Биотехносфера: экология и безопасность жизнедеятельности

Даже в наиболее экономически развитых странах, несмотря на предпринимаемые меры, наблюдаются процессы техногенной эрозии почвенного покрова. Скорость эрозии почвы в них оценивается величиной 17 т/га/год, что значительно превышает скорость формирования почвы, составляющую 1 т/га/год (Pan-European…, 2004) Эрозия оказывает воздействие на 46 % европейских почв, при этом из-за ветровой эрозии утрачивается 20-40 т почвы/га, что в 20-40 раз превышает объемы естественного восстановления почвенного покрова.

При решении проблем сохранения почвенного покрова приоритетное значение имеют инженерно-технические меры, которые в данной области обычно обозначаются терминами «агротехнические» и «мелиоративные мероприятия» Так, в статье 2 Федерального закона «О мелиорации земель» от 10.01.1996 г. № 4-ФЗ дается следующее определение: «Мелиоративные мероприятия - проектирование, строительство, эксплуатация и реконструкция мелиоративных систем и отдельно расположенных гидротехнических сооружений, обводнение пастбищ, создание систем защитных лесных насаждений, проведение культуртехнических работ, работ по улучшению химических и физических свойств почв, научное и производственно-техническое обеспечение указанных работ». Идентичное определение данного термина содержится также в статье 1 Федерального закона «О государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения» от 16.07.1998 г. №101-ФЗ.. В полной мере это относится к борьбе с техногенной эрозией почв (табл. 7). Ограничительные меры (например, запрещение размещения пропашных культур на склонах) носят, как правило, частный характер. Их использование наиболее эффективно в тех случаях, когда ускоренная эрозия почвы еще началась, но угроза развития этого процесса уже существует.

Наиболее эффективными способами борьбы с эрозией почв в настоящее время считаются: почвозащитные севообороты, агротехнические и лесомелиоративные мероприятия, строительство специальных гидротехнических сооружений и создание на склонах противоэрозионных террас.

Почвозащитные севообороты. Они заключаются в учете, при планировании закономерной смены сельскохозяйственных культур на возделываемых площадях (составлении севооборотов), факторов, усиливающих или снижающих интенсивность эрозии почв. Так, в почвозащитных севооборотах на землях, в наибольшей степени подверженных эрозии (например, склонах), исключают пропашные культуры, при возделывании которых создается микрорельеф поверхности (борозды), способствующий развитию водной эрозии. Одновременно увеличивают посевы многолетних трав, промежуточных подсевных культур, которые хорошо защищают почву от разрушения. На склонах крутизной
до 3-5° со слабо- и среднесмытыми почвами, где появляется опасность проявления эрозии, предпочтение в севооборотах отдают травам и однолетним культурам сплошного сева. На более крутых склонах
(крутизна 5-10°), характеризующихся в основном средне- и сильносмытыми почвами, в севооборотах увеличивают посевы многолетних трав и промежуточных культур, хорошо защищающих почву от эрозии.

Агротехнические противоэрозионные мероприятия. Наиболее распространенными из них являются приемы контурной обработки земель, при которых вспашка, культивация и рядовой посев сельскохозяйственных культур осуществляются поперек склона. Это создает микрорельеф, продольные углубления которого идут в направлении, перпендикулярном движению стекающих по склонам вод, задерживая их. На склоновых землях используют замену отвальной вспашки обработкой почвы без оборота пласта с сохранением на поверхности обрабатываемого поля мульчирующего слоя из стерни, растительных и пожнивных остатков. В результате не происходит образования глубоких борозд.

Лесомелиоративные противоэрозионные мероприятия. Основными из них являются: создание водорегулирующих лесополос в малолесных районах, создание водоохранных лесных насаждений вокруг прудов и водоемов, сплошные противоэрозионные лесопосадки на сильноэродированных крутосклонных землях.

Водорегулирующие лесополосы предназначены для задержки поверхностного стока и перевода его во внутрипочвенный, для распыления концентрированных струй водного потока и уменьшения их скорости, осаждения мелкозема. Водоохранные лесные насаждения вокруг прудов и водоемов создаются для защиты берегов от разрушения, а водоемов - от заиления продуктами эрозии. Лесомелиоративные противоовражные мероприятия осуществляются с целью приостановления закрепления растительностью склонов оврагов. С помощью специальных гидротехнических сооружений производится задержание, отвод и безопасный сброс той части атмосферных осадков, которую не удается задержать на прилегающих к оврагам полях агротехническими и лесомелиоративными приемами.

