Функционирование ландшафтов. 
Функционирование ландшафтов

Функционирование ландшафтов

Открытость любых геосистем, а также их функционирование обеспечивают круговорот веществ, знание которого необходимо для оценки техногенных воздействий на природные системы, в том числе и при природообустройстве. Различают абиотический (геологический) и биотический (биогенный) круговороты. Геологический круговорот складывается из круговорота воздушных масс или газов, вод во всех формах (жидкая, парообразная, твердая), масс литосферы в твердом или растворенном виде.

При описании круговорота веществ и энергии в природе и в техноприродных системах используют следующие основные законы:

Движение твердых тел подчиняется второму закону Ньютона, по которому ускорение движения твердого тела прямо пропорционально сумме сил F, Действующих в направлении движения, и обратно пропорционально массе тела М:

dv / dt = F / M,.

где v —скорость; t— время;

Плотность теплового потока, т. е. потока через единичную площадь в единицу времени, определяют по закону теплопроводности Фурье.

Постоянный электрический ток в проводнике (поток электронов проводимости) описывается законом Ома.

Процесс диффузии в растворах, т. е. установление равновесного распределения концентраций, в простейшем случае (при постоянной температуре и отсутствии внешних электрических полей и других внешних сил) описывается вторым законом Фика.

Медленное (ламинарное) течение жидкости через пористую среду со скоростями, измеряемыми сантиметрами или миллиметрами в сутки, т. е. фильтрация или влагоперенос, описывается законом Дарси: скорость фильтрационного потока, или единичный поток жидкости через единицу поверхности пористой среды Водные потоки в руслах рек, в каналах, в трубах имеют большую скорость, измеряемую метрами или десятками сантиметров в секунду, вследствие этого они сильно завихрены, турбулентны и на перемещение водных масс в таком режиме требуется больше работы, совершаемой внешними силами. Они подчиняются другому закону — Шези: единичный поток воды.

Сравним: для увеличения скорости фильтрационного (ламинарного) потока в 2 раза градиент напора надо увеличить во столько же раз, а для турбулентного водного потока — в 4 раза.

К фундаментальным законам природы относятся также законы сохранения вещества, энергии, количества движения.

Приведенные фундаментальные законы позволяют получать уравнения движения веществ, переноса тепла или электрического тока в дифференциальной форме, рассматривая их баланс в бесконечно малом объеме за бесконечно малое время. Законы движения используют для подсчета прихода вещества (тепла, электричества) в малый объем и расхода. Дифференциальные, а иногда и интегро-дифференциальные уравнения решают или аналитически (для простых случаев), или чаще численно с помощью ЭВМ.

Структура дифференциальных уравнений зависит от учета других факторов, вызывающих перенос. Например, при описании передвижения токсичных солей, тяжелых металлов или радионуклидов в почвах и в грунтах надо учитывать не только их диффузию за счет разности концентрации, но и перенос ионов потоком влаги, возможность их сорбции твердой фазой, образование нерастворимых форм, поглощение корнями растений.

Применительно к загрязнению почв и грунтов соединениями азота (нитраты и аммонийные формы) помимо указанных надо учитывать процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации, происходящие в почве в результате биохимических процессов.

При многокомпонентных потоках веществ и энергии в почвах и грунтах применяют уравнения термодинамики необратимых процессов. Причина возникновения необратимых потоков — неоднородность в пространстве температуры и химического (парциального) потенциала компонентов раствора. Эта теория позволяет строго формально рассматривать так называемые перекрестные процессы, когда, например, изменение внешнего давления на водное тело приводит не только к движению воды, но и растворенных в ней веществ, конвективному переносу тепла, изменению электрического поля; изменение температуры на внешних границах приводит не только к ее перераспределению внутри области, но и вызывает передвижение влаги и растворенных веществ и т. д. Это объясняется единством природных процессов. В каждом конкретном случае специалист может упростить задачу, не рассматривая некоторые перекрестные процессы ввиду их малости.

При борьбе с загрязнением часто приходится иметь дело с многокомпонентными и многофазными потоками вещества. Так, при очистке территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, надо рассматривать движение несмешивающихся жидкостей: воды, нефтепродуктов, а также газов, сложно взаимодействующих друг с другом и с твердой фазой. При атмосферном загрязнении надо учитывать перенос с воздушными потоками паров, ионов, аэрозолей, пылевых частиц.

