Элементы проектирования искусственных биогеохимических барьеров на водосборах нечерноземной зоны России

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГОУ ВПО МГУП

Элементы проектирования искусственных биогеохимических барьеров на водосборах нечерноземной зоны России

В.В. Шабанов, Н.П. Бунина

Миграция основных биогенов (N, Р, K) за пределы геосистем происходит главным образом через отчуждение биомассы (урожая). В условиях сезоннопромывного режима, который характерен для Нечерноземной зоны РФ, большинство макроэлементов с пахотных почв выносится за пределы геосистем преимущественно водными потоками (поверхностным и грунтовым), следствием чего является загрязнение водных объектов.

Снижение уровня загрязнения водоемов возможно лишь путем прекращения поступления в них биогенных элементов. Это достигается либо за счет снижения концентрации биогенных элементов в стоковых водах, либо путем уменьшения поступления в водоемы поверхностного стока. И первое, и второе можно осуществить перехватом поверхностного и подземного стока биогеохимическими барьерами, например, лесными насаждениями или осушительной системой, или специальными сооружениями, собирающими, транспортирующими и концентрирующими сток около биологических утилизаторов.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что для предотвращения загрязнения окружающей среды необходимо создание искусственных геохимических барьеров. А для введения биогенов в биологический круговорот необходимо наличие биологического концентратора (в первую очередь, растения), таким образом, барьер становится биогеохимическим. Функционирование его интенсифицируется при оптимизация водного, теплового и пищевого режимов почв.

Для разработки принципов проектирования искусственных биогеохимических барьеров целесообразно применить ландшафтный подход и использовать такие классификации ландшафтов, которые наиболее подходят для данного случая. Представляется, что можно использовать классификацию Глазовской - Полынова [4], которые классифицируют ландшафты по типам геохимических сопряжений [6].

По Полынову Б.Б выделяются следующие группы ландшафтов: элювиальный, супераквальный, субаквальный. На рисунке 1 выделены три типа ландшафтов, которые для зоны осушения хорошо корреспондируются с типами водного питания.

Элювиальный ландшафт формируется при атмосферном типе водного питания, трансэлювиальный - при склоновом, а супераквальный (гидроморфный) - при грунтовом.

Фундаментальная зависимость между типами ландшафтов и типами водного питания подтверждается и связями между элементарными ландшафтами (рис.2)

Элементарные ландшафты, распределяясь с учетом рельефа (рис.3), позволяют еще более дифференцировать их по условиям миграции водно-химического потока.

В элювиальной группе ландшафтов выделяются четыре типа миграции геохимических элементов: элювиальный (плоские вершины, хорошо дренированные равнины); трансэлювиальные (верхние части склонов); элювиально-аккумулятивные (нижние части склонов и сухие ложбины); аккумулятивно-элювиальные (местные замкнутые понижения с глубоким уровнем грунтовых вод). В супераквальной группе ландшафтов выделяются два типа миграции химических элементов: транссупераквальные (трансгидроморфные); супераквальные (замкнутые понижения со слабым водообменом).

В субаквальной группе ландшафтов также выделяются два типа миграции химических элементов: трансаквальный (реки, проточные озера); аквальный (непроточные озера). Наиболее ярко связь между ландшафтами и типом водного питания проявляется при анализе вертикальных профилей содержания химических элементов в почвах разных элементов ландшафтов. На рис. 4 и 5 показано распределение свинца и меди по профилю.

Анализ данных показывает, что в зависимости от расположения элементарного ландшафта меняется и профиль содержания загрязняющего вещества. Форма профиля типична для определенной группы химических веществ. Так, например, профили свинца, цинка и марганца аналогичны, а профили распределения никеля по глубине корреспондируются с профилями распределения меди [7]. Таким образом, наблюдается устойчивая связь между ландшафтным элементом и процессом поступления загрязняющих веществ. Учитывая связь между ландшафтом и типом водного питания можно полагать, что существует связь между типом водного питания, и типом загрязнения, если под типом загрязнения понимать источник и направленность загрязняющего потока.

По-видимому, целесообразно выделить определенные типы загрязнений для облегчения разработки методов управления загрязняющим потоком.

Классификация типов загрязнений. Под типом загрязнения будем понимать основное направление поступления на территорию загрязняющих потоков, под воздействием которых формируется режим загрязнения. Тип загрязнения зависит не только от характера загрязняющего вещества, но и от ландшафтных, климатических, гидрогеологических, геологических, геоморфологических, почвенно-литологических и других природных условий конкретной территории.