Создание противоэрозионных террас осуществляется различными способами. Напашные террасы делаются обычными плугами, нарезные (выемочно-насыпные) - бульдозерами и тракторами.

Перечисленные агротехнические и мелиоративные мероприятия в настоящее время нередко носят частный характер или даже точечный характер. То есть конкретное мероприятие разрабатывается как ответ на конкретную угрозу утраты почвенного покрова на определенном участке. Создание управляемых природно-технических систем предполагает придание этой деятельности системного характера и возможности оперативного управления ею.

Таблица 7 Значимые формы глобального техногенеза почвенного покрова, обусловливающие переход естественной биосферы в состояние биотехносферы, возможные способы контролирования и управления данными процессами

Последнее особенно важно в условиях развития чрезвычайных ситуаций, многие виды которых прямо или косвенно провоцируют ускоренную эрозию почвенного покрова. Возникает необходимость мер более общего характера, замедляющего эрозионные процессы не в отдельных точках, а на обширных территориях. Примером может являться создание ирригационных систем, работа которых в совокупности с другими видами мер формирует растительность, препятствующую развитию эрозионных процессов на уровне ландшафта. В этом случае ирригационная система выполняет роль экологического регулятора управляемой природно-технической системы.

5.3 Истощение почв

Под термином «истощение почвы» понимается обеднение элементами питания и уменьшение биологической активности почвы в результате ее нерационального использования (ГОСТ 27593-88, таблица 1, пункт 79). В определенном смысле данный процесс можно рассматривать как разновидность химической деградации почвы (Добровольский, 2002). Ее опасность заключается не только в истощении запасов компонентов (гумуса, соединений азота и др.), необходимых для развития растений. Биологическая активность почв может резко снизиться и в результате привнесения в них различных загрязнителей.

В более узком, практическом смысле истощение почв обычно рассматривается как закономерное снижение их плодородия, под которым понимается способность земель приносить урожай. Эти понятия взаимосвязаны, но не равнозначны. Истощение - это видимый результат утраты почвой своих полезных свойств с точки зрения ее использования в растениеводстве. Плодородие - это интегральная оценка не только реальной, но потенциальной возможности почвы обеспечивать определенный уровень продуктивности растений. Вместе с тем именно изменение степени плодородия почв может дать адекватное представление как об истощении почв, так и об эффективности мер по борьбе с данным явлением.

Чтобы оценить комплекс причин, вызывающих истощение почв, необходимо уточнить содержание термина «плодородие». Его общеупотребительное значение, в смысле потенциальной урожайности земли, не отражает всей сложности обусловливающих его процессов.

Жизнедеятельность растений происходит в тесном взаимодействии с различными населяющими почву организмами: бактериями, микроскопическими грибами, почвенными животными и др. От состояния почвенной биоты, формирующей с растениями единую экосистему, во многом зависит плодородие почвы (Муравин, 2003) или в более широком смысле ее биологическая активность, о которой упоминается в приведенном выше определении термина «истощение почв». Поэтому специалисты понимают плодородие почв не как содержание в ней веществ, необходимых для развития растений, а как обширный комплекс необходимых для этого биотических и абиотических (физико-химических) условий, как способность почвы обеспечивать рост и воспроизводство (Ковда и др., 1988). Различают несколько видов плодородия:

Естественное (природное) плодородие - то плодородие, которым обладает почва в природном состоянии без вмешательства человека.

Искусственное плодородие - плодородие, которым обладает почва в результате воздействия на нее целенаправленной человеческой деятельности (распашка, периодическая механическая обработка, мелиорации, применение удобрений и т.д.).

Потенциальное плодородие - суммарное плодородие почвы, определяемое ее свойствами, как приобретенными в процессе почвообразования, так и созданными или измененными человеком.

Эффективное (актуальное) плодородие - та часть потенциального плодородия, которая реализуется в виде урожая растений при данных климатических (погодных) и технико-экономических (агротехнологических) условиях.

Относительное плодородие - плодородие почвы в отношении к какой-то определенной группе или виду растений (плодородная для одних растений почва может быть бесплодной для других).

Экономическое плодородие - экономическая оценка почвы в
связи с ее потенциальным плодородием и экономическими характеристиками земельного участка.

