отношении места; они приурочены к равнинам, пологим увалам, межгорным котловинам, днищам долин, крупным конусам выноса. В горах земледелие ведется в ограниченных масштабах.

Распашка земель с уклонами до 1-1,50 сопряжена с минимальным риском возникновения эрозии почв. Однако сельскохозяйственные культуры возделываются и на более крутых элементах рельефа. Предельными для обработки отвальной вспашкой можно считать склоны крутизной 8-9О при условии контурного, т.е. горизонтального расположения борозд или грядок на них. Склоны с еще большей крутизной включаются в земледельческое использование обычно после их террасирования.

Правильное управление полями и плантациями не означает лишь получение с них максимальной продукции. Кроме того, собираемые продукты питания должны быть по возможности экологически чистыми, а производящая их земля должна всегда оставаться плодородной. В действительности названные три условия остаются пока лишь идеалом, к которому надо стремиться.

Правильное управление полями и плантациями означает:

получение с них максимальной продукции;

экологическую чистоту собираемых продуктов питания;

производящая их земля должна всегда оставаться плодородной.

Названные три условия остаются пока лишь идеалом, к которому надо стремиться

Главная задача агроландшафтов - получение максимальной продукции. Он упирается, прежде всего, в рост урожайности сельскохозяйственных культур и, в конечном счете, в рост энерговооруженности сельского хозяйства. Прирост урожайности зерновых в течение второй половины ХХ века остается примерно на одном уровне или даже немного увеличивается. Если за период с 1950 по 1985 гг. она поднялась с немногим более 1 т/га до 2,3 т/га, то в 1993 г. гг. урожайность зерновых достигла 2,7 т/га, а в 1994 г. - 2,8 т/га. Не подтвердились сделанные в 1980-х гг. предсказания экспертов об исчерпании возможностей "зеленой революции", которая стала возможной благодаря увеличению применения минеральных удобрений и ядохимикатов, а также внедрению высокоурожайных сортов растений.

Если говорить о рекордных урожаях в отдельных хозяйствах, то надо отметить, что в 1982 г. в Англии получено 15,65 т/га озимой пшеницы. Мировые рекорды по кукурузе достигали 22,2 т/га, по рису 14,5 т/га.

Однако шести миллиардам людей Земли производимого зерна, как и продовольствия в целом не хватает.

Валовое производство человечеством энергии в 2000 г. достигло величины около 0,51021 Дж. Между тем, энергетические расходы в сельском хозяйстве очень невелики. Привнос энергии в полеводческие ландшафты по оценкам Д. Пиментела (1987) составляют следующую величину:

· на работу техники тратится около 2/5 энергии,

· на производство удобрений и ядохимикатов - около 1/3

· 1/4 энергозатрат расходуются в основном на сушку зерна.

Таково распределение энергозатрат в высокотехнологичном сельском хозяйстве США

При этом, если для выращивания кукурузы в условиях высоко механизированного хозяйства США тратится около 35 ГДж/га, то при использовании только ручного труда в Мексике - всего 2,3 ГДж/га. Урожай зерна составлял в первом случае 70 ц/га, а во втором немногим менее 20 ц/га. Таким образом, при увеличении энергетических затрат в 15 раз урожай возрастал в 3,5 раза. Значит, больший вклад энергии в земледелие окупается при прочих равных условиях большим урожаем, но соотношение между вложенной энергией и полученной в урожае снижается. Соотношение называют энергетической эффективностью земледелия.

Этот показатель оказывается самым высоким в случае ведения примитивного, подсечноогневого земледелия. Вот как отличаются различные формы земледелия по энергетической эффективности (первая цифра - доля энергии, связанной в урожае, вторая - доля энергозатрат в агропроизводство): сельскохозяйственный поле агроландшафт

- подсечноогневое земледелие в бассейне Конго: 65:1

- подсечноогневое земледелие на Новой Гвинее: 20:1

- возделывание кукурузы в Мексике: 12,5:1

- возделывание кукурузы в Нигерии: 10:1

- возделывание кукурузы на Филиппинах: 5:1

- возделывание кукурузы в США: 3:1

Несмотря на дешевизну примитивного земледелия, оно не в состоянии решить продовольственную проблему. Поэтому мир идет по пути подъема энерговооруженности растениеводства, правда, замедляющимися темпами. Для 1990-х гг. ежегодный прирост использования энергии в земледелии не превышает 3%. А расход ее в целом по миру составляет порядка 3,5% от валовой выработки энергии человечеством.

Энергетический пай человека, вносимый им для ведения полеводства, мал по сравнению с природным. В одном урожае кукурузы в год (7 т зерна и 7 т биомассы) связывается около 0,5% поступающей солнечной радиации. Зная показатель энергетической эффективности урожая, который с учетом зеленой массы равен 6:1, можно считать, что в целом антропогенный энергетический пресс на обрабатываемые земли может составлять лишь не более сотых долей процента по сравнению с потоком лучистой энергии Солнца. Это в среднем в несколько сотен раз меньше показателя антропогенного энергетического давления на урбано-транспортно-горнопромышленные земли. Между тем, даже такое на первый взгляд слабое воздействие на мировую пашню приводит к многочисленным негативным последствиям.

Ресурсами увеличения продукции растениеводства обладают страны с низкой энергетической обеспеченностью сельского хозяйства. Большинство экспертов считают, что в развитых странах энергетическая обеспеченность сельского хозяйства подошла к своему пределу. Благоприятные цифры урожайности при высокой энергообеспеченности оборачиваются водной и ветровой эрозией и деградацией почв, загрязнением различных компонентов природы нитратами, пестицидами, что оборачивается серьезными негативными последствиями для многих жителей сельской местности и городов.