В соответствии с классификацией ландшафтов и типов водного питания можно выделить следующие типы загрязнения в зависимости от основного направления движения и трансформации потока загрязняющего вещества. По классификации А.Д. Брудастова выделяются пять типов водного питания земель: атмосферный, грунтовый (бассейн грунтовых вод и поток грунтовых вод), грунтово-напорный, склоновый (делювиальный), намывной (аллювиальный). Если с потоком воды на рассматриваемый массив будут поступать и загрязняющие вещества, то каждый тип водного питания может характеризовать направление загрязняющего потока.

В зависимости от того, на какой из элементарных ландшафтов приходит загрязняющий поток, типы загрязнения могут быть следующими: атмосферный (атмосферный - элювиальный; атмосферный - трансэлювиальный; атмосферный - супераквальный; атмосферный - аквальный); грунтовый (грунтовый - супераквальный; грунтовый - аквальный); грунтово-напорный (грунтово-напорный - элювиальный; грунтово-напорный - трансэлювиальный; грунтово-напорный - супераквальный; грунтово-напорный - аквальный); склоновый (склоновый - трансэлювиальный); намывной (намывной - супераквальный). Такая классификация дает возможность каждому типу загрязнения поставить в соответствие свой метод управления качеством природных водных и почвенных объектов. Покажем это на примере.

Атмосферный тип загрязнения преобладает на повышенных водоразделах и равнинах, сложенных глинистыми и суглинистыми грунтами с малыми уклонами поверхности и имеющими на глубине 30…70 см практически водонепроницаемые глеевые горизонты. Как говорилось выше, основным источником загрязнения являются атмосферные осадки, загрязненные кислотами, тяжелыми металлами и другими веществами. При выпадении большого количества осадков, небольшом уклоне и слабой водопроницаемости загрязняющие вещества накапливаются на поверхности почвы. При этом могут загрязняться верховые болота и минеральные земли, которые имеют атмосферный тип водного питания.

При грунтовом типе загрязнения загрязняющие вещества в основном переносятся грунтовыми водами, формирующимися в пределах массива за счет инфильтрации загрязненных атмосферных осадков и притока загрязненных поверхностных вод со стороны (бассейн грунтовых вод) или за счет притока загрязненных грунтовых вод со стороны (поток грунтовых вод). Этот тип загрязнения преобладает в низинах и понижениях нижней части склона, сложенных хорошо проницаемыми грунтами. Глубина залегания грунтовых вод в весенний период колеблется от 0 до 1,2 м.

При грунтово-напорном типе загрязнения принос загрязняющих веществ осуществляется подземными водами, которые могут быть загрязнены на значительном расстоянии от охраняемого объекта. Загрязненные подземные воды находятся во втором от поверхности водоносном горизонте, отделенном от грунтовых вод слабопроницаемым пластом. Восходящий поток загрязненных подземных вод проходит через «окна» в водоупоре - тектонические трещины, карстовые воронки и другие более проницаемые места в водоупоре. Уровни грунтовых вод и вертикальные потоки обычно стабильны, интенсивность загрязнения зависит от концентрации загрязняющих веществ и интенсивности вертикального потока. Этот тип загрязнения может проявиться на болотах или отдельных участках болот, расположенных в глубоких понижениях. В местах выхода напорных вод наблюдаются загрязнения природного происхождения: кальциевые (наличие известкового туфа), железистые, солевые (осолонение грунтовых вод).

При склоновом (делювиальном) типе загрязняющие вещества переносятся водами, стекающими со склонов. Этот тип загрязнения проявляется на склонах, сложенных тяжелыми почвами, или у их подножья. Изначально загрязняющие вещества могут поступать с атмосферными осадками или с поверхностным стоком с вышележащей площади.

В поймах или долинах рек и озер возможно загрязнение намывного типа. Загрязнения этого типа наблюдаются при выходе вод из берегов во время половодий и паводков. В пределах одного массива может быть несколько типов загрязнения. Если под влиянием загрязнения каждого типа находятся значительные площади, то проектируется сеть очистных сооружений в виде искусственных биогеохимических барьеров, соответствующая каждому типу загрязнения. Либо определяется тип загрязнения, под влиянием которого находится большая часть массива, подлежащего охране или восстановлению, и проектируется природоохранная система, ориентированная на этот тип загрязнения.