В отличие от других компонентов окружающей среды почвенный покров принципиально нельзя оградить от широкомасштабной техногенной трансформации. Для того чтобы существовать, человечество вынуждено интенсивно использовать почвы. При этом, чем больше урожай, тем большее количество компонентов почвы изымается из нее. Еще в древности человек осознал необходимость организации обратного процесса - активных действий по сохранению плодородия, точнее, создания искусственного плодородия. Простое внесение удобрений не всегда способно решить данную проблему. Для успеха этих мер необходимо, чтобы эти действия не обусловливали негативных изменений в почвенной среде в результате протекающих в ней естественных процессов. Например, не вызывали бы ее закисления. Поэтому в научной литературе под воспроизводством плодородия понимается совокупность природных почвенных процессов, а также целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий для поддержания эффективного почвенного плодородия на уровне, приближающемся к потенциальному плодородию (Ковда и др., 1988).

В подавляющем большинстве случаев проблемы истощения почв и сохранения их плодородия рассматриваются с точки зрения возделывания на них сельскохозяйственных культур. По мере глобализации техногенеза подобный взгляд становится все более узким, не учитывающим некоторых весьма важных аспектов. Плодородие почв - это основа биологической продуктивности большинства наземных экосистем. Их истощение может быть не связано с сельскохозяйственной деятельностью Например, снижение биологической активности почв может быть вызвано изменением уровня грунтовых вод под воздействием различных техногенных факторов., но вызывает деградацию обширных участков окружающей среды. Прогнозируя последствия подобных явлений, следует учитывать, что существуют огромные различия в требованиях к почве растений, формирующих природные фитоценозы, и к почве целенаправленно создаваемых агроценозов.

Площадь пахотно-пригодных почв составляет 3 млрд 278 млн гектаров, то есть 22 % всей площади суши (Добровольский и др., 2010). Еще менее значительна доля высоко- и среднепродуктивных почв (полностью распаханных и освоенных к концу ХХ века) - всего 9 %. Остающиеся земельные ресурсы, потенциально пригодные для выращивания сельскохозяйственных культур, требуют для освоения больших затрат.

Истощение почв вызывается самыми различными видами человеческой деятельности: от неправильного (истощительного) ведения сельского хозяйства до промышленного загрязнения почвенного покрова. Истощение почв нередко обусловливается их эрозией, сопровождающейся вымыванием из них гумуса (Ларешин и др., 2008)

В глобальном масштабе истощение почв - это один из основных факторов, который уже в обозримом будущем может выступить в качестве главной причины, ограничивающей дальнейшей рост народонаселения. Причем воздействие данного фактора будет приобретать все более катастрофичный характер. В ближайшей перспективе наиболее опасные его проявления - это усугубление продовольственного кризиса и голод, охватывающий обширные регионы.

На современном этапе более 90 % продуктов питания человечество получает в результате использования плодородия почв в земледелии и базирующемся на нем животноводстве (Добровольский, 2008). Между тем, площадь плодородных почв постоянно сокращается, а население Земли растет. Если в течение первой половины ХХ века площадь под зерновыми на душу населения сократилась в мире с 0,23 до 0,12 гектаров, то к 2005 году она упала до 0,07 гектаров.

Предотвращение продовольственного кризиса идет двумя основными путями. Первый из них - интенсификация сельскохозяйственного производства, второй - расширение площади возделываемых земель. Оба эти направления - не что иное, как усиление и расширение зон одной из основных форм техногенеза - «сельскохозяйственного техногенеза» (Суздалева, Горюнова, 2014а). В глобальном масштабе - это один из главных факторов, обусловливающих трансформацию естественной биосферы в биотехносферу.

Но существует и иная проблема, заключающаяся в воздействии техногенного истощения почв на природные экосистемы. Она привлекает значительно меньшее внимание общественности, чем надвигающийся продовольственный кризис. Но ее экологические последствия со временем могут стать не менее значимыми, вызывая все более расширяющуюся деградацию наземных систем: биологическая активность почв, на которых они существуют, снижается вследствие различных негативных техногенных воздействий (прежде всего - их загрязнения).

Например, бурение нефтегазопромысловых скважин сопровождается образованием значительного количества отходов (буровых шламов и др.), что приводит к устойчивому загрязнению почвы на обширных территориях (Кесельман, Махмудбеков, 1981; Московченко, 1998). Нередко это вызывает практически необратимую деградацию существующих в их пределах экосистем. Проникая в поверхностные водные объекты и подземные воды загрязнители, образовавшиеся при бурении скважин, могут создать и угрозу для здоровья людей, заселяющих данный регион в ходе освоения нефтегазовых месторождений (Савченко, 1998).

