Л.И. Егоренков, Б.И. Кочуров
Геоэкология
Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005. - 320 с.
Глава 2. Антропогенное преобразование ландшафтов (геосистем)
2.6. Функционирование геосистем в условиях антропогенеза
2.6.1. Природная устойчивость и самоочищающая способность геосистем
Под устойчивостью геосистем обычно понимается их способность
испытывать внешние воздействия без разрушения. Причем геосистема способна не
только сохраняться от внешних воздействий, но и поддерживать
возвратно-поступательное развитие.
Суммарная устойчивость естественных геосистем, в конечном
счете, обусловлена наложением и взаимодействием зональных и азональных факторов
природной среды.
Механизм устойчивости и самоочищающей способности геосистем
изучен недостаточно.
Самоочищающая способность атмосферы (ССА). К основным
факторам, способствующим самоочищению атмосферы, относится продолжительность
(число дней) ветра со скоростью более 15 м/сек и осадки более 5 мм.
Комплексные влияния метеофакторов на загрязнение воздуха
оцениваются четко выраженными синоптическими ситуациями. Так, высокое
загрязнение соответствует стационарным антициклонам, а прохождение активных
циклонов способствует очищению атмосферы. Кстати, этот принцип лежит в основе
прогнозирования условий рассеивания примесей и оправдывает себя на период
сохранения того или иного барического образования.
Однако кроме краткосрочного прогноза условий рассеивания
выбросов, важной задачей является и оценка территории по степени природной
способности атмосферы к самоочищению. Для этих целей используются многолетние
климатические данные. Более полная оценка метеорологического потенциала
загрязнения территории может быть получена с учетом ССА, в зависимости от скорости
ветра и осадков.
Оценка состояния воздушного бассейна, определяемая по
среднегодовым значениям, может быть существенно уточнена, если использовать
сезонные данные.
Так, например, для оценки территории Тувы по степени
природной способности к самоочищению был использован метод, примененный при
оценке рекреационных ресурсов климата бассейна оз. Байкал в 1987 г. Продолжительность
климатических условий (число дней), как способствующих самоочищению атмосферы,
так и препятствующих этому, были нормированы относительно всего ряда значений,
наблюдающихся на территории Тувы отдельно по сезонам. Отношение суммы
нормированных значений факторов, благоприятствующих рассеиванию примесей, к
сумме увеличивающих загрязнение будет величиной климатического потенциала самоочищения
атмосферы, который дает возможность сделать качественную оценку территории по
степени природной способности атмосферы к самоочищению, а его численное
выражение показывает вклад каждого из факторов в их общем влиянии на состояние
загрязнения атмосферы. Величина потенциала зависит от определенного сочетания
климатических параметров, так или иначе влияющих на загрязнение.
Самоочищающая способность почв зависит в основном от
ее физических, химических и биологических свойств.
Присутствие глины и гумусовых веществ раздельно или в
соединении придает почве адсорбционную способность, которая в зависимости от
механизмов этого процесса подразделяется на два больших класса: ионообменную и
молекулярную адсорбцию. Ионообменная адсорбция включает катионный обмен,
происходящий в основном благодаря отрицательным электрическим зарядам илистых
частиц, кислотных групп веществ, а также корней растений; анионный обмен,
происходящий в основном благодаря присутствию гидроокисей металлов АlOН3, FeOH3,
каолинита и других минералов, обладающих анионным обменом. Адсорбируемые
молекулы нейтральны и удерживаются на поверхности илистых частиц и гумусовых
коллоидов двухполюсными силами, водородными связями и дисперсионными силами.
Из ионов, содержащихся в почвенном растворе, особенно важны
ионы водорода Н\ Концентрация этих ионов определяет реакцию почвы (рН) и служит
показателем кислотности или щелочности почвы. Этот показатель почвы зависит от
ионного обмена с минеральными и органическими коллоидами и наличия карбонатов
кальция, натрия и т.д. Реакция почв (рН) варьирует от 3,5 (сильно кислая) до 11
(сильно щелочная). Сильное закисление почвы - нежелательный эффект, поскольку в
этом случае появляется токсичный растворимый алюминий и снижается
жизнедеятельность микроорганизмов: чем больше кислотность почв, тем выше,
например, адсорбция тяжелых металлов в растениях, а особенно кадмия.
Высокая емкость обмена катионов придает почве устойчивость к
изменению рН среды и состава катионов, а соответственно и высокую буферность.
Буферность почвы зависит, в свою очередь, от наличия в ней коллоидов.
Под влиянием органических комплексообразователей
(продуцируемых при разложении наземного опада) в почвах также довольно широко
распространены процессы комплек-со- и хелатообразования, в результате которых
существенно Изменяются свойства молекул и ионов, участвующих во взаимодействии.