Количественной характеристикой типа загрязнения, необходимой для определения параметров природоохранной системы, является воднохимический баланс. Он определяет соотношение между приходом и расходом влаги и загрязняющих веществ за определенный период времени.

Для определения типа загрязнения можно пользоваться приближенным соотношением

Э = (0.15-0.20) Пр

где Э - основной элемент вводно-химического баланса (приток загрязняющих веществ с грунтовыми водами, напорными, склоновыми или аллювиальными), определяющий соответствующий тип загрязнения (грунтовый, напорный, склоновый или намывной); Пр - приходная часть баланса, то есть сумма приходных элементов баланса.

Для экспертных оценок типа загрязнения можно использовать качественный метод, заключающийся в сравнении природных условий с характерным признаком каждого типа загрязнения (табл. 1). На основании анализа природных условий и табл. 1 определяется тип загрязнения (или ряд типов) для участка, подлежащего охране.

Схемы расположения искусственных геохимических барьеров при загрязнениях различных типов. В природных системах интенсификация биологического круговорота достигается не только за счет большого видового разнообразия растений и животных, но и за счет использования естественных биогеохимических барьеров на пути водных потоков (возвышения местности и водоупоры, замкнутые западины на пути подземных и поверхностных вод, малопроницаемые слои почв и грунтов, зоны интенсивного биологического потребления и накопления отдельных химических элементов и др.).

ландшафт геохимический сопряжение загрязнение

Таблица 1

Типы, основной источник и условия формирования загрязнения водосбора. Рациональное размещение искусственных и использование естественных геохимических барьеров на пути миграции загрязнителей может быть одним из способов снижения интенсивности загрязнения экосистем (особенно водных) от рассредоточенных потоков биогенных элементов.

Оптимизация геохимических условий, а, следовательно, и агроландшафта в целом может быть достигнута с помощью контурных или площадных агрогеохимических барьеров. Таковыми могут быть: полосы отчуждения линейных инженерных сооружений, каналы, почвы с управляемым водно-солевым режимом, водохранилища, лесонасаждения и др. Для каждого природного геохимического ландшафта характерен особый биологический круговорот атомов, особая водная и воздушная миграция химических элементов. При загрязнении этот круговорот нарушается - потоки энергии и вещества существенно увеличиваются. Поэтому методы и способы управления или восстановления географического ландшафта должны отвечать особенностям геохимического ландшафта. В этом смысле нельзя «перенапрягать» геохимические барьеры в «борьбе» с антропогенными загрязнениями. Это очень важно учитывать при планировании размещения биогеохимического барьера.

Размещение биогеохимических барьеров требует глубокого научного обоснования и прогноза поведения вещества на барьере в течение продолжительного времени. Однако точный прогноз момента, в который барьер может «раскрыться», а накопленные за многие годы вещества выйдут за пределы барьера и принесут значительный ущерб окружающей территории, предстоит еще разрабатывать.

Учитывая то, что загрязненность поверхностного стока находится в прямой зависимости от распаханности водосборов и доз внесения удобрений (коэффициент корреляции составляет 0,72…0,99) и что 40…50 %, а в отдельных случаях и больше 50 %, химических веществ в поверхностном стоке, в почвенно-грунтовых и дренажных водах имеет антропогенное происхождение, размещение биогеохимических барьеров, в первую очередь, необходимо планировать вокруг охраняемых территорий и объектов, в частности, водных объектов.

Виды барьеров и их классификация. На каждом биогеохимическом барьере задерживается определенная ассоциация химических элементов, а другие химические элементы, напротив, мигрируют. Состав и количество удерживаемых элементов зависят от содержания и состава гумуса, кислотно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения. Оценка этих количественных показателей лежит в основе выделения ландшафтно-геохимических барьеров.

Некоторые исследователи [3] предлагают техногенные биогеохимические барьеры подразделять на две группы: нейтрализационные (осадительные) и поглотительные.

Нейтрализационные барьеры необходимо создавать для изменения миграционных форм техногенных потоков, меняя в них кислотно-щелочные условия и переводя загрязняющие вещества в менее подвижные или нерастворимые формы. Например, такие барьеры могут использоваться при загрязнении атмосферного типа кислотными осадками. Поглотительные барьеры могут работать, используя механизмы физико-химической или «биологической» сорбции, то есть поглощения химических веществ растениями в процессе их жизнедеятельности. Введение биологического элемента приближает техногенные геохимические барьеры к естественным, и, как было показано выше, в этом случае барьер становится биогеохимическим. Такие барьеры могут использоваться при любом загрязнении, но особенно он эффективен при грунтовом загрязнении.