Как и при других формах техногенеза почв, ограничительные меры дают временный позитивный эффект локального уровня. Ослабление контроля за их соблюдением в течение непродолжительного периода, как правило, сводит на нет все достигнутые результаты. Повсеместная и постоянная защита почв от истощения может быть обеспечена только при создании иерархии управляемых природно-технических систем. При этом разнообразие и мозаичность почвенного покрова обусловливают необходимость дифференцированного подхода к решению этой задачи. Первым шагом должна стать разработка так называемых «моделей управления почвенного плодородия» (Ларешин и др., 2008). Уже созданы концептуальные подходы для создания иерархической системы таких моделей - от локального до глобального уровня. Их использование позволяет определить параметры деятельности, необходимые для создания и сохранения благополучного состояния почв. Дальнейшее развитие этого направления должно заключаться в создании механизмов, позволяющих сделать процесс управления состоянием почв одной из функций ПТС. В оптимальном варианте иерархия «моделей управления почвенного плодородия» должна разрабатываться сопряженно с формированием иерархии управляемых природно-технических систем. Особенно эффективно использование подобной природоохранной методологии может быть при крупномасштабном хозяйственном освоении новых регионов (Суздалева, Гальцова, 2015). Для этого централизованное планирование деятельности на первых этапах освоения территории должно осуществляться с учетом долговременных перспектив развития экологической ситуации (Суздалева, 2014). Еще более важно обеспечить преемственность работы органов управления состоянием окружающей среды на разных этапах освоения территории В случае освоения нефтегазовых месторождений это непрерывность деятельности по защите почвенного покрова от истощений и иных форм деградации от момента бурения первых разведочных скважин до создания инфраструктуры частично урбанизируемой территории. В настоящее время в число основных направлений систем экологического менеджмента (СЭМ) организаций, занимающихся обустройством региона нефтегазодобычи, нередко входит поиск и ликвидация захоронений отходов, сформировавшихся на предшествующих этапах освоения месторождений, а также попытки локально рекультивировать загрязненный почвенный покров на данных участках. . По сути, это одно из условий реализации на практике провозглашенного ООН «принципа устойчивого развития».

5.4 Урбанизация почвенного покрова

Под термином «урбанизация почвенного покрова» мы понимаем всю совокупность разнородных процессов, в результате которых происходит трансформация его состава и структуры при осуществлении городской и промышленной застройки.

По своему происхождению почвы, формирующиеся на урбанизированных территориях, делят на две категории: в той или иной степени трансформированные природные почвы и искусственные насыпные почвы (Машинский, 1973). Эта классификация не отражает все многообразие процессов, которое можно обозначить обобщающим понятием «почвенный техногенез» (Суздалева, Горюнова, 2014а). Так, в состав трансформированных почв можно включить участки с уничтоженным верхним слоем почвенного покрова и почвы, сохранившие свою структуру, но химические и биотические условия в которых претерпели принципиальные изменения (например, в результате их «запечатывания» асфальтобетонными покрытиями). Это вынуждает специалистов, изучающих почвенный покров урбанизированных территорий, вырабатывать новые подходы к их классификации, методам исследования, а также позиции в понимании самого термина «урбанизированная почва» В большинстве источников (Craul 1992; Строганова и др., 1997 а,б; Ковалева и др., 2012) используется термин «городские почвы» (urban soils). Однако он не в полной мере отражает данный аспект техногенеза. Например, эти понятия нельзя использовать для обозначения значительных участков почвенного покрова, находящихся под транспортными коммуникациями и нередко удаленных от городских поселений на значительное расстояния, или почв промзон, аэропортов и иных объектов техносферы, вынесенных за их пределы.. Например, на практике нередко возникает проблема: что еще можно считать трансформированной или насыпной почвой, а что уже является новым. чисто техногенным образованием Для их обозначения иногда используется термин «почвоподобные тела» (Строганова, Агаркова, 1992).? К настоящему времени разработано несколько классификаций почвенного покрова урбанизированных участков. Например, предлагается разделить урбанизированные почвы на следующие виды (Bridges, 1989): «скальпик» - почвы со снятым поверхностным слоем; «гарбик» - почвы, спонтанно сформировавшиеся на кучах органического мусора с метаном в порах; «урбик» - почвы с большим количеством неорганических промышленных включений; «скопик» - почвы, образующиеся на отвалах горных пород; «кумулик» - почвы, трансформированные под влиянием длительного искусственного орошения; «фумик» - почвы с насыпным поверхностным горизонтом из плодородного органического материала. По другой классификации (Кучерявый, 1991) на урбанизированных территориях можно выделить следующие группы почв: лесные природные (участки городских лесов); парковые природные; природно-искусственные почвы парков, садов, бульваров и внутриквартальных посадок; искусственные почвы уличных посадок и площадей.