Таким образом, выполнение второго правила - получение экологически чистой продукции противоречит необходимости повышения урожайности, которое обеспечивается внедрением высоких технологий (высокой энерговооруженности, широкому применению удобрений, пестицидов, модифицированных продуктов).

Разность между приходом и расходом элементов питания в почве составляет баланс этих элементов. Последние выносятся из почвы с урожаем, а также в результате эрозии или других деструктивных процессов. Стремление увеличить производительность земледелия заставляло людей вкладывать в него больше и больше энергии питательных веществ. Даже примитивная - подсечноогневая система основана на использовании культурными растениями питательных веществ, высвобождающихся при сжигании деревьев.

Агротехногенез влияет на природную среду в глобально-региональном масштабе, особенно в таких регионах длительного интенсивного земледелия, как Египет, Ближний Восток, Европа, Средняя Азия, Индия, Китай и др. Выбросы вредных веществ в атмосферу имеют здесь меньшее значение, чем в промышленных районах, загрязнение почв и водоемов вполне сопоставимо.

По интенсивности и характеру воздействия выделяются два геохимических типа агротехногенеза и несколько подтипов. Первый тип - прямое геохимическое влияние агротехногенеза на природные ландшафты, к которому относится химизация сельского хозяйства и агротехногенная обработка земли. Второй тип - косвенные геохимические последствия, возникающие в результате гидромелиорации, эрозии почв, обезлесения, опустынивания и других процессов деградации ландшафтов. Эти типы определяют преимущественно площадное (химизация) или линейно-площадное (орошение) распространение загрязнения.

Систематика агроландшафтов

Агроландшафты составляют особый отряд техногенных ландшафтов, важнейшей геохимической характеристикой которого, как и в большинстве природных ландшафтов, служит биологический круговорот атомов (бик). Но этот бик часто иной, чем в исходных биогенных ландшафтах, запасы и структура фитомассы которых полностью трансформируются. Так, при выращивании злаковых культур на фоне уменьшения общих запасов растительности резко возрастает доля надземной зеленой массы и уменьшается подземной. Первичная ежегодная продукция достигает 80 - 90% от общих запасов фитомассы, более половины ее ежегодно отчуждается с урожаем, что ведет к снижению количества гумуса. Как отмечалось, особенно сильно трансформирован круговорот азота. На пастбищах и сенокосах общие запасы фитомассы уменьшаются, но доля подземных органов увеличивается. Особенно сильные изменения структуры фитомассы происходят при чрезмерной пастбищной нагрузке и удобрении сенокосов.

По природным условиям выделяется 4 основные группы агроландшафтов.

1. Агроландшафты на месте лесных ландшафтов.

2. Агроландшафты на месте степей, саванн и лугов.

3. Агроландшафты тундр.

4. Агроландшафты пустынь.

Типы агроландшафтов. Каждая группа состоит из нескольких типов. В 1-й группе - это агроландшафты на месте влажных тропиков, тайги широколиственных лесов, во 2-й - агроландшафты черноземных степей, сухих степей, субтропических степей, саванн и т.д. По Т.И. Евдокимовой, эти группы и типы достаточно четко отличаются по особенностям биологического круговорота от групп и типов природных ландшафтов. Так, в таежной зоне растительность полей по сравнению с лесами в 4 - 6 раз больше потребляет K и Mg, в 3 раза - P, примерно в 2 раза - N, S и Ca. Однако в лесостепной зоне потребление элементов растительностью агроценозов примерно такое же, как в широколиственных лесах и луговых степях (кроме Ca, который энергичнее накапливается широколиственными деревьями). Замена разнотравно-злаковых степей полевыми ценозами приводит к уменьшению интенсивности бика большинства элементов. Потребление Ca и Mg снижается в 6 раз, S, K и N в 2 - 3 раза. Таким образом, агроландшафты природных зон различаются направленностью трансформации биологического круговорота: его скорость и интенсивность увеличиваются при замене лесных ландшафтов и уменьшаются в степях.

Соотношение между биологическим круговоротом и водной миграцией в агроландшафтах деформируется. Последняя резко активизируется - с пахотных земель поверхностным и внутрипочвенным стоками выносится в растворенной форме и в виде суспензий значительно больше химических элементов, чем с целинных водосборов. Поэтому во многих агроландшафтах баланс ряда элементов отрицателен и не компенсируется удобрениями.

Зонально-провинциальные природные факторы определяют также фоновые содержания многих элементов. Так, в целом для гумидных агроландшафтов характерны фоновые концентрации азота, агротехногенные аномалии которого относительно локальны и приурочены лишь к участкам наиболее интенсивного использования азотных удобрений, коммунальных и животноводческих отходов. В аридных агроландшафтах испарительная концентрация определяет изначально высокий региональный фон нитратов в грунтовых и поверхностных водах. Поэтому внесение высоких доз азотных удобрений здесь чаще ведет к превышению ПДК нитратов.

Эти же факторы влияют на распределение и миграцию микроэлементов. Более высокие уровни содержаний B, Br, Mo, U, V, Se в аридных агроландшафтах связаны с древней или современной испарительной концентрацией и подвижностью их анионогенных соединений в щелочной среде, что следует учитывать при внесении минеральных удобрений, например, фосфорных, содержащих некоторые из этих элементов в повышенных количествах.

В пределах типов биологический круговорот агроландшафтов больше зависит от использования земель. Пашни, сады, огороды, пастбища различаются интенсивностью техногенеза, количеством и составом вносимых минеральных и органических удобрений, соотношением биомассы, ежегодной продукции и изъятием химических элементов с урожаем. Под влиянием различных сельскохозяйственных культур происходит биогеохимическая трансформация форм химических элементов. Минеральные формы азота, фосфора, калия, тяжелых металлов в ходе бика переходят в биогенные и органо-минеральные формы. Под влиянием химизации может изменяться и водная миграция.