Для решения задач создания геохимических барьеров в условиях агроландшафтов, по-видимому, целесообразно уточнить их классификацию. В этом случае барьеры можно разделить на контурные (линейные) и площадные (пространственные), с одной стороны, а с другой, на статические (неуправляемые) и динамические (управляемые), барьерные свойства которых можно поддерживать только при оптимальном управлении их водным, тепловым и химическим режимами (это особенно важно при создании биогеохимических барьеров).

В качестве естественных барьеров могут быть такие природные объекты агроландшафта, как заболоченный луг, замкнутый водоем, болото, кустарники, леса, почвенные слои и др. Вместе с тем, для повышения эффективности их работы необходимы специальные инженерные сооружения и мероприятия, которые подведут загрязненные воды к биологическим концентраторам (в первую очередь, это растения), удержат растворы необходимое время в контакте с корневой системой и отведут излишки очищенных вод. Наиболее распространенным естественным биогеохимическим барьером является почвенно-грунтовая толща. Эффективность ее работы как барьера определяется поглощающей способностью в отношении задерживаемых элементов и зависит от свойств почво-грунта, состава загрязнителей и гидротермического режима [1].

Слой почвогрунта между грунтовыми водами и почвенным слоем может служить динамическим биогеохимическим барьером. Поддерживая в нем режим равновесного водообмена, можно удерживать биогенные вещества в системе: грунтовые воды - почвенный слой - растение. При равенстве восходящего и нисходящих потоков влаги за отдельные периоды создаются наилучшие условия для развития растений. При таком режиме несвязанные биогены включаются в биологический цикл или находятся в динамическом равновесии в системе грунтовые воды - корнеобитаемый слой почвы и не выходят за пределы этой системы, исключая случаи выпадения обильных осадков.

Реализация биогеохимических барьеров. Организация техногенных барьеров, сформированных на основе природных, наиболее просто и с меньшими затратами может быть осуществлена при осушении низинных торфяников. Здесь вынос биогенов с болота может быть перехвачен на динамическом биогеохимическом барьере, в котором действует комплекс факторов концентрации элементов (кислородный, испарительный, сорбционный), но самым мощным фактором в этом случае является концентрация элементов биотическим сообществом.

Выше отмечалось, что хотя почва и является площадным геохимическим барьером, но без специальных инженерных сооружений или мероприятий, создающих оптимальный гидрохимический режим, она не в состоянии осуществить барьерные функции. Статические площадные барьеры можно создавать, меняя вводно-физические и химические характеристики почвы и тем самым управляя ее проводящими и сорбционными (емкостными) свойствами.

Широко известны способы торфования и землевания, т.е. внесения в минеральную почву торфа, а в торфяную - минеральной составляющей. Создание сорбционного геохимического барьера в виде легкосуглинистого гумусированного нейтрального пахотного горизонта путем торфования (300 т/га абсолютно сухого торфа) и землевания (2250 т/га абсолютно сухой минеральной породы) приводит к ограничению миграции веществ и снижению уровня минерализации торфа. Кроме землевания и торфования, создание геохимического барьера возможно и путем известкования [11].

В качестве естественного пространственного биогеохимического барьера для биогенов можно использовать заболоченные земели, которые являются одним из немногих имеющихся в распоряжении методов нейтрализации эмиссии биогенов из рассредоточенных (неточечных) источников.

Известно, что состав как природных, так и техногенных веществ в водах поверхностного и внутрипочвенного стоков и их направленность может контролироваться лесными насаждениями, играющими роль ландшафтно-геохимических барьеров. Анализ выполненных исследований показывает высокую эффективность лесных насаждений в очистке загрязненных биогенами вод.

Эффективность лесных насаждений, используемых в качестве биогеохимических барьеров. Известно, что при отсутствии пашни на водосборе или же при распаханности водосбора не более 60% и лесистости 25…30 % концентрация аммиачного азота и фосфора приближалась к экологическим нормативам. Зависимости концентрации аммиачного азота и фосфора от лесистости водосборов показывают, что свободная от этих ингредиентов вода будет стекать с площадей, имеющих лесистость не менее 80 % [9].