Таким образом, понятие «урбанизированные почвы» в настоящее время еще окончательно не сформировалось и включает в себя весьма широкий спектр разнородных образований, некоторые виды которых имеют очень мало общего с природными почвами и рассматриваются не как почвы, а как «почвоподобные тела». При этом граница между различными категориями образований, покрывающими урбанизированные территории, нередко носит весьма условный характер. Например, к какой категории следует отнести природную почву, структура слоев которой в ходе человеческой деятельности была полностью разрушена (перекопана), но большая масса, составлявшие эти слои, в основном сохранилась?

В понимании многих современных специалистов городская (урбанизированная) почва - это любая почва или почвоподобное тело, функционирующее в окружающей среде города (Строганова, Агаркова, 1992).

Экологические функции, которые выполняет почвенный покров на урбанизированных территориях, весьма многогранны и во многом отличаются от роли природных почв в естественных экосистемах (Фролов, 1998; Ковалева и др., 2012). Основными из них считаются:

ь способность почв обеспечивать условия для существования городской растительности;

ь осуществлять физико-химическое и биологическое поглощение загрязняющих веществ и предотвращать их распространение в воздушной и водной средах;

ь являться важным фактором формирования местообитания различных форм биоты урбанизированных территорий и, таким образом, обеспечивать определенный уровень их биоразнообразия.

Однако этот перечень не следует рассматривать как исчерпывающий. Почвенный покров урбанизированных территорий в зависимости от местных условий сможет играть и существенную роль в других процессах, указанных в таблице 6. Например, от его состояния во многом зависит альбедо того или иного участка, а следовательно, и условия формирующегося на нем микроклимата.

Учитывая изложенное, в настоящей монографии понятие «урбанизированная почва» включает все виды грунтов как природного, так и техногенного происхождения, выполняющих на урбанизированных территориях разнообразные экологические функции и способных оказывать значимое влияние на формирование экологических условий.

Наиболее полно различные виды урбанизированных почв описаны в работе М.Н. Строгановой (1997б). Выделяются следующие основные группы:

v Естественные ненарушенные почвы, сохранившие нормальное залегание горизонтов естественных почв (приурочены к городским лесам и лесопарковым территориям, расположенным в черте города).

v Естественно-антропогенные поверхностно-преобразованные почвы, подвергшиеся изменению почвенного профиля до глубины менее 50 см. На их поверхности формируется так называемый «урбик», т.е. насыпной, перемешанный горизонт с примесью антропогенных включений (строительно-бытового мусора, промышленных отходов).

v Антропогенные глубокопреобразованные почвы или урбаноземы, в которых горизонт «урбик» имеет мощность более 50 см. В качестве отдельных видов выделяются экраноземы, индустриземы и интруземы.

Экраноземы (или экранированные почвы) формируются под асфальто-бетонным покрытием или сооружениями. Их также обозначают термином «запечатанные почвы».

Индустриземы - это почвы, сильно загрязненные тяжелыми металлами и другими токсичными веществами, что предельно сокращает биоразнообразие почвенной биоты.

Интруземы - почвы, пропитанные органическими масляно-бензиновыми жидкостями.

Особую разновидность почв этой категории представляют собой культуроземы - городские почвы фруктовых и ботанических садов, старых огородов. Они характеризуются большой мощностью искусственно созданного плодородного слоя (как правило, более 50 см).

v Почвоподобные техногенные поверхностные образования (урботехноземы). Они представляют собой созданные искусственно почво-грунты. Урботехноземы в свою очередь подразделяются на реплантоземы и конструктоземы. Первые возникают в результате искусственной отсыпки маломощного гумусового слоя (торфокомпостной смеси и т.п.) на поверхность с ранее практически полностью уничтоженным почвенным покровом К реплантоземам мы также относим и образования, формирующиеся в результате отсыпки плодородного слоя на урбаноземы (интруземы и индустиземы), практически утратившие свои природные свойства. Подобный тип почвенного покрова более распространен на урбанизированных территориях, чем «классические» реплантоземы, образующиеся после уничтожения всего почвенного профиля.. Создание конструктоземов - это конструирование почв по полному профилю, т.е. с различными слоями, выполняющими функции, свойственные слоям естественных почв, но могущими иметь иной состав. Конструктозем представляет собой не рекультивированную почву, а ее искусственный аналог.

Анализируя возможные способы предотвращения деградации почвенного покрова в процессе урбанизации, необходимо обратить внимание на обстоятельства:

1. Урбанизацию поверхности Земли на современном этапе развития человечества остановить невозможно. Следовательно, невозможно и остановить расширяющийся процесс урбанизации почвенного покрова. Можно только смягчить и отчасти компенсировать его негативные последствия.