Системы дифференциальных уравнений переноса, дополненные уравнениями состояния, описывающими такие процессы, как сорбция — десорбция, растворение — кристаллизация, поглощение корнями растений и т. п. Вместе с начальными и граничными условиями по сути дела являются математическими моделями природных процессов, которые при наличии мощной вычислительной техники широко используют для прогнозирования природных процессов и их изменения под действием различных антропогенных факторов.

Математическое моделирование не исчерпывает перечень способов моделирования. Основой исследований рассматриваемых процессов являются натурные эксперименты, позволяющие наиболее полно, без искажений и упрощений, изучать эти процессы. Вместе с тем, учитывая сложность организации таких исследований, длительность их проведения (для изучения реакции живых организмов, в том числе и растений, нужны годы), проводят лабораторные исследования на малых образцах, применяют аналоговое моделирование. Возможность последнего вытекает из математической аналогии описания большой совокупности процессов: приведенные ранее законы теплопередачи, электрического тока, диффузии, фильтрации математически аналогичны. Поэтому, исследуя распределение электрического поля в сплошной электропроводной среде, можно описывать другие аналогичные процессы, применяя коэффициенты подобия, например между напряжением и напором или напряжением и температурой, силой тока и фильтрационным потоком или потоком тепла. Электрическая проводимость модели воспроизводит в определенном масштабе влаго — или теплопроводность.

Достоинство математического моделирования — возможность быстро просматривать много вариантов ситуаций. Недостаток — неполный учет природных процессов, недостаточная количественная изученность процессов. Поэтому модели должны быть сложны, чтобы принятые допущения не приводили к существенным ошибкам в принятии решений. К моделям предъявляют следующие очевидные требования:

Природным средам генетически присуща внутренняя неоднородность — как детерминированная, так и стохастическая, или случайная, поэтому модели должны позволять учитывать эту неоднородность;

Природные процессы, как правило, нелинейны, это тоже необходимо учитывать в моделях; водный энергия почва биомасса Как уже отмечалось, интенсивность природных процессов во многом зависит от естественной тепло — и влагообеспеченности, поэтому для получения статистически достоверных результатов Необходимо учитывать разнообразие лет по погодным условиям, рассматривать длительные ряды;

Существенна размерность моделей, проще всего строить одномерные модели, описывающие вертикальный или горизонтальный перенос вещества и энергии, но этого часто бывает недостаточно.

Математические модели, описывающие процессы в почве, из-за преобладания в них вертикальных потоков могут быть одномерными, дающими «точечную» по площади картину. Совокупность результатов моделирования на разных элементах ландшафта в первом приближении позволяет получить пространственную картину загрязнения.

На следующем этапе, объединяя точечные почвенные модели и модели горизонтальных гидрохимических потоков, получают уточненный вариант, учитывающий наличие обратных связей между подземными водами и почвенным слоем.

Объединение точечных моделей загрязнения почв с линейными моделями загрязнения подземных вод существенно удлиняет цепь рассматриваемых процессов, доводя их до поверхностных вод. Дальнейшее удлинение этой цепи, включающее перенос и трансформацию загрязняющих веществ в поверхностных водах, практически обеспечивает полноту рассмотрения процессов загрязнения больших территорий.

С помощью математического моделирования можно быстро воспроизвести (прогнозировать) длительные, многолетние процессы, что очень важно для оценки работы гидромелиоративных систем в различные по естественной влагообеспеченности годы. Так, устанавливают «мощность» гидромелиоративной системы (подачу насосных станций, размеры каналов), обеспечивающую работу системы с заданной надежностью. Моделирование позволяет «проиграть» некоторые чрезвычайные ситуации, например, связанные с выходом из строя очистных сооружений и массовым выбросом загрязняющих веществ, с нарушениями технологий, газои нефтетрубопроводов, военными действиями и т. п. Формально — это изменение граничных условий моделей, происходящее в заданное время. На таких моделях можно рассматривать и разные сценарии ликвидации последствий.

При природообустройстве человек вмешивается в биологические процессы, особенно при мелиорации сельскохозяйственных земель, борьбе с загрязнением. Поэтому модели природных процессов обязательно дополняют моделями функционирования и продуктивности живых организмов.