С увеличением лесистости водосборов содержание биогенных элементов в стоке уменьшается. Корреляционная зависимость между этими показателями обратная, средняя для калия и сильная для аммиачного азота и фосфора. Только на концентрацию нитратов лес не оказывал существенного влияния.

В лесных полосах водопоглощение в 2…5 раз выше, чем на полевых участках. При этом водопоглощение в полосе с кустарником в 2,3 раза больше, чем без кустарника. Кустарники задерживают твердую фракцию, но незначительно снижают концентрацию водорастворимых соединений азота. Таким образом, биоконцентраторы в биогеохимических барьерах должны включать кустарниково-древесную, луговую и подкроновую растительность.

Усиление водоохранной роли лесных полос может быть достигнуто созданием простейших гидротехнических сооружений. Например, открытых и закрытых собирателей загрязненного стока, нагорных и ловчих каналов, подводящих сток к биоконцентраторам, сооружение канав веерного типа обеспечивает повышение эффективности лесных насаждений в регулировании поверхностного стока и задержание от 10 до 30 т/га его твердой фазы и ряда других [2].

Следует учитывать, что в очистке загрязненного стока с полей (загрязнение склонового и грунтового типа) принимает участие не весь лес, а только те его участки, через которые проходит загрязненный сток, - так называемые рабочие участки.

К ним относятся облесенные ложбины, лесные полосы и опушки леса, расположенные перпендикулярно направлению стока, облесенные днища балок и т.д. При общей лесистости водосбора около 60% лесные рабочие участки занимают всего лишь 1 % площади водосбора.

Наибольшая нагрузка со стороны загрязненных вод ложится на начало лесных полос (опушки). В этих местах наблюдается самое интенсивное изменение концентраций азотных и фосфорных соединений. Что же касается других компонентов химического состава вод, то содержание их в большей степени лимитируется глубиной залегания вод и разнообразием почвенных горизонтов. Для большинства почв экотонов, то есть мест соприкосновения лесных насаждений и пахотных частей склонов, характерна более низкая кислотность по сравнению с почвами, находящимися под растительностью в глубине лесных насаждений.

Почвы экотонов содержат обычно меньше гумуса, азота, но богаче фосфорными и калийными соединениями. В экотоне и в зоне 5…10 м от него наблюдается изменение водно-физических свойств почв - увеличение плотности, уменьшение водопоглотительной способности и водопроницаемости. Увеличение эффективности биогехимического барьера возможно за счет фигурного (например шахматного) расположения его отдельных элементов.

Конструктивные особенности биогеохимических барьеров. Возможность создания искусственных биогеохимических барьеров во многом заложена в конструкции мелиоративных систем. Это вытекает из типизации загрязнений, которые достаточно хорошо корреспондируются с типами водного питания. Примером тому могут служить замкнутые осушительно-оросительные системы, состоящие из регулирующей сети, проводящей сети, пруда-накопителя дренажных стоков и оросительной сети, подающей воду из пруда-накопителя на осушаемый участок в засушливые периоды. При правильном управлении этой системой можно достаточно полно удерживать биогены в биологическом цикле. Сложность и тонкость такого управления обусловливается, с одной стороны, неопределенностью (стохастичностью во времени) погодных условий, а с другой - стохастичностью в пространстве характеристик почвогрунтов. Все это требует разработки специальных методов прогноза поведения биогенов в динамическом геохимическом барьере.

Конструктивные особенности биогеохимических барьеров обусловлены природоохранными мероприятиями, которые, в свою очередь, обуславливаются типами загрязнения. Так, основные природоохранные мероприятия при атмосферном загрязнении - удаление загрязненных вод с поверхности путем ускорения поверхностного стока, нейтрализация загрязненных (например, подкисленных вод), концентрация загрязнителя на биогеохимическом барьере или накопление их в растительной массе. Технические методы борьбы с атмосферным загрязнением включают увеличение уклона, уменьшение шероховатости поверхности земли, ликвидацию бессточных понижений, повышение впитывающей, аккумулирующей и сорбционной способности почвогрунтов (рыхление почво-грунтов, устройство поглотителей и нейтрализаторов, рис.6).

При загрязнении грунтового типа основными природоохранными мероприятиями может быть понижение уровня грунтовых вод ниже корнеобитаемой зоны и высоты капиллярного поднятия при сельскохозяйственном использовании территории и регулирование уровней грунтовых вод для интенсификации работы нейтрализаторов и концентраторов загрязняющих веществ (рис.7).