2. Почвенный, точнее, почвенно-растительный покров урбанизированных территорий, - это не только важнейший фактор формирования экологических условий на участках компактного проживания и жизнедеятельности значительной (в скором времени - даже большей) части населения планеты, но и важнейший социально-психологический фактор (Суздалева, 2014; 2016). Жизнь на замусоренной, вытоптанной и неухоженой земле способствует росту комплекса психологических фрустраций и деприваций В силу специфики этих явлений для их обозначения целесообразно использовать специальные термины - «экологическая фрустрация» и «экологическая депривация» (Суздалева, 2015б)., выливающихся в рост общественного недовольства. Этот же фактор способен стать причиной роста не только психических расстройств, но и других заболеваний (Филин, 1997).

Следовательно, меры, направленные на предотвращение деградации почвенного покрова урбанизированных территорий или его улучшение, должны одновременно решать следующие задачи:

ь восстановление и оптимизацию рассмотренных ранее экологических функций почвенного покрова, способствующих улучшению условий окружающей среды;

ь улучшение видеоэкологического потенциала урбанизированных территорий и их социальной привлекательности Видеоэкологический потенциал - зрительно-психологическое воздействие, которое состояние территории оказывает на человека; социальная привлекательность района - степень его позитивного имиджа как селитебной территории (Суздалева, 2016б)..

На современном этапе эта деятельность, как правило, осуществляется в процессе благоустройства территорий, попавших в зоны городской и промышленной застройки. В методологическом плане здесь также доминирует ограничительная природоохранная парадигма. Предусматриваемые в соответствии с ней меры заключаются, главным образом, в рекультивации почвенного покрова. Основная цель этой деятельности - по возможности минимизировать (т.е. ограничить) неизбежное техногенное воздействие. Конечная цель этих мер - восстановить изначальное состояние почвенного покрова. Так, в официальном определении, данном в ГОСТ Р 54003-2010 ГОСТ Р 54003-2010 Экологический менеджмент. Оценка прошлого, накопленного в местах дислокации организаций, экологического ущерба. Общие положения. (п. 3.32), дается следующее определение: «Рекультивация земель - работы по восстановлению плодородия земель, утраченного в результате вынужденного нарушения в процессах техногенной деятельности или в силу биоестественных причин». В примечании к нему подчеркивается, что «главная цель рекультивации заключается в рациональном возобновлении хозяйственной ценности почв … формирующихся на протяжении сотен лет».

При урбанизации территории рекультивация заключается, главным образом, в попытках восстановления верхнего плодородного слоя почвы, утраченного в ходе градостроительной деятельности (табл. 7). Обычно итогом является создание реплантоземов и их последующее озеленение. В следующий период предпринимаются ограничительные меры, направленные на предотвращение действий, способных интенсифицировать эрозию почвенного покрова, его замусоривание или отравление различными загрязнителями. Следует отметить, что с внешней административно-нормативной точки зрения эти работы носят системный характер. Практически всегда существуют программы и планы рекультивации земель, реализуемые согласно действующим нормативам. Но одновременно при этом нередко отсутствует видение самого объекта предпринимаемых усилий как сложной системы. Почвенный покров воспринимается просто как субстрат, на который необходимо отсыпать слой плодородной земли или торфокомпостной смеси. Если почвенный профиль в процессе хозяйственного освоения территории не подвергся значимым физико-химическим изменениям, то подобные меры дают позитивный результат. Но это происходит далеко не всегда. Интенсивная урбанизация часто происходит в результате расширения границ уже ранее существовавших городских застроек и промышленных зон. Как правило, эти территории окружены свалками, сформировавшимися в течение продолжительного времени. Их рекультивация обычными способами не улучшает экологического состояния окружающей среды и может создавать предпосылки возникновения угрозы для здоровья населения. В захораниваемых свалках содержится большое количество загрязнителей. Продукты их разложения могут накапливаться в подвальных помещениях и оттуда проникать внутрь возводимых на этих участках жилых и производственных зданий. Так, авторам монографии приходилось наблюдать, как при разравнивании строительных площадок захоранивались целые пласты бытовых отходов, способные стать источником метана, фенолов, паров ртути и других вредных веществ.