Вода обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым фактором, участвующим во всех природных процессах, включая и жизнь. Она имеет довольно высокую плотность, малую вязкость, хорошую растворяющую способность, высокую теплоемкость и теплопроводность, большую скрытую теплоту парообразования и плавления, а молекулы воды — малые размеры. Вода является непременным участником фотосинтеза ~ единственного природного процесса, обеспечивающего жизнь на Земле. Являясь высокоподвижной, вода переносит большое количество растворенных веществ, обеспечивая растения элементами питания.

Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т. в. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и изменения запасов. При составлении баланса влаги непременно нужно оговорить объем тела, для которого составляют баланс (озеро, объем почвы, бассейн подземных вод); указать временной интервал, для которого составляют баланс. Для общей характеристики влагооборота часто используют установившиеся среднемноголетние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до конца года можно не учитывать. Если же баланс влаги составляют за лето, то обязательно учитывают запасы влаги на его начало и конец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для определенной территории в кубических метрах, иногда кубических километрах; для единицы площади — в миллиметрах слоя воды или в кубометрах на 1 га. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляющих влагооборота.

Наиболее простая структура водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной. Среднемноголетний баланс в этом случае следующий: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1,4 млрд.,. км³ гораздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов (96,5%) —это соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн. км3, из которых 2/3 сосредоточено в ледниках и снежном покрове Антарктиды и Арктики.

К водному балансу суши помимо осадков и испарения добавляют еще одну статью — поверхностный и подземный сток в Мировой океан — осадки (119 тыс. км³, или с учетом площади суши— 800мм), испарение (72 тыс. км³, или 485мм), сток (47тыс. км или 315мм). Для Мирового океана прибавляют приток с суши, тогда баланс выглядит так: осадки (458 тыс. км³, или 1270 мм), испарение (505 тыс. км или 1400мм), приток с суши (47 тыс. км^-3, или 130 мм). Структура водного баланса отдельных участков суши зависит от их широтного расположения и удаленности от океанов (степени континентальности).

Помимо общего водного баланса территории для понимания природных процессов и решения важных практических задач необходимо составлять частные балансы для поверхностных, почвенных, подземных безнапорных и напорных вод. По частным балансам оценивают влагообмен между отдельными природными телами, что, например, нужно при описании передвижения загрязняющих веществ.

Влага, выпадающая на поверхность суши, расходуется частично на увлажнение листьев и испаряется с них, не доходя до поверхности почвы. При сильных осадках или при таянии снега часть воды не успевает впитаться и стекает в реки, доля поверхностного стока на влажных территориях может превышать половину суммы осадков. Впитавшаяся влага в основном расходуется на транспирацию растениями, которые используют очень много воды для производства единицы фитомассы: в среднем для естественного растительного покрова на 1 кг сухой фитомассы расходуется 400 кг воды. Сельскохозяйственные растения тратят еще больше воды. Для производства 1 кг продукции, т. е. полезной фитомассы, зерновым культурам надо 900…1200 кг воды, овощам — 200…250, картофелю — около 180 кг, хлопчатнику — 1500…2000 кг, а самой влаголюбивой культуре — рису, растущему под слоем воды, — 3500…4500 кг.

Некоторая часть воды испаряется с поверхности почвы в зависимости от ее влажности и затененности растениями, а оставшаяся часть просачивается вглубь, питая подземные воды, хотя на подтопленных территориях подземные воды могут подниматься вверх за счет капиллярных сил и потребляться корнями растений. В засушливых районах из-за высокой минерализации подземных вод происходит засоление земель.

Структура водного баланса в широколиственном лесу, расположенном на водораздельной территории, для среднего года включает: осадки (750 мм), испарение с поверхности листьев (70 мм), поступает на поверхность почвы (750 — 70 = 680 мм), поверхностный сток (140мм), впитывается в почву (680- 140 = 540мм), испарение с поверхности почвы (60мм), транспирация деревьями (400 мм), просачивается вглубь (540 — 60 — 400 = 80 мм).

Человек также может регулировать приток и отток вод с территории. Таким образом, можно существенно изменять структуру водного баланса для повышения продуктивности территории, управлять потоками влаги для решения проблем загрязнения. При этом надо иметь в виду, что статьи водного баланса взаимозависимы. Например, изменение увлажненности территории путем орошения изменяет практически все другие статьи (испарение, инфильтрацию, поверхностный и подземный отток). Из этого следует, что балансовые равенства надо дополнять уравнениями движения вод, позволяющими учесть указанную взаимозависимость.