Наибольшие изменения испытывают ландшафты с многолетними культурами (сады, виноградники), некоторыми однолетними техническими культурами (хлопчатник), рисовые плантации с большим количеством вносимых удобрений и интенсивным применением пестицидов. Менее интенсивно действие агротехногенеза на полевые и огородные ландшафты, чайные, ягодные и ореховые плантации. Минимальна трансформация животноводческих пастбищных ландшафтов с наименьшей геохимической нагрузкой. К особому отделу, возможно, относятся ландшафты орошаемых и осушаемых территорий, однако их основные геохимические особенности определяются водной миграцией и эти ландшафты лучше выделять на уровне класса.

Биогеохимическая трансформация агроландшафтов в зависимости от использования земель изучалась Н.Ф. Мырляном в Центральной Молдавии, где агроландшафты занимают почти 2/3 территории, причем распределение техногенной нагрузки в ее пределах неравномерное. Данный регион специализируется на выращивании многолетних культур, что определило высокий уровень обработки земли, внесение больших количеств удобрений, интенсивное применение ядохимикатов. Наибольшее влияние агротехногенеза испытывают многолетние насаждения - сады и виноградники, в которых глубина вспашки достигает 1,5 м (плантаж). Большая часть садов орошается. По объему вносимых удобрений данные ландшафты не уступают землям с полевыми и техническими культурами. Главное же их отличие от других агроландшафтов состоит в интенсивном применении пестицидов, а также органических и минеральных соединений тяжелых металлов. Применение медьсодержащих препаратов значительно обогащает медью основные компоненты виноградников. В почвах ее содержание достигает 2,5.10-2%, в отдельных случаях первых долей процента. В золе листьев винограда до 0,5% меди, в поверхностных водах - до 500 мкг/л. Перераспределение техногенной меди приводит к ее накоплению в почвах и современных отложениях аккумулятивных ландшафтов. В почвах установлен техногенный малахит, в горизонтах, обогащенных этим минералом, концентрация меди достигает 1 - 2%. Высокая плотность многолетних насаждений и интенсивное применение медьсодержащих препаратов позволило выделить в Центральной Молдавии техногенную медную биогеохимическую провинцию. Меньшую техногенную нагрузку испытывают агроландшафты Центральной Молдавии с полевыми, техническими и овощными культурами. Здесь ниже уровень механической обработки почвы, меньше спектр применяемых пестицидов.

Антропогенное воздействие можно оценивать в баллах по соотношению доз минеральных удобрений, уровней загрязнения почв нестандартизованными удобрениями и количеству применяемых пестицидов (табл.11.1).

Число сочетаний этих видов воздействия, достигающее пятидесяти, можно разделить на пять градаций, соответствующих пяти основным отделам агроландшафтов:

I - со слабым - менее 3 баллов

II-- средним - 3 - 4

III - высоким - 5 - 6

IV - очень высоким - 7

V - чрезвычайно высоким уровнем воздействия - 8 - 9.

Так, к первому отделу относятся агроландшафты с малыми дозами вносимых веществ (1 + 1 + 1 баллов, 1 + 2 + 0 и т.д.), а к пятому - с высокими дозами минеральных, нестандартизованных удобрений и пестицидов (2 + 3 + 3, 3 + 2 + 3 баллов) и т.д.

Как в для естественных ландшафтах агроландшафты подразделяются по типоморфным элементам водной миграции, в основном по соотношению окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий. В ландшафтах со слабой интенсивностью химизации, без осушения или орошения, классы агроландшафтов те же, что и в исходных естественных ландшафтах. В районах интенсивного земледелия с большим количеством вносимых минеральных удобрений, осушительными или оросительными мелиорациями классы природных ландшафтов трансформируются, появляются техногенные геохимические барьеры. Степень и направленность этой трансформации зависят как от характера агротехногенеза (известкование, гипсование, виды минеральных удобрений и т.д.), так и от природных ландшафтно-геохимических условий. Например, от геохимических различий лесных и степных ландшафтов.

Таблица 11.1

Критерии оценки интенсивности антропогенного воздействия на агроландшафты (цифры - баллы)

Длительное известкование кислых почв приводит к замене кислого класса ландшафта (Н+) на переходный от кислого к кальциевому (Н+- Са 2+) и даже на кальциевый (Са+). Это ведет к трансформации всей миграционной структуры ландшафта, замещению в поглощающем комплексе обменного алюминия кальцием, уменьшению подвижности катионогенных тяжелых металлов (Pb, Zn, Cd, Cu), формированию местами карбонатного барьера в верхних и средних почвенных горизонтах, не свойственного большинству лесных почв. В результате фитотоксичность некоторых тяжелых металлов снижается. Анионогенные элементы - Mo, Cr, V, наоборот, становятся более подвижными. Агрогенное подщелачивание характерно и для старопахотных почв степей, в которых оно обусловлено появлением соды после замены степной целинной растительности агроценозами (Ф.И. Козловский).

Подкисление почв при чрезмерном внесении физиологически кислых удобрений ведет, наоборот, к увеличению подвижности, а следовательно, и токсичности тяжелых металлов. Избыточное внесение фосфорных удобрений благоприятствует связыванию некоторых элементов, например Zn и Cr, в виде слаборастворимых фосфатов (фосфатный барьер), вызывая иногда цинковое голодание растений.

