Химическое загрязнение и охрана почв

В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1,5 млрд га земель, а общие потери почв за историю человечества составили около 2 млрд га, т. е. потеряно больше, чем теперь распахивается, причем многие почвы перешли в разряд непригодных бросовых земель, восстановление которых или невозможно, или слишком дорого стоит.

Насчитывают не менее шести типов антропогенно-технических воздействий, которые могут вызвать разного уровня ухудшение почв:

• 1) водная и ветровая эрозия;
• 2) засоление, подщелачивание, подкисление;
• 3) заболачивание;
• 4) физическая деградация, включая уплотнение и коркообразован ие;
• 5) разрушение и отчуждение почвы при строительстве, добыче полезных ископаемых;
• 6) химическое загрязнение почв.

Охрана почв заключается в том, чтобы предотвратить или свести к минимуму все виды разрушения почв и (или) почвенного покрова.

Химическое загрязнение почв может быть вызвано следующими причинами:

• • атмосферным переносом загрязняющих веществ (тяжелые металлы, кислые дожди, фтор, мышьяк, пестициды);
• • сельскохозяйственным загрязнением (удобрения, пестициды);
• • наземным загрязнением — отвалы крупнотоннажных производств; отвалы топливно-энергетических комплексов;
• • загрязнением нефтью и нефтепродуктами.

Тяжелые металлы. Этот вид загрязняющих веществ начали изучать одним из первых. К тяжелым металлам обычно относят элементы, которые имеют атомную массу более 50. Они поступают в почву преимущественно из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец — с выхлопными газами автомобилей. Описаны случаи, когда большие количества тяжелых металлов попадали в почву с оросительными водами, если выше водозабора в реки сбрасывались сточные воды промышленных предприятий. Наиболее типичные тяжелые металлы — свинец, кадмий, ртуть, цинк, молибден, никель, кобальт, олово, титан, медь, ванадий.

Если почва прочно связывает тяжелые металлы (обычно в богатых гумусом тяжелосуглинистых и глинистых почвах), это предохраняет от загрязнения грунтовые и питьевые воды, растительную продукцию. Но тогда сама почва постепенно становится все более загрязненной, и в какой-то момент может произойти разрушение органического вещества почвы с выбросом тяжелых металлов в почвенный раствор. В итоге такая почва окажется непригодной для сельскохозяйственного использования. Общее количество свинца, которое может задержать метровый слой почвы на одном гектаре, достигает 500—600 т; такого количества свинца даже при очень сильном загрязнении в обычной обстановке не бывает. Почвы песчаные, малогумусные, устойчивы против загрязнения; это значит, что они слабо связывают тяжелые металлы, легко отдают их растениям или пропускают их через себя с фильтрующимися водами. На таких почвах возрастает опасность загрязнения растений и подземных вод. В этом заключается одно из трудноразрешимых противоречий: легко загрязняющиеся почвы предохраняют окружающую среду, но почвы, устойчивые к загрязнению, не обладают защитными свойствами в отношении живых организмов и природных вод.

Если почвы загрязнены тяжелыми металлами и радионуклидами, то очистить их практически невозможно. Пока известен единственный путь: засеять такие почвы быстрорастущими культурами, дающими большую зеленую массу; такие культуры извлекают из почвы токсичные элементы, а затем собранный урожай подлежит уничтожению. Но это довольно длительная и дорогостоящая процедура. Можно снизить подвижность токсичных соединений и поступление их в растения, если повысить pH почв известкованием или добавлять большие дозы органических веществ, например торфа. Неплохой эффект может дать глубокая вспашка, когда верхний загрязненный слой почвы при вспашке опускают на глубину 50—70 см, а глубокие слои почвы поднимают на поверхность. Для этого можно воспользоваться специальными многоярусными плугами, но при этом глубокие слои все равно остаются загрязненными. Наконец, на загрязненных тяжелыми металлами (но не радионуклидами) почвах можно выращивать культуры, не используемые в качестве продовольствия или кормов, например цветы.

Кислотные дожди. Выпадение дождей или других атмосферных осадков с высокой кислотностью — обычный результат выброса в атмосферу продуктов сжигания топлива (угля), а также выбросов металлургических и химических заводов. В составе таких выбросов много диоксида серы и (или) оксидов азота; при взаимодействии с водяными парами атмосферы они образуют серную и азотную кислоты (см. гл. 5). Действие кислотных дождей на почвы неоднозначное. В северных, таежных зонах они увеличивают вредную кислотность почв, способствуют повышению содержания в почвах растворимых соединений токсичных элементов — свинца, алюминия. При этом усиливается и разложение почвенных минералов. Реальный путь борьбы с подкислением таежных почв — установка на заводских трубах фильтров, перехватывающих оксиды серы и азота. Для борьбы с подкислением почв можно использовать также известкование.

Однако кислотные дожди в ряде случаев могут быть и полезны. В частности, они обогащают почвы азотом и серой, которых на очень больших территориях явно недостаточно для получения высоких урожаев. Если же такие дожди выпадают в районах распространения карбонатных, а тем более щелочных почв, то они снижают щелочность, увеличивая подвижность элементов питания, их доступность растениям. Поэтому полезность или вредность каких-либо выпадений нельзя оценивать, но упрощенным однозначным критериям, а необходимо рассматривать конкретно и дифференцированно по типам почв.