Если сложить четыре приведенные балансовые равенства, то в них сократятся важные статьи: впитывание в почву, инфильтрация в грунтовые воды, взаимодействие между безнапорными и напорными подземными водами, что существенно обеднит анализ влагооборота.

Вместо балансовых равенств можно записывать уравнения баланса, в которых могут содержаться неизвестные, трудно измеряемые статьи, но при их вычислении надо иметь в виду, что неизвестная статья будет вычислена с ошибкой, равной сумме погрешностей измерения всех других статей, и может превысить 100%.

Практически важно составление балансов поверхностных и подземных вод суши вместе с водами водотоков и водоемов (рек, водохранилищ, озер). В этом случае оперируют с понятием «речной бассейн», объединяющим водосборную площадь и реку со всеми ее притоками. Для такой территории составляют водохозяйственные балансы, где подробно расписывают все естественные составляющие (осадки, испарение, сток, инфильтрацию), а также водозабор поверхностных и подземных вод для разных нужд, объем возвратных вод. Такие расчеты необходимы при водораспределении, пополнении запасов, недопущении загрязнения при сбросе вод потребителями и др.

Для достоверного описания передвижения почвенных и подземных вод одних балансовых равенств и уравнений недостаточно, их надо дополнять уравнениями движения, которые нужны для описания впитывания влаги в почву, ее перераспределения по глубине, для определения влагообмена между почвенными и подземными водами, во многом определяющего направленность почвообразовательных процессов (промывка, выщелачивание, соленакопление и др.). Эти уравнения являются основой расчета режима поливов, определения инфильтрационной нагрузки на дренаж. Поведение загрязняющих веществ в почве и в подземных водах можно достоверно описать, если известно передвижение влаги — главного носителя растворенных веществ.

На основании уравнений движения влаги можно строить математические модели. Модель должна учитывать особенности генетического строения почвы, различия физических, водных и химических свойств отдельных горизонтов и подстилающих их грунтов. Необходим расчет передвижения влаги в широком диапазоне влагонасыщенности: от сильного иссушения до почти полного насыщения при осадках или поливах. Необходимо учитывать конкретный график выпадения атмосферных осадков, переменное во времени испарение с поверхности почвы, зависящее также от влажности ее верхних слоев, изменяющееся во времени и по глубине расходования влаги на транспирацию путем отбора корнями растений, конкретный график поливов, назначаемых по определенному критерию.

Осадки учитывают мгновенным приращением влагозапасов в день их выпадения. Граничные условия внизу зависят от гидрогеологической обстановки. Возможно задание фиксированной глубины грунтовых вод или переменной, складывающейся в результате инфильтрационного питания, фильтрационных потерь из каналов, работы дренажа и других факторов.

Многолетние прогнозы требуют расчета динамики водного режима и в холодные периоды. В это время принимают, что через поверхность почвы потока влаги нет, а в ее толще они затухают, и наступает некоторое равновесие, весной влагозапасы увеличиваются за счет впитывания талых вод.

При многолетнем прогнозировании для каждого года задают реальные даты выпадения осадков и их количество, декадные значения температуры и влажности воздуха, по которым определяют потенциальное испарение или суммарное водопотребление конкретной культуры. Детальная послойная разбивка расчетной толщи позволяет учесть водно-физические свойства всех генетических горизонтов почвы и подстилающих грунтов.

Главнейшие составляющие функционирования природных и измененных человеком геосистем — обмен энергией и ее трансформация. Энергетические связи между компонентами геосистем реализуются в энергетических потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с вещественными, осуществляются одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвообразование, деятельность живых организмов) невозможно без постоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы, и веществ, которые могут многократно использоваться, вступать в круговорот, энергия может использоваться только один раз, т. е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему, обусловленный действием фундаментальных законов термодинамики: сохранения энергии и энтропии, т. е. меры внутренней неупорядоченности системы. Первый закон термодинамики гласит, что энергия может превращаться из одной формы (например, света) в другую (например, в потенциальную энергию пищи или гумуса почвы), но не может быть создана или уничтожена.

Второй закон утверждает, что не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, без потерь некоторой ее части. Это означает, что самопроизвольное превращение энергии возможно только при ее переходе из концентрированной формы в рассеянную. Компоненты геосистем способны повышать степень своей внутренней упорядоченности за счет постоянного притока энергии извне, т. е. уменьшать свою энтропию. Особенно ярко это проявляется в живых организмах, в увеличении плодородия почвы за счет накопления гумуса, при образовании органогенных горных пород (торфа, угля, сланцев, нефти, газов). Упорядоченность проявляется также в структурированности компонентов, например в наличии, четко выраженных слоев почвы, выполняющих разные функции.