Агроландшафты подразделяются по соотношению водной и механической миграции, зависящей от положения агроландшафта в катене, эрозии почв - степени их смытости или намытости (табл. 11.2).

Таблица 11.2.

Роды элементарных агроландшафтов

*Для супераквальных почв приводится не степень смытости, а намытости.

**(++) - типичная ситуация, (+) - малотипичная, (--) - не типичная.

В соответствии с этими ритериями можно выделить 10 - 12 родов элементарных агроландафтов (автономный со слабосмытыми почвами, трансэлювиальный с сильносмытыми почвами и др.) с характерными для каждого из них потерями урожая, почвенной массы, гумуса и микроэлементов (табл. 11.3).

Таблица 11.3.

Зависимость потерь урожая, почвенной массы и гумуса от смытости почв (А.Н. Каштанов, М.Н. Заславский, А.Н. Фокин)

От положения элементарного агроландшафта в катене или геохимического агроландшафта в каскадной системе зависит дальнейшая миграция загрязняющих веществ, поступающих с удобрениями и пестицидами, а также экологическое состояние ландшафта. Так, в Средней Азии хлопчатники традиционно располагаются на первой и второй надпойменных террасах, а овощные культуры занимают поймы. Подчиненное положение садово-огородных агроландшафтов ведет к их загрязнению пестицидами, соединениями азота и тяжелыми металлами, поступающими с окружающих более автономных позиций с техническими культурами и высокими дозами минеральных удобрений и пестицидов. Загрязнению супераквальных ландшафтов способствует ирригационная сеть, по которой сбрасываются оросительные и дренажные воды, обогащенные многими поллютантами. В Вахшской долине Таджикистана, дельтах Амударьи и Сырдарьи пойменные почвы и донные отложения рек и каналов, как правило, загрязнены мышьяком, селеном, молибденом и хлорорганическими пестицидами.

Латеральную сопряженность катен в агроландшафтах можно использовать для локализации загрязнения. Так, способность меди осаждаться на щелочном барьере использована Н.Ф. Мырляном для локализации ее техногенных аномалий путем создания искусственных геохимических барьеров из карбонатных материалов (известь, карбонатный щебень). Барьеры размещаются на пути движения медьсодержащих потоков в траншеях поперек склона на границе с подчиненными ландшафтами. Такие барьеры практически полностью задерживают соединения меди и других катионогенных металлов, мигрирующих с поверхностным и внутрипочвенным стоками.

Агроландшафты различаются по особенностям почвообразующих пород (на суглинках, песках, карбонатных, кристаллических силикатных породах и т.д.).

При выделении видов важно учитывать содержание в породах не только макро-, но и микроэлементов. Так, по Н.Ф. Мырляну, в Молдавии культивируемый на плиоценовых красноцветах виноград содержит повышенное количество рубидия, который определяет лучшее качество винодельческой продукции. Это может быть использовано при размещении плантаций винограда с целью получения вин, обладающих повышенным качеством. По А.И. Ачкасову, на территории большей части Московской области, где особенно интенсивно применяются минеральные удобрения, автономные пахотные почвы легкого механического состава по сравнению с фоновыми дерново-подзолистыми почвами в 1,5 - 3 раза обогащены Ag, Zn, Pb, Cu, Sn, Cr. В суглинистых почвах тех же ландшафтных позиций обогащение еще выше. К названным элементам здесь добавляются Sc, Zr, Y, Nb, Ti, Ga, сорбируемые илистыми частицами и гумусом. В почвах подчиненных агроландшафтов на суглинках за счет латеральной миграции коэффициент суммарного накопления возрастает в 3 - 4 раза и достигает 15 - 16.

По содержанию элементов, наиболее влияющих на бик, можно выделить 4 группы почвообразующих пород:

1. Породы преимущественно легкого состава с резко пониженным геохимическим фоном биологически важных элементов (аллювиальные и флювиогляциальные пески и супеси в гумидных зонах, кварциты и др.). Такие породы характерны для Полесской, Мещерской и других низменностей.

2. Породы с околокларковыми содержаниями большинства элементов - лессовидные покровные отложения, силикатные кислые, средние, основные породы и др.

3. Породы с повышенными содержаниями металлов, например, ультраосновные обогащенные в десятки раз Ni, Cr, Co, что оказывает негативное влияние на сельское хозяйство.

4. Породы с резко аномальными содержаниями элементов в районах месторождений полезных ископаемых. Их биогеохимическая специализация определяется типом месторождения (накопление органических веществ на участках угольных, нефтяных и газовых месторождений, рудных элементов на рудных полях месторождений черных, цветных, радиоактивных и других металлов).

Химизация сельского хозяйства

Для возмещения выноса химических элементов с урожаем, повышения продуктивности агроландшафтов, борьбы с сорняками, вредными насекомыми и микроорганизмами применяются минеральные и органические удобрения, пестициды и др. агрохимические средства. Как показали В.А. Ковда, В.Г. Минеев и др., химизация наряду с полезными результатами сопровождается нежелательной трансформацией круговорота и баланса химических элементов. Негативное следствие химизации - загрязнение почв, растений, вод, животных и человека азотом, фосфором, тяжелыми металлами, пестицидами. Уровень загрязнения и состав элементов-загрязнителей не одинаков в различных регионах. В целом минеральные удобрения и другие средства химизации являются мощным фактором загрязнения агроландшафтов. Это требует изучения трансформации биологического круговорота и геохимической структуры агроландшафтов, особенностей радиальной и латеральной миграций загрязнителей (R-L анализ). Необходимо также знать устойчивость и ответную реакцию ландшафта на химизацию, разрабатывать геохимическую систематику агроландшафтов.