При грунтово-напорном загрязнении основные мероприятия заключаются в снижении напорности в загрязненном водоносном пласте, после чего тип загрязнения переходит в грунтовый.

При склоновом загрязнении основное природоохранное мероприятие - перехват склонового стока (поперечное бороздование, лункование склонов, посадка лесополос, рис. 8).

При загрязнении намывного типа основные природоохранные мероприятия - регулирование стока (ускорении или задержка паводков) и защита охраняемых территорий в долинах и поймах дамбами или валами, рис 9).

Как видно из рисунков, все схемы управления загрязненным потоком в качестве обязательного элемента включают биологический концентратор загрязняющего вещества в виде травянистой, кустарниковой и древесной растительности.

Для определения состава и параметров этих элементов целесообразно воспользоваться рекомендациями по агролесомелиоративным мероприятиям. Так, например, по данным Г.Б. Паулюкявичюса [10], необходимый процент залесенности для холмистых ландшафтов (склоновый тип загрязнения) равняется 25…40%, для равнинных (атмосферный тип загрязнения при тяжелых грунтах и грунтовый тип загрязнения при легких грунтах) - 10…30%, а для площадей с эоловыми отложениями - больше 40%.

Дифференциация залесенности в зависимости от типа ландшафта и механического состояния почв следующая.

1. Холмистые ландшафты: с песчаными и гравийными почвами (грунтовый тип загрязнения) - 25…30%; с супесчаными и суглинистыми почвами (склоновый и частично грунтовый тип загрязнения) - 30…35%; с глинистыми почвами (атмосферный тип загрязнения) - 35…40%.

2. Равнинные ландшафты: с эоловыми отложениями (атмосферный тип загрязнения) >40%; с флювиогляциальными песчаными и гравийными отложениями - 25…30%; с песчаными заболоченными почвами (грунтовый тип загрязнения) - 20…25%; с суглинистыми хорошо дренированными почвами (грунтовый тип загрязнения) - 18…20%; с лимно-гляциальными отложениями (намывной тип загрязнения) - 12-15%; с известковыми отложениями - 10…12%.

Если природоохранным объектом является озеро или водохранилище, то Г.Б. Паулюкявичюс считает целесообразным, «чтобы вокруг озер, а также на отдельных частях их склонов с крутизной больше 10…12 градусов участки были покрыты лесными насаждениями (табл. 2)».

При склоновом загрязнении на крутых приозерных склонах необходимо, чтобы лесные насаждения покрывали и забровочную часть на 5…10 м.

Таблица 2. Шкала выделения противоэрозионных и водоохранных полос вокруг озер (по Г.Б.Паулюкявичюсу, 1989)

Исходя из более общих рекомендаций, можно принять, что при интенсивном использовании сельскохозяйственных угодий (при склоновом типе загрязнения) ширина лесных водопоглотительных полос, выполняющих функции биогеохимических барьеров

и ограждающих водные объекты (например озера), должна быть не менее 1/3…1/4 длины приозерных склонов. Узкие полосы (меньше 5…8 м), особенно разреженные, вытоптанные скотом, не способны трансформировать химический состав вод, притекающих (например, при склоновом загрязнении) с пахотных частей склонов.

Барьерная роль лесных насаждений усиливается в понижениях рельефа, в местах концентрации поверхностных и почвенных вод. Именно в этих местах должны закладываться самые широкие полосы, и они требуют особенно бережного ухода.

Водоохранные лесные насаждения, расположенные в нижних и средних частях приозерных склонов, испытывают наибольшие нагрузки, обусловленные воздействием снега, продуктов дефляции (при атмосферном загрязнении), твердого стока, водорастворимых химических веществ (при склоновом и грунтовом загрязнении). В связи с этим необходим специальный режим ухода (управления) в водоохранных лесных насаждениях.

Высокая аккумулирующая способность лесных насаждений способствует задержанию твердых наносов и их отложению в виде мощных скоплений делювия у опушки и на протяжении 10…15 м от нее вглубь лесных полос.