Источники энергии на Земле разные: энергия Солнца, приток энергии из глубинных слоев Земли, энергия, выделяемая при фазовых переходах, при смачивании, экзотермических биохимических реакциях, но первый источник — главенствующий.

Рассмотрим трансформацию солнечной энергии вблизи поверхности Земли (радиационный баланс). Коротковолновая солнечная радиация дает осредненный поток тепла у поверхности Земли, примерно равный 6,7 Дж/см²/мин на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Это колоссальное количество энергии. Поступление тепла непосредственно на деятельную поверхность (растительный покров и поверхность почвы) зависит от географического положения, времени года и часа суток, а также от рельефа (крутизны и экспозиции склона).

Температура почвы зависит не только от количества поступающего или расходуемого тепла, но и от ее тепловых свойств — теплоемкости и теплопроводности. Теплоемкость — это количество тепла, необходимое на нагревание 1 г почвы (массовая теплоемкость) или 1 см³ (объемная теплоемкость) на 1 °C, она зависит от состава почвы — соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз и от количества органического вещества. Если теплоемкость воды принять за единицу, то для минеральной части она составит 0,18, для гумуса — 0,3, для воздуха 0,0003, т. е. теплоемкость почвы во многом определяется ее влажностью. Поэтому влажные почвы имеют более стабильный температурный режим, они несколько холоднее, чем сухие.

Теплопроводность — это способность почвы проводить тепло путем теплового взаимодействия соприкасающихся между собой твердых, жидких и газообразных частиц, а также путем испарения, перегонки и конденсации влаги внутри почвы.

На распределение температуры по профилю почвы оказывают влияние тепловые потоки. При этом учитывают два главных механизма теплопередачи: кондуктивныи — передача тепла за счет градиента температуры и конвективный — за счет потока влаги.

Геохимический круговорот веществ. Вещество литосферы мигрирует в виде растворов, а также в виде геохимически пассивных твердых продуктов денудации — обломочного материала, перемещающегося под действием силы тяжести (осыпи, оползни), с текущей водой (влекомые и взвешенные наносы, их особенно много в горных реках, в виде селей — грязекаменных потоков), с воздушными потоками в виде пыли.

Количество твердого стока, смываемого водными потоками, зависит от интенсивности поверхностного стока и от наличия растительности. Он особенно велик в лесостепной и степной зоне из-за сильной распашки. Так, в тайге он не превышает 5…10 т/км² в год, а в лесостепи доходит до 150 т/км² в год вследствие сильной водной эрозии. Со стоком взвешенных наносов суша ежегодно теряет около 25 млрд. т вещества, или слой около 1 мм.

Во многих районах значителен перенос твердого материала — пыли воздушными потоками (дефляция), интенсивность которой зависит от скорости воздушных масс, длительности ветров и, что очень важно, от защищенности поверхности растительным покровом. Одна пыльная буря в Казахстане выносит из распаханных почв от 10 до 100 т/км, с песчаных пустынь — 5…10, с поверхности солончаков — до 1000 т/км². Ветровая и водная эрозии — очень опасные природные процессы, которые часто и на больших площадях провоцируются человеком, что приносит большой вред, прежде всего из-за разрушения почвы, главного национального богатства каждой страны, а также выводит из строя мелкую речную сеть, приводит к иссушению территории.

Воздушные потоки переносят не только химически инертную пыль, но и кристаллики солей, которые растворяются в атмосферной влаге, аэрозоли, молекулы и ионы. Поэтому в засушливых районах одна из причин засоления земель — принос солей ветром (импульверизация солей), которая может достигать 20…30 т/км² в год. Воздушные массы интенсивно распространяют на большие территории загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными объектами. Одно из следствий этого — кислотные дожди, т. е. появление в дождевых водах серной и соляной кислот, образующихся в атмосфере при сжигании топлива, богатого серой и другими веществами.

Помимо дефляции твердое вещество поступает в воздух в результате вулканической деятельности. Вулканический пепел после сильных извержений оказывает даже глобальный эффект. Из-за сильной запыленности воздуха меняется тепловой баланс атмосферы.