Так, например, ионы металлов, входящие в состав комплексных соединений типа
хелатов, могут полностью утратить способность к обменному поглощению почвой и
существенно увеличивать способность к перемещению в составе почвенного
раствора.
Важную роль играют также процессы физико-химического
разложения, которое наиболее хорошо изучено для органических пестицидов,
молекулы которых распадаются на более простые соединения. Известно, что в этом
распаде определенную роль может играть гидролиз (с участием гидролитических
ферментов, образующихся микробиологическим путем). В распаде ряда пестицидов в
почвах определенная роль отводится и фоторазложению (распаду вещества,
находящегося на поверхности почвы, под влиянием солнечного света). Однако данный
процесс изучен недостаточно.
В качестве показателя скорости разложения органических
веществ в почвах можно использовать предложенный Н. Базилевич и Л. Родиным в
1969 г. опадо-подстилочный коэффициент (Кп), равный отношению веса запасов
неразложившихся органических остатков, накопившихся на поверхности почвы, к
весу ежегодного наземного опада зеленых частей растений или к весу всего
ежегодного наземного опада.
Значение опадо-подстилочных коэффициентов по ландшафтным
зонам и подзонам убывает с севера на юг в соответствии с нарастанием и
теплообеспеченностью почв. Особенно медленно разлагаются органические остатки в
тундре, где коэффициент составляет 40-70. Эти значения в 2-3 раза выше, чем в
северной тайге, что соответствует различиям в теплообеспеченности почв и
воздуха этих территорий, сильно падая в средней и особенно в южной тайге, а в
лесной и лесостепной зонах достигают наименьших значений.
Для выяснения географических различий в скорости разложения
органических веществ наибольший интерес представляет сопоставление значений
опадо-подстилочных коэффициентов для одних и тех же растительных сообществ, но
находящихся в различных зонах и подзонах. Например, скорость разложения для
березняков в лесотундре составляет 14 лет, в южной тайге - 1 год; для ельников
северной тайги скорость разложения опада свыше 20 лет, а южной - около 7 лет и
т. д.
Если относительную скорость разложения органических веществ
в темно-серых лесных почвах, выщелоченных и оподзоленных черноземах принять за
единицу, то для дерново-подзолистых почв она составит 0,6-0,4; для подзолистых
0,3-0,2; для подзолисто-болотных - 01-0,05. Скорость разложения особенно мала в
тундрово-глеевых и торфяно-болотных почвах, где загрязняющие органические
вещества могут сохраняться десятки и сотни лет.
Существенно уменьшается скорость разложения органических
веществ в пределах одной и той же зоны при ухудшении аэрации почв, связанной с
периодическим или постоянным переувлажнением.
Поэтому следует ожидать, что наличие переувлажненных и
заболоченных почв сильно ухудшает условия разложения поступающих в ландшафт
органических веществ. Особенно медленное разложение и длительную консервацию
загрязняющих органических веществ (в частности, битумоидов) следует ожидать на
всех болотных массивах, где темп разложения природных органических веществ
настолько мал, что возраст полуразложившихся торфяных толщ в их нижних
горизонтах измеряется тысячелетиями.
Биологические свойства почвы определяются почвенной
фауной и микроорганизмами. Численность бактерий, например, может достигать 7-8
млрд в 1 г продуктивной почвы. Как и большинство живых организмов, почвенные
организмы могут оказывать положительное, нейтральное и негативное воздействия.
При этом организмов, оказывающих на почвы положительное воздействие, больше,
чем вредных. Почвенные микроорганизмы, в частности, разлагают гербициды,
фунгициды и инсектициды и другие химические вещества, попавшие в почвы. К
сожалению, некоторые пестициды токсичны и для отдельных полезных микроорганизмов.
Исследованиями последних лет установлено, что сорбционные
свойства почв и активность микроорганизмов являются основными факторами
деградации ксенобиотиков.
В Институте почвоведения и фотосинтеза Российской Академии
наук (РАН) (г. Пущино, Московская область) были проведены исследования по
способности почв к самоочищению от остатков пестицидов.
В опытах с гербицидами 24-Д и симазином было установлено,
что интегральным показателем биодеградации этих пестицидов в почве может
служить ее кислотность, а остальные почвенные характеристики являются второстепенными.
В зависимости от кислотности изменяются и основные факторы, от которых зависит
разложение ксенобиотиков. Так, в кислотных почвах вследствие изменения
структуры гумуса усиливается сорбция ксенобиотиков и снижается активность
почвенной микрофлоры.
Данные по самоочищающей способности почвы от остатков
пестицидов являются основой для рационального их применения и минимизации
накопления остаточных количеств ксенобиотиков как в почве, так и продуктах
урожая.