Комплексный и региональный характер действия вносимых химических элементов на все компоненты ландшафта определяют необходимость оценки процессов миграции и концентрации загрязнителей не только на локальном уровне (в масштабе поля), чем частично занимается агрохимия, но и в более крупных территориальных системах - катенах, ландшафтах, речных бассейнах. Важно также знать заболеваемость растений, животных и человека, обусловленную агротехногенезом. Поэтому для познания агротехногенеза не достаточно агрохимии с ее углубленным акцентом на изучение системы почва - растение и влияние удобрений на продуктивность и качество сельскохозяйственной продукции. Необходим также формирующийся раздел геохимии ландшафта - агрогеохимия, основанный на синтезе ландшафтно-геохимических, биогеохимических и почвенно-агрохимических методов и подходов к изучению агроландшафтов (В.А. Ковда, В.Н. Башкин, А.И. Ачкасов, Л.А. Гришина, Н.Ф. Мырлян, Е.М. Никифорова, С.Л. Романов, Н.К. Чертко и др.).

Минеральные удобрения. Они делятся на две группы: стандартизованные, или традиционные - азотные, фосфорные, калийные, комплексные, микроудобрения, в которых содержание элементов питания растений регламентируется ГОСТами, и нестандартизованные удобрения - осадки сточных вод (ОСВ), коммунальные твердые бытовые отходы (КТБО), загрязненные речные воды (ЗРВ) и т.д. без стандартизации элементов питания. Существенно, что во всех видах удобрений не нормировано содержание большинства микроэлементов, в том числе приоритетных загрязнителей.

С азотными удобрениями вносится примерно 15 - 20% общего поступления азота в наземные агроландшафты. В СССР в 70 - 80-х годах эта доля достигла 25 - 35%. В агроландшафтах, удаленных от индустриальных источников, эти удобрения становятся основной причиной загрязнения окружающей среды соединениями азота. По В.Н. Башкину, в каскадных ландшафтно-геохимических системах бассейнов малых рек центра Русской равнины с азотными удобрениями поставляется до 50 - 70% от общего баланса азота. В районах интенсивного земледелия, например в Западной и Центральной Европе, эта доля увеличивается до 70 - 80%.

Вынос азота с сельскохозяйственной продукцией существенно колеблется. В Западной и Центральной Европе с урожаем удаляется 50 - 60% внесенного азота. На Русской равнине с продуктами растениеводства и животноводства отчуждается лишь 15 - 25% азота. Как и в естественных ландшафтах, с денитрификацией удаляется 20 - 25% азота. С боковым стоком из каскадных систем выносится еще 15 - 30% азота.

В глобальном масштабе цикл азота на пахотных землях имеет отрицательный баланс в связи с преобладанием районов экстенсивного земледелия с малыми дозами минеральных удобрений и преимущественным использованием почвенного азота. По В.Н. Башкину, с минеральными удобрениями, биологической фиксацией и атмосферными осадками в агроландшафты поступает около 120 млн. т азота в год, а расходная часть составляет 140 - 170 млн. тонн.

В районах интенсивного земледелия круговорот азота становится все более открытым, несбалансированность увеличивается. Равновесие между основными составляющими цикла сдвигается, уменьшается доля органического азота в фитомассе. В таких агроландшафтах баланс азота становится положительным, его приход на 20 - 30% превышает расход, что ведет к аккумуляции азота в почвах, сельскохозяйственной продукции, грунтовых и поверхностных водах. Во многих агроландшафтах содержание азота в этих компонентах превышает предельно допустимые нормы, что создает критические экологические ситуации. Сильное загрязнение овощей азотом характерно для супераквальных ландшафтов долин и дельт крупных рек с интенсивным овощеводством (долина Оки, дельты Волги, Амударьи, Сырдарьи и др.). Содержание нитратов и нитритов в овощах здесь во много раз превышает ПДК, которое для нитратов составляет 250 - 300 мг азота на кг сырого вещества. Особенно опасно образование в пищевых продуктах нитрозоаминов (R2NNO, где R - органические радикалы, например, CH3, C2Н 5 и др.), обладающих канцерогенными и мутагенными свойствами.

Загрязнение агроландшафтов связано и с применением фосфорных удобрений. Среди стандартизованных удобрений они содержат наиболее широкий спектр концентрирующихся химических элементов. Так, в суперфосфате кроме P обычно содержится до 1,5% F и 0,005% Cd (до 100 КК), 0,005 - 0,03% As (десятки КК), до 5 - 10 КК Y, редкоземельных элементов, Sr, Cu, Pb. Хотя с удобрениями вносится менее 5% природного запаса P в почвах, но он легко усвояем (в отличие от почв). Это обеспечивает необходимый прирост урожая и одновременно ведет к загрязнению агроландшафтов. Доля микроэлементов, поступающих с удобрениями, еще меньше. Обычно ниже и степень их усвояемости растениями. По расчетам А.И. Ачкасова, в отличие от фосфора, элементов примесей - Y, редких земель, As, Cd вносится в 1000 раз, F - в сотни раз больше, чем используется растениями. Такое поглощение этих элементов имеет как положительное (слабое загрязнение растений), так и отрицательное (загрязнение ландшафта) значение.

Одним из основных неблагоприятных следствий азотизации и фосфатизации ландшафтов является накопление соединений азота (главным образом нитратов) и фосфора в грунтовых и поверхностных водах. В результате водоемы чрезмерно обогащаются питательными веществами - происходит их эвтрофикация. Наиболее опасно загрязнение питьевых вод нитратами, нитритами и их производными, что ведет к различным заболеваниям (у детей - метгемоглобинемии и др. болезням). Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) для питьевой воды принята концентрация нитратов не более 45 мг/л (ПДК).