Геохимический круговорот растворенных в воде веществ тесно связан с влагооборотом. Масса растворенных веществ, выносимых мировым речным стоком, находится в пределах 2,5…5,5 млрд. т, По М. И. Львовичу, средний глобальный вынос реками составляет 20,7 т/км² в год, что при средней плотности растворимых горных пород около 2,5 т/м³ дает годовой вымыв (химическая денудация) 0,0008 мм. Из-за более высокой минерализации подземных вод круговорот растворенных веществ в них также значителен. Особенность этого круговорота — гораздо меньшая скорость движения подземных вод, измеряемая миллиметрами, реже сантиметрами в сутки, тогда как скорость поверхностных потоков — порядка десятков сантиметров в секунду, т. е. в сто тысяч раз больше. Другая особенность транспорта растворимых веществ подземными водами — диффузия веществ, попутное растворение веществ, их переход в твердую фазу (кристаллизация) или сорбция твердой фазой грунта.

Геохимический круговорот с поверхностными потоками может быть описан теми же балансовыми равенствами (2.7), что и влагооборот, только все статьи надо умножить на соответствующие концентрации, для подземных и почвенных вод это будет сопряжено с некоторыми ошибками.

В подземных водах растворено очень много веществ, которые в повышенном количестве опасны для биоты. Вместе с тем сильная замедленность этого круговорота, наличие застойных бассейнов подземных вод — это благо для природы, которая тем самым исключает из интенсивного круговорота эти вещества, «захоранивает» их. Поэтому антропогенная интенсификация круговорота подземных вод путем их откачки или, наоборот, пополнения часто даст негативный экологический эффект — засоляются почвы, ухудшается качество речных вод.

В почвенных и подземных водах содержится большое число растворенных веществ: биогенов, т. е. используемых растениями как элементы минерального питания (азот, фосфор, калий), токсичных для растений ионов (натрия, хлора, магния, гидрокарбонат-ион, сульфат-ион), ионов тяжелых металлов, радиоактивных веществ и др. Следует отметить, что практически все вещества нужны для растений, порог их токсичности зависит от их концентрации в растворах, некоторые вещества в избыточных количествах неблагоприятно влияют на свойства почвы. Повышенная концентрация веществ негативно сказывается на искусственных элементах, внедренных человеком в геосистему: коррозия трубопроводов, разрушение фундаментов.

При мелиорации земель возникают проблемы засоления почв токсичными ионами, находящимися в больших количествах, — «макросоли» (натрий, хлор, магний, сульфат-ион, гидрокарбонат-ион), при утилизации сточных вод на полях орошения есть угроза загрязнения почв, растений, подземных и поверхностных вод соединениями азота (нитратами и аммонием), вблизи промышленных районов наблюдается загрязнение компонентов геосистем тяжелыми металлами — «микросоли», содержание которых хотя сравнительно невелико, но они очень токсичны для биоты. Пере движение этих веществ в почве и в подземных водах подчиняете, общим законам, но имеется некоторая специфика, связанная с их токсичностью, взаимодействием с твердой фазой и биотой, трансформацией этих веществ. Отметим, что, так как главный носитель токсичных веществ в почве и в грунтах — почвенные или подземные воды, то достоверное описание их поведения невозможно без точного расчета количества воды в этих средах и скорости ее передвижения.

Передвижение солей в почве и в подземных водах. Для районов орошаемого земледелия характерно нарастание естественного соленакопление в почвах, грунтах и подземных водах от степных ландшафтов к пустынным. Орошение земель коренным образом меняет их водный и солевой режимы. Дополнительное увлажнение корнеобитаемой зоны сопровождается просачиванием части воды в глубокие горизонты, вызывая увеличение инфильтрационного питания подземных вод. Грунтовые воды пополняются также за счет потерь из оросительной сети. Это дополнительное питание часто не может быть компенсировано естественным оттоком из-за недостаточной естественной дренированности территории, в результате поднимается уровень минерализованных, как правило, грунтовых вод, которые по пути растворяют соли, находившиеся в зоне неполного влагонасыщения. Помимо нежелательного переувлажнения это приводит к вторичному засолению почв.

Следовательно, борьба с засолением необходима не только на первично засоленных почвах, но и в результате функционирования оросительной системы. Мероприятия по борьбе с засолением должны обосновываться на долгосрочных прогнозах водного и солевого режимов, для чего используют математические модели передвижения воды и ионов солей. Структура солевых моделей зависит от характера солей (растворимости, подвижности, способности сорбироваться твердой фазой почвы и грунтов).