Самоочищающая способность водных объектов.
Естественное самоочищение воды складывается из совокупности физических,
химических и биологических процессов, приводящих к устранению из воды
загрязняющих веществ и восстановлению ее первоначального химического состава и
видового состава населяющих ее гидробионтов. Самоочищению рек способствуют
также процессы аэрации, приводящие к насыщению водных струй кислородом.
В самоочищении водоемов участвуют все водные организмы.
Предпосылкой самоочищения водоемов служит присутствие в воде тех видов и
штаммов микроорганизмов, которые способны участвовать в необходимых для этих
целей реакциях, прежде всего окислении.
Если в природную воду попадают органические вещества, то
первыми включаются в борьбу с ними бактерии, водные грибы и планктонные
водоросли. Органические загрязнения частично окисляются до СО2 и Н2О,
а частично усваиваются микроорганизмами (ассимилируются), превращаясь в живое
вещество.
В свою очередь, микроорганизмы сами становятся пищей для
простейших (например, инфузорий).
Некоторые бактерии, распространенные в водоемах, играют
основную роль в круговороте азота (протеолиты, амонификаторы, нитрификаторы,
денитрификаторы, азотофикси-рующие бактерии) и углерода (кислотообразователи,
щелочеобразователи, нейтральные). Присутствие этих микроорганизмов в воде
является показателем активных процессов бактериального самоочищения водоемов.
Таким образом под действием бактерий и других
микроорганизмов в поверхностных и грунтовых водах происходит распадение и обеззараживание
органических загрязнений в результате окисления, т. е. процесс биохимического
самоочищения.
Большое значение в самоочищении водоемов имеют животные типа
моллюсков, которые пропускают через себя сравнительно большое количество воды и
удаляют из нее не только взвешенные вещества, но и микроорганизмы, в числе
которых возможны и возбудители опасных болезней. Так, рядовые моллюски пресных
вод средних широт - перловица и беззубка — пропускают через себя до 20 - 30
литров воды в сутки. Эксперименты показали, что 20 - 25 перловиц могут очистить
в сутки 400 литров воды. А это суточная оптимальная норма расхода человеком
воды на бытовые нужды.
В отдельных местах дна р. Оки приходится до 160 шт.
перловиц. И хотя вода в Оке за последние 35 лет стала грязнее, в то же время за
этот период число моллюсков-фильтра-торов выросло в 200 раз. На участке реки шириной
200 - 250 м Моллюски способны очистить воду, достаточную для города в 100 тыс.
жителей. Необходимость разведения таких моллюсков очевидна. Однако вместо этого
на Оке в районе г.Пущино моллюсков добывают для производства пуговиц.
Отрицательно влияют на жизнедеятельность моллюсков и значительное загрязнение
воды сельскохозяйственными ядохимикатами.
Крупные макрофиты, тростник, рогоз, камыш, аир, ежеголовка и
др. способны извлекать из воды в большом количестве азот, фосфор, кальций,
натрий, серу, железо, кремний и этим предупреждать и снижать эвтрофикацию
(«цветение») водоемов.
В то же время совершенно не выносят загрязнения и быстро
исчезают различные осоки, кувшинки, кубышки и другие водные растения.
Поверхностные и подземные воды взаимосвязаны. Крупные и
средние реки дренируют грунтовые и артезианские воды. В свою очередь линейная
фильтрация воды через русла поверхностных водотоков создает взаимосвязь поверхностных
вод с потоком подземных вод.
Аэрация происходит более интенсивно в быстродвижущихся
потоках, поэтому, например, уменьшилась самоочищающая способность реки Москвы в
черте города после подпора ее Перервинской плотиной. В результате этого подпора
средняя скорость течения реки резко сократилась - до 0,1-0,4 м/с. При полном же
раскрытии плотины, которое возможно лишь в многоводные годы, скорость течения
приближается к естественной и возрастает до 1-1,5 м/с.
Замедление скорости воды в реке Москве привело также к
накапливанию органических осадков в приплотинных участках Перервинского
гидроузла. В 1938 - 1943 гг. в акватории Южного порта столицы еще вполне определенно
проявлялись процессы самоочищения воды - уменьшалось количество взвешенных
частиц и значений БПЮ. С течением времени по мере накопления осадков процессы
самоочищения здесь стали ослабевать. Осадки начали подвергаться анаэробному
(без доступа воздуха) разложению и гниению, продукты которых поступали в воду.
Образовался мощный вторичный очаг загрязнения, который вызывал увеличение
окисляемости и БПК5. В зоне с умеренным климатом самоочищение реки
обычно отмечается через 200-400 км от источника загрязнения, а в реках северных
зон очищение происходит уже на расстоянии более 2000 км.
|