Влияние агротехногенеза на геохимию ландшафтов

Трансформация ландшафтов в процессе сельскохозяйственной деятельности человека, усиленная влиянием промышленности и городов, оказывает существенное воздействие на сложившиеся природные потоки вещества и энергии. Наряду с позитивными изменениями, которых добивается земледелец, все сильнее проявляются негативные последствия техногенеза. Нередко они превосходят экологически допустимые пределы и способность экосистем к саморегуляции, что ведет к их разрушению. Наряду с локальной и региональной трансформацией геохимических потоков все отчетливее проявляются тенденции межрегиональных и глобальных изменений.
Наиболее общие закономерности трансформации геохимических ландшафтов связаны с изменением водного баланса освоенных территорий и почв, в особенности с остепнением и опустыниванием обширных территорий, усилением окислительных процессов в почвах. Ускоренное окисление гумуса пахотных почв, осушение и освоение торфяников наряду со сведением лесов, сжиганием различных видов топлива (уголь, нефть, торф, древесина) и промышленными выбросами значительно повысило концентрацию диоксида углерода в атмосфере. К настоящему времени она достигла 330-340 ррm, что на 10-12% превышает содержание СО2 в воздухе доиндустриальной эпохи.
Очевидно, этот процесс способствует усилению углекислотного выветривания минералов горных пород и почв с образованием новых количеств растворов углекислых солей. С повышением концентрации диоксида углерода в атмосфере связываются как положительные прогнозы, например повышение продуктивности фотосинтеза и соответственно урожайности растений, так и отрицательные, обусловленные с предполагаемым потеплением климата земли вследствие "парникового эффекта".
Существенные изменения в геохимии ландшафтов многих регионов Земли обусловлены функционированием оросительных и осушительных систем, созданием крупных гидротехнических сооружений, разбором стока многих рек на орошение и другие цели. Фильтрационные воды из каналов и водохранилищ распространяются на глубину до сотни метров и на десятки километров в стороны от каналов, радикально изменяя водно-солевой режим территорий. Низкие КПД используемой для поливов воды (30-40%) привели к подъему грунтовых вод и развитию вторичного заболачивания и засоления почв. Строительство дренажных сооружений - необходимое средство борьбы с засолением и заболачиванием почв - повело за собой вынос многих миллионов тонн солей с дренажным стоком в реки и озера. Туда же поступает солевой сток фильтрационных возвратных вод. В итоге минерализация воды большинства рек аридных областей в среднем и нижнем течениях повысилась с 0,2-0,5 до 1-3 г/л.
Общая особенность смены природных экосистем на агроэкосистемы - усиление нескомпенсированности биологического круговорота биогенных элементов в связи с отчуждением их с урожаями. Поскольку возрастают направленные перемещения продукции на большие расстояния, данная проблема приобретает межрегиональный аспект. Например, только с межгосударственными перевозками зерна в мире перемещается количество NPK, соизмеримое с речным ионным стоком этих элементов. С тем же зерном из бассейна Оби в бассейн Каспийского моря поступает столько же этих элементов, сколько выносится водами Волги.
Весьма ощутимо влияет на геохимическую обстановку в агроландшафтах как в позитивном, так и в негативном плане применение удобрений, мелиорантов и других агрохимикатов. Помимо непосредственного влияния на увеличение емкости биологического круговорота они оказывают и косвенное влияние на него через изменение реакции среды, обменные процессы, усиление минерализации органических веществ. В частности, подкисление среды в результате применения физиологически кислых удобрений приводит к повышенному вымыванию Са и Mg в ненасыщенных основаниями почвах. Вследствие усиления минерализации органического вещества под влиянием азотных удобрений высвобождается дополнительное количество азота и других элементов.
В результате применения удобрений изменяются масштабы миграции питательных элементов, особенно нитратов, за пределы почвенного профиля в систему почвенно-грунтовых вод и водоемов. Поступая в природные воды с грунтовым или поверхностным стоком, минеральные элементы становятся причиной эвтрофикации водоемов. Она выражается в остром недостатке растворенного кислорода, который расходуется на дыхание интенсивно развивающихся водорослей и окисление органического вещества их отмирающей массы. В воде накапливаются восстановленные токсичные соединения (сероводород, этилен, метан и др.), что приводит к гибели рыбы и других существ, населяющих водоемы, заболеванию людей. Такая вода трудно поддается очистке.