Передвижение азота в почве и в подземных водах. Рассмотрим передвижение азота применительно к проблеме утилизации сточных вод, содержащих значительное его количество (коммунально-бытовые сточные воды и животноводческие стоки). Один из эффективных способов их очистки — полив непродовольственных культур, например трав, предназначенных на корм скоту или на зеленое удобрение. Для этого строят специальные оросительные системы на землях, где затруднено попадание, почвенных вод в подземные. При этом должны быть выполнены и' другие условия, оговариваемые специальными правилами.

Азот, хотя и является биогенном, но повышенное его содержание в сельскохозяйственной продукции вредно для человека, в водоисточниках его количество также строго ограничивают: азота в нитратной форме не должно быть более 10 мг/л, а в аммонийной — более 2 мг/л.

Подвижный азот в почве обычно находится в виде катиона аммония NН4 и нитрат-аниона NО3. Содержание нитрит-аниона NО2 в почве мало, он образуется в результате окисления аммонии и затем быстро окисляется до нитрат-иона. Этот процесс называют нитрификацией. Аммоний образуется в результате разложение органических азотистых веществ, включая и гуминовые кислоты микроорганизмами. Значительное количество аммония поступает в почву при орошении сточными водами.

Нитратов в сточных водах содержится мало, их содержание в почве определяется нитрификацией аммония и денитрификацией, т. е. восстановлением нитратов до газообразных форм (N0, М2О, Н2), а также отбором корнями растений. На баланс аммония в почве существенно влияют процессы обменной сорбции и десорбции.

Движение воздушных масс. Атмосфера находится в непрерывном движении, что связано с перераспределением давления на всей планете, которое, в свою очередь, зависит от неравномерного нагревания различных участков поверхности Земли. На движение воздушных масс влияет суточное вращение Земли, трение внутри воздушных потоков и с деятельной поверхностью.

Масштабы воздушных течений разные. Самые крупные, составляющие общую циркуляцию атмосферы, — это циклоны и антициклоны, т. е. вихри и волны размером в несколько тысяч километров, постоянно возникающие и разрушающиеся в атмосфере. Общая циркуляция атмосферы — главный фактор влагообеспеченности разных территорий, от нее зависят погодные условия. На процессы в атмосфере влияют и циркуляции меньших масштабов: бризы, горно-долинные ветры и т. п. Катастрофические погодные явления связаны с вихрями малого масштаба: смерчи, торнадо и др.

Отличительная особенность воздушных потоков в приземном слое — очень высокая турбулентность, т. е. пульсация скоростей по величине и направлению, что сильно усложняет их математическое описание. Трение воздушного потока о поверхность Земли приводит к торможению нижних слоев и к возникновению вертикальных составляющих скорости. Помимо этого, в приграничном слое наблюдают закономерное изменение направления скорости из-за вращения Земли и воздействия на воздушные массы силы Кориолиса, значение которой зависит от скорости ветра. Поэтому у самой поверхности Земли из-за малой скорости направление ветра перпендикулярно линии равных давлений воздуха — изобары. С увеличением высоты скорость ветра увеличивается, растет сила Кориолиса, направление ветра изменяется и даже может совпадать с изобарой.

Динамическое влияние земной поверхности проявляется до высоты 1,5…2 км. На толщину и структуру приграничного слоя влияет также распределение температуры, влажность воздуха. Наряду с этим интенсивное перемешивание воздушных масс из-за высокой турбулентности, в свою очередь, влияет на вертикальное распределение температуры. Движение воздушных масс выравнивает атмосферное давление, которое является первопричиной этого движения.

Продуцирование биомассы. Биотический круговорот веществ, прежде всего, выражается в продуцировании биомассы — одного из отличительных свойств земных ландшафтов. В основе его лежит процесс фотосинтеза, т. е. образование органического вещества из углекислого газа и воды с потреблением коротковолновой солнечной радиации определенного спектра. Зеленые растения используют для этих целей излучение в более узком диапазоне (0,4…0,7 мкм), чем видимый свет, которое называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР), составляющей около половины суммарной радиации. Хотя растения поглощают около 75% солнечной радиации, но на фотосинтез расходуется не более 1% (коэффициент полезного использования ФАР у очень урожайных культурных растений доходит до 2…3%), подавляющую часть солнечной энергии растения тратят на транспирацию.