Микроэлементы в агроландшафтах. В Западной Европе, США и других странах с интенсивным сельским хозяйством среди тяжелых металлов основным загрязнителем является Cd, поступающий из атмосферы, вод и с фосфорными удобрениями. Несмотря на уменьшение воздушной и водной эмиссии Cd от других техногенных источников, рост количества вносимых фосфорных удобрений увеличивает загрязнение почв кадмием.

В Европе основные районы загрязнения Нидерланды, Бельгия и Северо-Западная Германия, Южная Англия, север Чехии, юг Польши, север Италии, Донбасс, Подмосковье (рис. 23.2). Все же контрастность аномалий, образующихся при внесении в почвы азотных и фосфорных удобрений, как правило, не велика. В агроландшафтах, где применяются только традиционные виды удобрений, их роль в перераспределении микроэлементов пока еще несколько ниже роли природных вод или сопоставима с ней.

Главным источником поступления тяжелых металлов в агроландшафты являются нестандартизированные удобрения. Они используются, как правило, на локальных участках вокруг крупных промышленных центров, но высокие уровни многих тяжелых металлов в этих удобрениях создают наибольшую экологическую опасность. Особенно широк спектр элементов в осадках сточных вод (ОСВ). По Ю.Е. Саету и А.И. Ачкасову, наиболее высоки коэффициенты накопления относительно фоновых почв у Cd, Ag (Кс до 200 и более), Hg, Bi, Zn, Cr, Cu, W, Sn (Кс 100 - 200). В бытовых отходах (КТБО) комплекс уже и концентрация микроэлементов ниже, среди них преобладают Hg (Кс 10 - 100), Ag, Sb, Zn, Bi, Cd, Pb (Кс около 10). При поливе загрязненными речными водами (ЗРВ) в почвы и растения поступают большие количества Ag (Кс > 100), Pb, Cd и Zn (Кс около 10). Экологическая опасность в зависимости от суммарного загрязнения микроэлементами (Zc) убывает в ряду: ОСВ (500 - 600) - КТБО, ЗРВ (100 - 200) - минеральные удобрения (50 - 70).

Аккумуляция металлов в открытом грунте слабее, чем в отходах и стоках, Zc, как правило, не превышает 20--30, что соответствует среднему уровню загрязнения. Тепличные почвы обычно сильнее загрязнены Hg, Zn, Cu с опасными для сельскохозяйственных культур уровнями суммарного накопления (Zc = 100 - 130).

Тяжелые металлы, поступающие в агроландшафты с нестандартизованными удобрениями, включаются в местные миграционные циклы и частично выносятся за его пределы. Длительное использование стоков при орошении повышает в почвах содержание Zn, Cu, Ni, Cr, Pb, Cd и Hg. Для зерновых культур особую опасность представляют Zn, Cu, Ni и Cd. Почти повсеместная загрязненность сточных вод и донных осадков серебром и оловом требует включения этих элементов в число контролируемых. С другой стороны, большая часть металлов в сточных водах связана со взвешенными частицами, поэтому Луин и Беккет считают, что они слабо доступны сельскохозяйственным культурам.

Коэффициенты концентрации тяжелых металлов в почвах и растениях, орошаемых сточными водами, относительно средних мировых кларков незагрязненных почв и сельскохозяйственных растений, рассчитанных по данным А. Кабаты-Пендиас и Г. Пендиас, образуют различные ряды загрязненности: почвы - Cu > Cd > Zn > Hg > Pb > Ni; растения - Hg > Cd > Pb > Ni > Cu > Zn. Это указывает на селективную концентрацию в растениях приоритетных токсикантов - Hg, Сd, Pb, малодоступных растениям на незагрязненных почвах. В то же время растения, по-видимому, обладают защитным механизмом против излишне высоких концентраций элементов-биофилов (Zn, Cu), аккумулирующихся во многих видах в фоновых ландшафтах. Поэтому при экологических оценках агроландшафтов необходимо учитывать видовую биогеохимическую специализацию сельскохозяйственных культур. Например, кофе концентрирует Cu (в несколько десятков раз больше, чем другие культуры), грибы - As, V и Ag, томаты - Co и Be, капуста - Co и B, свекла - Li, фасоль - Mo и B, люцерна и клевер - Sr, Ba и B. Особенно широкий комплекс элементов у салата-латука - Co, F, Cd, Hg, Fe, Zn, Cu (по А. Кабата-Пендиас и Г. Пендиас для агроландшафтов Европы и Северной Америки).

В районах интенсивного животноводства кроме промышленных отходов и стоков существенное влияние на ландшафты оказывают органические отходы животноводческих комплексов, содержащие азот, сероводород, метан, тяжелые металлы, высокие концентрации которых токсичны. В ландшафтах лесной зоны умеренного пояса контрастность аномалий, связанных с отходами, увеличивается в ряду: птицефабрики - комплексы крупного рогатого скота - свиноводческие комплексы (Н.Я. Трефилова, А.И. Ачкасов). Суммарное загрязнение почв этими отходами сопоставимо со слабым и средним загрязнением в промышленных городах (Zc = 10 - 30). В агроландшафтах южной тайги среди микроэлементов наиболее часто в животноводческих отходах, удобряемых ими почвах и выращиваемых культурах довольно высоки концентрации Zn (биогенное накопление, Кс до 5 - 10), W, Hg (лампы дневного света) и Sr (фосфатные кормовые добавки).