При высоком уровне применения удобрений и больших доз мелиорантов заметно проявляется накопление в почвах токсичных элементов (фтор, стронций, мышьяк, свинец, никель, кадмий, уран и др.) - балластных примесей агрохимикатов, которые могут ингибировать биологическую активность почв, нарушать ферментативные процессы и обмен веществ в растениях. Эта проблема обостряется при использовании в качестве удобрений и мелиорантов различных отходов промышленности (фосфогипс, пиритные огарки, различные шлаки, кислоты, лигнины и др.), а также городских сточных вод, компостов из городского мусора и т.д.
Издержки химизации сельского хозяйства усиливаются промышленными выбросами токсикантов. В биосферу ежегодно поступает свыше 500 тыс. видов химических веществ. Опасность заключается в том, что многие из них представляют собой искусственно синтезированные соединения, отсутствовавшие ранее в биосфере. Для многих из них нет достаточно эффективных механизмов деструкции.
Особую проблему с точки зрения влияния на биогеохимические процессы в агроландшафтах представляет применение пестицидов. Выполняя важную роль в сохранении продукции, многие из них в той или иной мере имеют побочные эффекты, связанные с нарушением трофических цепей, токсичным воздействием на почвенную биоту, животных и человека. При обработке посевов и посадок лишь незначительная их часть достигает объектов уничтожения, остальная часть попадает в почву, увлекаясь биогеохимическими потоками, подвергаясь адсорбции, превращениям и мигрируя в различные среды.
В зависимости от принадлежности к тем или иным классам химических соединений проявляются те или иные формы их адсорбции, которые зависят также от почвенных условий: реакции среды, гранулометрического, минералогического составов, содержания и состава органического вещества почвы, температуры, влажности. В связи с этим различают несколько форм существования пестицидов в почвах: свободная, обратимо сорбированная, необратимо сорбированная, включенная в молекулярную структуру гумусовых веществ, включенная в состав растительных тканей.
Длительность сохранения пестицидов в почве зависит от их природы и условий детоксикации. Основную роль в этом процессе играют микроорганизмы. Высокая температура и влажность, наличие органического вещества ускоряют инактивацию гербицидов. При этом влияние органического вещества имеет двойственный характер: повышение сорбции пестицидов органическим веществом замедляет детоксикацию, а активизация микробиологических процессов за счет поступления энергетического материала ускоряет ее.
Важными факторами детоксикации являются также метаболизация их в растениях и фотохимические реакции под действием ультрафиолетового излучения. Нормирование пестицидов должно осуществляться с учетом миграции, аккумуляции и деградации в геохимических ландшафтах.
Мощный фактор нарушения биогеохимического круговорота в ландшафтах - физический перенос частиц почвы в результате водной эрозии и дефляции. Современная интенсивность денудации в 30-40 раз выше, чем в среднем за весь биогенный этап геологического развития Земли. Об этом свидетельствует, в частности, резко возросшая интенсивность твердого речного стока, сопровождающаяся ухудшением качества воды, заиливанием водохранилищ, устьев рек, мелководий шельфа. Растет запыленность атмосферы, вследствие чего может проявляться охлаждающий эффект.
Возросшее техногенное давление на агроэкосистемы требует более гибкого подхода к оценке объектов по их загрязнению или деградации (содержанию токсиканта в почве, продукции, воде и т.д.). Необходима система показателей, характеризующих направленность, интенсивность и масштабы геохимических процессов в различных ландшафтах и их элементах (характер и скорость миграции токсиканта в почве и за ее пределы, особенности аккумуляции на геохимическом барьере). Такие динамические характеристики могут быть получены только на основе идентификации геохимических потоков и структурно-функциональных связей в ландшафтах.
Наиболее общая оценка миграционно-аккумулятивных возможностей агроландшафта по отношению к токсикантам может быть сделана на основе учета вероятности поверхностного перераспределения агрохимикатов и поступления их в воды поверхностного стока в связи с геоморфологическими и литологическими условиями, вероятности поступления их в грунтовый сток в связи с условиями гидрологического режима, возможности дефляционного перемещения веществ, аккумуляции токсикантов в связи с сорбционными свойствами почв и наличием биогеохимических барьеров.