Органическое вещество образуется в результате сложных биохимических реакций в присутствии определенных ферментов, при этом выделяется большое количество молекулярного кислорода. Органические вещества, по сути, аккумулируют солнечную энергию, которая выделяется при окислении органики в процессе ее разложения как продукта питания или при горении. Фотосинтез — основа жизни на Земле.

Около половины создаваемого при фотосинтезе вещества окисляется в самом растении до СО2 (дыхание растений). Оставшаяся фитомасса поступает в круговорот. Часть из нее включается в трофическую (питательною) цепь и потребляется животными (фитофагами), следующая трофическая ступень — поедание фитофагов зоофагами. При переходе с одного трофического уровня на другой соотношение биомасс уменьшается в 100…1000 раз.

После отмирания фитомасса разлагается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном итоге мертвые органические остатки минерализуются микроорганизмами до простейших минеральных соединений, которые, в свою очередь, являются пищей для растений. Основная среда или природное тело, где идут многие из указанных процессов, — почва, Которая создает условия для жизни многим организмам, накапливает продукты синтеза и разложения органики. Почва способна на некоторое время извлекать из кругооборота продукты фотосинтеза в виде гумуса — сложного органоминерального вещества, активно участвующего в почвообразовании, которое придает почве нужные свойства, аккумулирует питательные вещества и, в конечном счете, формирует плодородие почвы. Наибольшие запасы гумуса в ландшафтах, оптимально обеспеченных теплом и влагой. В России — это черноземные степи, где запасы гумуса достигают 600…1000 т/га, в почвах лесостепей и широколиственных лесов — около 300, в таежных подзолистых почвах — около 100т/га".

Продуцирование биомассы связано с другими природными процессами, показатели которых следующие: количество элементов питания, поглощаемое живыми организмами, закрепляемое в органике, возвращаемое в другие компоненты природы. Ежегодно в процессе фотосинтеза образуется 140… 160 млрд. т биомассы, связывается 250…300 млрд. т СО2, выделяется 180…200 млрд. т О2, в продуктах фотосинтеза аккумулируется энергия, эквивалентная 50…60 млрд. т нефти при годовой ее добыче около 3 млрд. т.

Живые организмы потребляют также значительное число других элементов — биогенов: N, К, Са, 5i, Р, Мg, 5, fе, Аl. Вынос биогенов культурными растениями измеряется десятками килограммов в год с 1 га. Тяжелые металлы (микроэлементы) потребляют в малых дозах: В, Сu, Мn, Zn, Мо, вынос которых исчисляется граммами и десятками граммов с гектара.

Живые организмы могут извлекать вещества из геологического круговорота, участвуя тем самым в процессах самоочищения природной среды.

Почвообразование. В современном почвоведении принято следующее определение понятия «почва»: почва — это обладающая плодородием сложная полифункциональная и поликомпонентная открытая многофазная структурная система в поверхностном слое коры выветривания горных пород, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени.

Почвы возникают и развиваются в результате сложного взаимодействия между почвообразующей породой, растительными и животными организмами в конкретных климатических, рельефных условиях и в результате производственной деятельности человека.

Почва — природное образование, обладающее особым свойством — плодородием, т. е. способностью обеспечивать потребности растений в факторах и условиях жизни и развития. Этим она принципиально отличается от других природных тел. Различают потенциальное (естественное) и эффективное (приобретенное под влиянием обработки, удобрений, мелиорации) плодородие почв. Почва способна наращивать свое плодородие при вложении в нее труда определенного количества и качества. Отсюда следует главная цель природообустройства и мелиорации сельскохозяйственных земель — расширенное воспроизводство плодородия почв.

Почвы возникают и развиваются в результате почвообразовательного процесса. Почвообразование возникает в результате взаимодействия литосферы и биосферы при активном участии атмосферы и гидросферы. Основной источник энергии для почвообразовательных процессов — солнечная энергия. На почвообразовании сказываются ли, Солнца и Луны, и выражается в планетарных колебаниях климата. Ритмы продолжительностью 21, 42…45, 90, 370 тыс. лет связаны с колебаниями эксцентриситета земной орбиты, а также с чередованием ледниковых и межледниковых эпох. географическое положение местности, условия рельефа, погодные условия.