При конструировании биогеохимического барьера особое внимание следует уделить видовому составу биоконцентраторов. Здесь также целесообразно воспользоваться рекомендациями по агролесомелиоративным мероприятиям. В соответствии с исследованиями Г.Б. Паулюкявичюса [10], почвы под лиственными древостоями получают на 1000…1300 м3 влаги с жидкими осадками и на 300…500 м3/га со снегом больше, чем под хвойными. Таким образом, эти породы наиболее эффективны при атмосферном загрязнении. А так как лиственные насаждения раньше начинают и раньше заканчивают рост и, следовательно, меньше расходуют влаги на транспирацию (эта «экономия» весной составляет до 200, а осенью 700 м3 воды на гектар), они менее эффективны при грунтовом загрязнении.

Вместе с тем, исследования Г.Б. Паулюкявичюса и некоторых других ученых показывают, что под лиственными древостоями наблюдается более равномерное распределение сезонного стока из-за меньшего промерзания почв, более равномерного распределения снега, более глубокого разрыхления почв корнями, высокой водопроницаемости почв весной. Эти свойства лиственных древостоев делают их пригодными в качестве биоконцентраторов при атмосферном и склоновом загрязнении. Как показали исследования [10], концентрация осадков, проникших под полог лиственных насаждений, значительно ниже, чем в хвойных древостоях. Под хвойными насаждениями больше задерживается снега, глубже промерзает почва, образуется поверхностный и внутрипочвенный сток, пересыхает почва, уменьшается активность микроорганизмов.

Правда, пересыхание почв препятствует миграции ряда химических веществ (Ca, Mg, S, CL), но, с другой стороны, большая кислотность почв под хвойными деревьями усиливает вынос некоторых химических веществ. Под лиственными древостоями почвы богаче глинистыми частицами, гумусом, что создает более мощный сорбционный барьер для K, Р, N, S, Cl, а также для ряда тяжелых металлов.

Лиственные древостои для образования одной тонны органического вещества требуют больше K, Р, N и других химических веществ, угрожающих качеству природных вод, поэтому почвенно-грунтовые воды под ними (ясеневые, березовые, дубовые древостои) содержат меньше химических веществ, чем под хвойными.

Водоохранные полосы наиболее целесообразно отводить под древесную и кустарниковую растительность. Луговые полосы, по мнению эстонских ученых [8], малоэффективны с точки зрения инфильтрации талых вод.

И, наконец [10], сосновые и сосново-еловые насаждения целесообразно размещать только на глубоких песчаных и гравийных почвах. На песчаных разновидностях, подстилаемых более тяжелыми отложениями, особенно при выклинивании грунтовых вод (грунтовое загрязнение), лучше всего высаживать лиственные породы - березу, ольху, осину.

На карбонатных, гравийных, богатых глинистыми частицами почвах хорошо выполняет водоохранную роль дуб. На сильносмытых супесчаных и суглинистых почвах наиболее перспективны для усиления инфильтрационных свойств почвы (перевод атмосферного и склонового загрязняющего потока в грунтовый) и наиболее эффективны древостои ольхи серой. В средних и нижних частях склонов, особенно с интенсивным притоком влаги (грунтовый тип загрязнения) - ольхи черной и ясеня. На крутых коротких нижних частях склонов, особенно с намытыми почвами (склоновый тип загрязнения), надо высаживать лещину, липу и другие породы, устойчивые к механическому повреждению и дающие отпрыски. Густые заросли хорошо задерживают твердые наносы, снег и даже комки минеральных удобрений, катящихся вниз с верхних пахотных частей склона.

В прирусловых частях речных долин (при намывном загрязнении) незаменимыми для смягчения ледохода и осаждения твердых крупных наносов являются ивы, а в поймах рек и ручьев особую ценность представляют черноольховые насаждения. Они хорошо укрепляют берега, образуют тень, препятствуют зарастанию водоемов. В процессе функционирования биогеохимического барьера (в том числе и выполненного в виде лесной полосы) происходит постепенное ухудшение его водопоглотительных и сорбционных свойств, поэтому за ними необходимо постоянно наблюдать и управлять нагрузками на них.

8. Некоторые рекомендации по обоснованию и размещению барьеров

На основании анализа и обобщения работ многих исследователей можно полагать, что размещение биогеохимических барьеров необходимо планировать на стадии размещения производственных объектов. Так, например, при планировании работ в гумидной зоне необходимо выделить территории, освоение которых экологически не оправдано, а экономически нецелесообразно. Это земли из категории не подлежащих освоению, на которых, в первую очередь, могут быть созданы геохимические барьеры. Исторически природные биогеохимические барьеры разрушались при решениях «центра» увеличить площадь пашни за счет неиспользованных земель и неудобий, при создании «удобных участков» для обработки мощной сельскохозяйственной техникой в нечерноземной зоне, а также при непрекращающемся использовании водоохранных зон, распашке эрозионно опасных территорий, осушении верховых болот и других аэкологичных действиях.