Пестициды. К ним относятся синтетические органические соединения, используемые для борьбы с вредными насекомыми (инсектициды), сорняками (гербициды), болезнями растений (фунгициды, бактерициды), для регуляции роста растений (дефолианты) и др. Известно более ста тысяч пестицидов, что затрудняет их аналитическую идентификацию в окружающей среде. 70 - 80% количества пестицидов применяется в Западной Европе, Японии и США. Выделяются хлорорганические (ХОП) и фосфорорганические пестициды. Многие из них, прежде всего ДДТ, не разлагаются несколько десятков лет и аккумулируются в почвах, водах, донных осадках, пищевых цепях, вредно действуя на организмы.

Пестициды уменьшают потери урожая и повышают продуктивность сельскохозяйственных культур, но с их применением связана и существенная экологическая опасность - загрязнение почв, вод и растений. Наиболее опасны для млекопитающих и человека инсектициды, менее токсичны гербициды и фунгициды. За 30 лет использование гербицидов в мире (1960 - 1990) возросло в 2 раза (Chemical pollution, 1992).

В отличие от главных элементов питания (N, P, K) и микроэлементов, повсеместно присутствующих в ландшафтах, пестициды поступают в них только в результате хозяйственной деятельности. Поэтому даже низкие их концентрации в воздухе, почвах, водах и растениях указывают на техногенез. Производство и применение пестицидов привело к глобальному загрязнению биосферы этими синтетическими соединениями. Кроме органических соединений хлора и фосфора некоторые пестициды содержат токсичные микроэлементы, в частности мышьяк.

По Ф.Я. Ровинскому, М.И. Афанасьеву и др., в фоновых ландшафтах из атмосферы поступает в среднем 1 - 3 кг/см 2.год ХОП. В поверхностных водах их содержание варьирует от 1 до сотен нг/г, в почвах оно колеблется в среднем от 1 до 10 нг/г воздушно-сухой массы и слабо варьирует по регионам. В растениях фоновые уровни ХОП лежат в пределах 2 - 10 нг/г. Повышенными содержаниями пестицидов (до 45 нг/л) отличаются лишайники и мхи.

С поверхностным стоком пестициды мигрируют в подчиненные ландшафты и аккумулируются в донных отложениях (до 20 нг/г в дельте Волги и 30 - 800 нг/г в дельте Нила). Устойчивость к деградации и разложению способствует сохранению отдельных пестицидов в донных осадках в течение десятков, а теоретически и сотен лет.

Гидромелиорации

К этому типу агротехногенеза относятся оросительные и осушительные мелиорации, в результате которых формируется новая радиальная и латеральная геохимическая структура агроландшафтов.

Орошение. Это один из мощных видов антропогенного воздействия, ведущий не только к дополнительному увлажнению, но и глубокой геохимической трансформации ландшафтов. При оптимальных природных предпосылках и нормах орошения улучшаются водный и тепловой режим почв, усиливается их микробиологическая активность, выщелачивание легкорастворимых солей уменьшает засоление почв, повышается биологическая продуктивность агроландшафта.

В результате искусственного орошения значительная часть территории Азии, Африки, Америки и Австралии превращена в оазисы - антропогенные ландшафты с новыми почвами, климатом, биологическим круговоротом химических элементов. Геохимия оазисов - одно из важнейших научных и практических направлений исследований ландшафтов сухих степей и пустынь.

Основное и широко-распространенное негативное геохимическое следствие орошения в степях и особенно в пустынях Средней Азии, Закавказья, Индии, Пакистана, США - поднятие уровня грунтовых вод до критической глубины, ведущее к вторичному засолению почв. В результате кальциевый и кальциево-натриевый классы водной миграции естественных ландшафтов трансформируются в солонцово-солончаковый и солончаковый классы с сульфатным магниево-кальциевым и сульфатным натриевым составом вод. В засоленных почвах формируются испарительные геохимические барьеры, на которых концентрируются не только легкорастворимые соли натрия, хлора и серы, но и Sr, Mo, B, F, Se, Br, Y и другие микроэлементы, что также может оказывать неблагоприятное действие на организмы. Другое негативное следствие орошения - засоление грунтовых и поверхностных вод минерализованными (2 - 8, до 20 г/л) дренажными стоками орошаемых массивов. Это привело к трансформации химического состава крупнейших рек Средней Азии. По Н.Ф. Глазовскому, минерализация вод р. Сырдарьи повысилась в низовьях от 0,8 г/л в 1960 г. до 2,8 г/л в 1985 г., ионный состав из гидрокарбонатно-кальциевого стал сульфатно-натриевым. Возросло и содержание тяжелых металлов, пестицидов. Испарительная концентрация загрязненных грунтовых вод усиливает контрастность аномалий многих микроэлементов на F геохимических барьерах.

В солонцовых агроландшафтах для снижения высокой щелочности почв применяют особую мелиорацию - гипсование, ведущее к смене содового класса водной миграции на менее щелочной - кальциево-натриевый, гипсовый. Это способствует уменьшению подвижности многих анионогенных элементов и комплексообразователей и накоплению стронция, высокие концентрации которого характерны для гипса.

В черноземных степях и лесостепях распашка и орошение автономных черноземов приводит к усилению латеральной миграции воды и "мочаризации" - появлению на склонах пятен переувлажненных почв и "висячих болот" - мочаров, с тростниками и другой влаголюбивой растительностью. Здесь формируется комплекс геохимических барьеров (окислительный, сорбционный, испарительный, биогеохимический), на которых повышается концентрация многих химических элементов (Ф.И. Козловский).