Для предотвращения подобных действий необходима разработка новой нормативной базы, регламентирующей меры по сохранению и воссозданию почвенного покрова урбанизированных территорий, основанной на креативной парадигме. В данном контексте это подразумевает:

1. Выбор методов на основе специфики состояния почвенного покрова, подвергшегося техногенезу в процессе урбанизации. Если негативное воздействие человеческой деятельности ограничивалось разрушением поверхностного слоя, то для восстановления почвенного покрова достаточно эффективны традиционные способы его рекультивации. В тех же случаях, когда в результате накопления загрязнителей и длительного захоронения отходов глубокие слои почвы превратились в экологически опасные природно-техногенные образования, необходима их полная ликвидация и формирование на их месте искусственного почвенного профиля (конструктозема). Подобный креативный подход неминуемо связан с увеличением затрат и, не подкрепленный нормативными требованиями, не будет реализован. Современному производителю строительных работ, несомненно, значительно выгоднее засыпать торфокомпостной смесью пропитанный нефтепродуктами интрузем (нефтезем), чем снимать его и вывозить на утилизацию. А в дальнейшем потребуется еще и работа по созданию конструктозема. Однако в длительной перспективе эти действия оправданы. После возведения строений и прокладки транспортных коммуникаций извлечение из-под них нефтеземов, источающих фенолы, станет трудно разрешимой задачей. Вместе с тем условия, в которых происходит хроническое отравление людей фенолами (или иными токсичными почвенными высачиваниями), создаст затруднения при использовании возведенных сооружений. Следует отметить, что создание конструктоземов - это не обязательно отсыпка почвенных слоев из естественных материалов (например, взятых при рытье котлованов). Для этого могут быть разработаны и искусственные, экологически чистые материалы, способные выполнять аналогичные функции в условиях урбанизации территории более эффективно (например, не подвергаться анаэробному разложению при запечатывании почв).

2. Системное использование сохранившихся при урбанизации территории участков природного почвенного покрова. Разрушение почв в ходе жилой и промышленной застройки практически всегда носит мозаичный характер. При планировании градостроительной деятельности значительные участки предназначаются для создания объектов озеленения. В ходе благоустройства их почвенный покров планируется превратить в реплантоземы с дальнейшим формированием культуроземов. Однако одновременно с ними на урбанизированных территориях обычно остаются также участки с естественным или только «поверхностно преобразованным» почвенным покровом, для сохранения которого каких-либо системных действий не предусматривается. Это различные неудобья, остающиеся между площадками возводимых сооружений: заросшие овраги, поймы небольших рек и т.п. В совокупности эти объекты могут составлять значительную часть урбосистемы, под которой мы понимаем разновидность потенциально управляемой природно-технической системы, создаваемой для компактного проживания больших людских масс (Суздалева, 2014). Природно-технической данная система является по той причине, что качество составляющих ее элементов (например, воздух), делающих возможным существование людей, формируется в ходе естественных процессов. Значимую роль в создании экологических условий играет и почвенный покров урбосистем. Его открытым участкам в той или иной мере свойственны все основные экологические функции, присущие природным почвам. Кроме того, формирующиеся на почвах этих участков растительные сообщества являются местообитанием значительной части городской биоты.

Нередко неблагоустроенные участки урбанизированных территорий, почвы которых не подверглись глубокой техногенной трансформации, приобретают социальную значимость. Это происходит, когда население урбанизированных территорий использует их как неорганизованные места массового отдыха - «стихийные резорты» (Суздалева и др., 2012). С одной стороны, это усиливает антропогенную нагрузку и способствует деградации почвенного покрова этих участков (замусоривание и т.п.). С другой стороны, это создает материальную основу для мер по их сохранению при преобразовании подобных участков в организованные места массового отдыха. Следует обратить внимание на одну интересную особенность: процесс формирования управляемых природно-технических систем Одним из их видов являются организованные резорты, экологическое состояние которых управляется с целью создания благоприятных условий для отдыха людей. на начальном этапе может происходить по инициативе населения. Люди сами находят и начинают использовать для отдыха свободные участки урбосистем. Осваивая их, они начинают ощущать потребность в инфраструктуре, улучшающей условия отдыха. Это, в свою очередь, служит экономическим стимулом для превращения подобных неуправляемых природно-технических систем в управляемые. Важнейшим условием успеха этой деятельности является сохранение на этих участках природного почвенного покрова и свойственных ему экологических функций (формирование растительности, микроклимата и др.). Следует подчеркнуть, что в данном случае речь идет лишь о неблагоустроенных территориях, условия которых не представляют угрозы для здоровья людей. Однако стихийные резорты нередко образуются и на других участках. Так, авторам монографии в ходе проведения инженерно-экологических изысканий приходилось сталкиваться с организацией стихийных резортов (даже частично оборудованных для проведения пикников) на берегах открытых участков ливневой канализации, окруженных несанкционированными свалками. Очевидно, что подобные стихийные резорты необходимо ликвидировать.