Промышленные отвалы. Атмосферные выбросы, содержащие оксиды различных токсичных металлов и неметаллов, распространяются на большие расстояния, измеряемые десятками и сотнями километров. Поэтому вызываемые ими загрязнения имеют региональный, а иногда и глобальный характер. В противоположность этому крупнотоннажные отходы различных производств, отвалы гидролизного лигнина, золы тепловых электростанций, отвалы при добыче угля оказывают преимущественно локальное влияние. Такие отвалы занимают немалые площади, выводя из пользования земельные угодья, а многие из них представляют вполне конкретную опасность для окружающей среды. Отвалы угольных шахт содержат немало угля, он горит, загрязняя атмосферу. Отвалы многих горных пород содержат пирит FeS₂, который самопроизвольно на воздухе окисляется до H₂S0₄; в период дождей или снеготаяния последняя легко образует не только сильнокислые территории, но даже озерца серной кислоты в окрестностях горных выработок. Единственный путь нормализации экологической обстановки в таких местах — выравнивание отвалов, их землевание, залужение, лесные посадки.

Многие местные органические отходы, такие как гидролизный лигнин, птичий помет, свиной навоз, можно превратить или в хорошие компосты, или в так называемый биогумус (вермикомпост). В основе последнего способа лежит быстрая переработка органических отходов некоторыми гибридами красных земляных червей, так называемая вермикультура (от латинского vermis — червь). Черви пропускают через кишечник все растительные остатки, превращая их в черноземоподобную массу, очень плодородную, практически без запаха, в которой содержится много гуминовых кислот.

Нефть и нефтепродукты. Нефтяное загрязнение почв относится к числу наиболее опасных, поскольку оно принципиально изменяет свойства почв, а очистка от нефти очень сильно затруднена. Нефть попадает в почву при различных обстоятельствах: при разведке и добыче нефти, при авариях на нефтепроводах, при авариях речных и морских нефтеналивных судов. Различные углеводороды попадают в почву на нефтебазах, бензозаправках и т.н. Последствия для почв, вызванные нефтезагрязнением, можно без преувеличения назвать чрезвычайными. Нефть обволакивает почвенные частицы, почва не смачивается водой, гибнет микрофлора, растения не получают должного питания. Наконец, частицы почвы слипаются, а сама нефть постепенно переходит в иное состояние, ее фракции становятся более окисленными, затвердевают, и при высоких уровнях загрязнения почва напоминает асфальтоподобную массу. Бороться с таким явлением очень трудно. При малых уровнях загрязнения помогает внесение удобрений, стимулирующих развитие микрофлоры и растений. В результате нефть частично минерализуется, некоторые ее фрагменты входят в состав гуминовых веществ и почва восстанавливается. Но при больших дозах и длительных сроках загрязнения в почве происходят необратимые изменения. Тогда наиболее загрязненные слои приходится просто удалять.

Хорошо слаженные почвенные химические системы формировались долгие годы; особенно много времени требуется в неблагоприятных климатических условиях, при скудной растительности, иод еловыми лесами.

Нужны сотни лет для формирования высокобуфериых почвенно-генетических химических систем, которые придают почвам способность противостоять колебаниям климата и растительности. Такая буферность обусловлена высоким разнообразием химических соединений в почвах, многие из которых обладают различными свойствами. Все это позволяет почвам оптимально обеспечивать устойчивое состояние биоценоза в целом.

В сельскохозяйственных почвах частично нарушается природное равновесие, а химический состав почв не полностью отвечает требованиям выращиваемых культур, часть химических элементов отчуждается с урожаем, органическое вещество частично минерализуется. Поэтому в пахотных почвах приходится пополнять запас химических элементов и (или) их соединений путем внесения минеральных и органических удобрений. С помощью удобрений и мелиоративных приемов удается значительно улучшить физические свойства почв, их химический состав, повысить плодородие. В этом случае говорят об окультуривании почв.

Если изменения почв при сельскохозяйственном использовании сравнительно легко поддаются контролю и при научно обоснованном землепользовании можно добиться сохранения и даже улучшения почв, то химическое загрязнение может приводить к необратимым изменениям почв, их разрушению.

Если формирование зрелых почв требует сотен или тысяч лет, то необратимая деградация или полное уничтожение почвы могут произойти за несколько лет. Разрушить почву легко, создать заново трудно. И в этом отношении есть существенные различия между разными оболочками Земли.

Загрязнение атмосферы опасно, но сильные ветры быстро меняют ситуацию.

Загрязнение гидросферы нередко бывает более стойким, чем загрязнение атмосферы, но и реки, и моря рано или поздно рассеивают загрязняющие вещества, в чем активно помогают течения и обновление вод.

В почвах медленнее накапливаются токсичные уровни загрязняющих веществ, но зато они долго в ней сохраняются, негативно влияя на экологическую обстановку целых регионов. Поэтому охрана почв — дело первоочередной важности, хотя влияние загрязнения почв бывает не столь заметным и очевидным, как загрязнение атмосферы и гидросферы.

Контрольные вопросы

• 1. Какими факторами обусловлено разнообразие почв на земном шаре?
• 2. От чего зависит способность почв сопротивляться антропогенному изменению окружающей среды?
• 3. В чем сущность процесса гумификации? От каких факторов он зависит?
• 4. Какими причинами может быть вызвано химическое загрязнение почв?
• 5. Каковы главные особенности физико-химических процессов, происходящих в почве?
• 6. Какие факторы определяют оптимальное значение pH почвы?
• 7. Какие вещества можно использовать для раскисления почв?