В ландшафтах с избыточным увлажнением (Полесье, Мещера и др.) необходимы осушительные мелиорации. При этом изменяются главным образом окислительно-восстановительные условия заболоченных почв. Более энергичное разложение органических веществ ведет к усилению биологического круговорота, увеличению подвижных форм азота, фосфора и некоторых микроэлементов. В частности, доля нитратного азота по сравнению с аммонийным возрастает в пахотном горизонте в 20 раз. Все это сопровождается ростом минерализации грунтовых вод, снижением содержания в них РОВ, усилением водной миграции кальция, фосфора, натрия, калия. По И.А. Авессаломовой и К.Н. Дьяконову, в Мещере под влиянием осушения и, как следствие, улучшения кислородного режима лесоболотные и луговые супераквальные ландшафты кислого глеевого класса трансформируются в ландшафты кислого класса. В почвах глеевая обстановка смещается в глубину - на границе окислительных и восстановительных горизонтов формируются кислородно-сорбционные геохимические барьеры А 6 - G6. На них накапливаются гидроксиды железа и марганца, а также V, Ni Co и Cu. После осушения некоторых болотных почв, содержащих сульфиды железа, в результате их окисления формируются резко кислые почвы с рН < 3.

Для осушенных торфяников Белоруссии характерен дефицит меди и болезни растений, ликвидируемые применением медных микроудобрений.

Прочие виды агротехногенеза

Распашка почв. Она ведет, с одной стороны, к их рыхлению и необходимому водному режиму, а с другой - к уплотнению поверхности почвы механизмами, снижению ее водопроницаемости и усилению латеральной миграции веществ - эрозии почв. С пахотой связано также загрязнение почв железом и другими металлами, органическими соединениями (нефть, мазут, ПАУ) в результате работы средств механизации.

Обезлесение. Во влажных тропиках Бразилии, Колумбии, Таиланда, Индонезии, Вьетнама, Филиппин и других стран в результате вырубки площадь лесов ежегодно уменьшается на 12 млн. га. В индустриальных странах обезлесение связано также с загрязнением атмосферы, главным образом с кислотными осадками, вызывающими суховершинность деревьев. Глобальный геохимический эффект обезлесения - поступление дополнительного количества СO2 в атмосферу за счет сгорания древесины и уменьшения возможности его поглощения растениями при фотосинтезе. Обезлесение гумидных лесных ландшафтов ведет к увеличению площади пашни и интенсификации эрозионных процессов, а также к резкому уменьшению биомассы, сосредоточенной в деревьях.

Эрозия почв. С талыми и дождевыми водами связана водная эрозия, с деятельностью ветра - ветровая. В агроландшафтах скорость эрозии в сотни и тысячи раз больше, чем в естественных условиях, что привело к существенной потере или ухудшению земельного фонда почти на половине мировой пашни. В лесной зоне, лесостепях и влажных саваннах преобладает водная эрозия, в сухих саваннах, степях и пустынях - ветровая. По данным ФАО/ЮНЕП, на Ближнем Востоке 17% обрабатываемых земель подвержены водной, 35% - ветровой эрозии. В России большие работы по изучению эрозионно-аккумулятивных процессов ведутся географическим факультетом МГУ (Н.И. Маккавеев, М.Н. Заславский, С.П. Горшков, Г.А. Ларионов, Р.С. Чалов и др.).

Ландшафтно-геохимическим следствием антропогенной эрозии почв является интенсификация механической и физико-химической миграции элементов. Из эродируемых автономных и трансэлювиальных ландшафтов выносятся минеральные соединения (до десятков тонн с гектара в год), гумус, содержащие элементы питания растения, микроэлементы. Часть этих веществ накапливается непосредственно за пределами пашни, часть выносится в подчиненные ландшафты овражно-балочной сети и местные водоемы и включается в дальнейшие циклы латеральной бассейновой миграции.

Эрозия почв - один из мощнейших факторов обмеления и загрязнения водоемов, куда поступают избыточные количества глинистой фракции, азота, фосфора, пестицидов, тяжелых металлов. В США с эрозией почв связано поступление в водоемы 90% глинистой фракции и 53% фосфора. Деградация подчиненных агроландшафтов в результате эрозии загрязненных удобрениями или промышленными выпадениями автономных и трансэлювиальных ландшафтов усугубляется нелинейным и нестабильным характером эрозионных процессов.

При изучении эрозионных процессов большую роль играет комплексное почвенно-эрозионное и ландшафтно-геохимическое картографирование.

Опустынивание ландшафтов. В степях и саваннах оно выражается в разряжении растительности, уменьшении ее продуктивности, усилении ветровой эрозии и др. По П.Д. Гунину, природное опустынивание ведет к ослаблению водной и усилению воздушной миграции элементов, увеличению фитогенного засоления и подщелачивания почв, оглинению почв, росту латеральной миграции веществ, опесчаниванию, возрастанию роли воздушной миграции пыли, замоховению с подкислением верхних горизонтов почв и снижением их щелочности.

Антропогенное опустынивание связано с перевыпасом скота и вырубкой лесов. Это ведет к уменьшению биомассы и видового разнообразия, усилению воздушной и водной эрозии, т.е. механической миграции, к разрастанию подвижных песков, сокращению водных ресурсов, ухудшению качества питьевой воды, антропогенному отакыриванию, усилению латеральной миграции элементов и др. Ландшафтно-геохимические следствия опустынивания изучены еще слабо.

Деградация агроландшафтов. Совокупное воздействие загрязнения, эрозии почв, обезлесения, опустынивания и т.д. приводят к ухудшению состояния агроландшафта, в первую очередь к снижению плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции. Деградация агроландшафтов ведет и к ухудшению условий жизни населения, вызывает специфические заболевания, связанные с неблагоприятным воздействием на организм соединений азота, фосфора, пестицидов, тяжелых металлов, диоксинов и т.д.

Размещено на Allbest.ru