К таким землям относятся: земли, освоение которых может повлиять на сохранение и режим охраняемых территорий; земли с большим природным разнообразием; площади с доминированием малопродуктивных или неудобных для сельского хозяйства земель; земли, изобилующие родниками; приозерные низинные болота или озерозащитные полосы достаточной ширины; долины мелких и средних рек, протекающих по холмистым территориям; земли, характеризующиеся особо сложными природными условиями, сметная стоимость обустройства которых в два или более раз превышает среднюю стоимость для региона.

Конкретно места размещения зависят от многих параметров - структуры рельефа; крутизны, формы и протяженности склонов (табл. 3). В соответствии с рекомендациями [10], «на площадях с мелкохолмистым рельефом (когда длина склонов меньше 50 м) подлежат облесению мелкие крутые холмы или отдельные их части; на площадях со среднехолмистым рельефом (когда длина склонов составляет 50…150 м) в первую очередь облесению подлежат сильно смываемые и выдуваемые ветром вершины холмов, верхние части склонов; на площадях с крупнохолмистым (котловинным) рельефом (когда длина склонов превышает 150 м) рекомендуется следующий подбор мест:

на прямых склонах - вершины и верхние части склонов;

на выпуклых склонах - верхние и средние части склонов;

на вогнутых склонах - вершины и верхние части склонов;

на склонах сложной формы - части склонов, наиболее подверженные эрозии и дефляции.

Условия рельефа обуславливают и конфигурацию лесных насаждений. В холмистом рельефе более оптимальными являются массивные колковые лесные насаждения. В равнинных ландшафтах желательны узкополосные правильной геометрической формы лесные насаждения. Они не только занимают меньше плодородной земли, но и имеют длинную линию соприкосновения с полями».

Таблица 3. Параметры оптимального размещения биогеохимических барьеров (лесных насаждений) для охраны агроландшафта [10]

Выводы

Разработанная классификация типов загрязнения водосборов и соответствующие им методы организации потоков загрязняющих веществ позволяют создавать систему биогеохимических барьеров как элементов культурного ландшафта.

Проектируя искусственные или восстанавливая естественные биогеохимические барьеры в целях повышения качества водных объектов, можно решать одновременно вопросы повышения экологического (видового) разнообразия ландшафта и его устойчивости.

Библиографический список

1. Бунина Н.П., Шабанов В.В. и др. Способ регулирования водного режима низинного торфяника. Патент № 1801160. 1992.

2. Величко А.Б. Роль лесных насаждений в предотвращении загрязнения водных объектов поверхностным стоком в связи с широким применением минеральных удобрений в зоне типичных черноземов Левобережной лесостепи УССР. 1986. Автореферат.

3. Геохимические барьеры и их значение в защите подземных вод от загрязнения. М.: МГУ, 1990 .

4. Глазовская М.А. О геохимических принципах классификации природных ландшафтов. В сб. «Геохимия степей и пустынь». //Вопросы географии, 1962. № 59.

5. Глазовская М.А., Макунина А.А. Геохимия ландшафтов и поиск месторождений (на примере Южного Урала). М.: МГУ. 1961.

6. Голованов А. И., Кожанов Е.С., Сухарев Ю.И. Ландшафтоведение. М.: Колос, 2004.

7. Джорж Фортескью. Геохимия окружающей среды. М., 1974.

8. Мандер Ю.Э., Алеканд К.Ф. О проектировании водоохранных полос по берегам водоемов и водостоков.//Охрана внутренних вод. Тарту, 1982.

9. Матухно Ю.Д. Влияние лесных насаждений на предупреждение загрязнения вод речного стока в связи с химизацией сельского хозяйства (на примере Новгород-Северского Полесья). 1982. Автореферат.

10. Паулюкявичюс Г.Б. Роль леса в экологической стабилизации ландшафта. М., 1989.

11. Чертко Н.К. Геохимия агроландшафтов Белоруссии и их оптимизация. М., 1991. Автореферат.

Размещено на Allbest.ru