Несмотря на различие методов и целей деятельности, оба рассмотренных выше направления улучшения и сохранения благополучного состояния почвенного покрова урбанизированных территорий (создание конструктоземов и городских резортов) вписываются в креативную парадигму, основывающуюся на активном управлении процессом техногенеза окружающей среды.

ГЛАВА 6. ТЕХНОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ЛИТОСФЕРЫ

6.1 Литосфера и ее экологические функции

В основополагающих работах В.И. Вернадского (2012) литосфера, или земная кора, рассматривается как одно их основных тел, слагающих биосферу и функционально взаимосвязанных с ее другими макрокомпонентами (гидросферой, атмосферой, педосферой) в единую систему. Вместе с тем существует одна особенность, отличающая литосферу от других частей биосферы. Хотя значительная часть составляющих литосферу горных пород образовалась в результате жизнедеятельности живых организмов или под ее прямым и косвенным влиянием, сама она почти не заселена ими. Они встречаются лишь в подземных водах в ее самых верхних горизонтах. Причем в подавляющем большинстве - это микроскопические формы, попадающие сюда из других частей биосферы (например, из почв). Какой-либо специфической биоты, средой обитания которой является именно литосфера, на данный момент не обнаружено.

По этой причине в экологических исследованиях литосфера рассматривается как практически неподвижная поверхность, некий инертный субстрат, свойства которого можно игнорировать в той же степени, как, например, свойства материала колбы при проведении химического опыта.

В реальности воздействие литосферы на формирование условий существования человека и других живых организмов весьма значимо и многообразно. Для обозначения отдельных видов этих воздействий предложен термин «экологические функции литосферы» (Трофимов, 2000; Трофимов, Зилинг, 2002). Основными из них являются:

- ресурсная экологическая функция литосферы, под которой подразумевается ее роль как источника естественных минеральных и органических веществ, необходимых для жизни организмов и обеспечения благоприятных условий жизнедеятельности человека, а также как поверхности для формирования их среды обитания;

- геодинамическая экологическая функция литосферы проявляется во влиянии на организмы и условия существования людей динамики различных геологических процессов;

- геохимическая экологическая функция литосферы - это роль литосферы в формировании химизма окружающей среды, имеющего важнейшее значение как фактор среды обитания водных и наземных организмов. Так, структурно-функциональная организация экосистем и характер пространственного распределения их отдельных видов во многом определяются особенностями геохимической провинции, в пределах которой они развиваются;

- геофизическая экологическая функция литосферы включает воздействие на организмы различных физических факторов, сила проявления которых определяется или зависит от строения земной коры (к подобным явлениям, например, относят электромагнитные аномалии над залежами некоторых горных пород).

Данная классификация во многом носит условный характер, и разграничение проявлений отдельных функций литосферы нередко затруднительно. Так, ресурсная функция во многих случаях неразрывно связана с геохимической, геодинамическая - нередко неотделима от геофизической.

Характер воздействия и последствия проявления всех экологических функций литосферы претерпевают существенные изменения в процессе глобального техногенеза. В особенности это касается трансформации ресурсной функции, которая, как правило, сопровождается изменением характера проявлений и других функций (Трофимов, Зилинг, 2002). Использование сырьевых запасов литосферы, сопутствующие этой деятельности образования крупномасштабных вещественных и энергетических потоков - это один из наиболее значимых факторов наблюдающейся трансформации планетарной экологической системы и превращения ее из биосферы в биотехносферу (Тютюнова, 1987). Не случайно, что теоретические основы учения о техногенезе окружающей среды были впервые сформулированы академиком А.Е. Ферсманом именно при изучении техногенных изменений литосферы. В своем фундаментальном труде «Геохимия» (А.Ферсман, 1934) он дал следующее определение данному процессу: «Техногенез - совокупность геохимических и минералогических процессов, вызываемых техническою (инженерною, горно-техническою, химическою, сельскохозяйственною) деятельностью человека» (с. 286).

Для анализа тенденций техногенеза литосферы необходимо вкратце остановиться на природе протекающих геологических процессов, формирующих структуру земной коры. Они подразделяются на две основные категории. Эндогенные геологические процессы обусловлены факторами, формирующимися в самой литосфере ее внутренней энергией. К ним относятся тектонические процессы, вулканизм, сейсмические явления. Эти процессы являются одним из факторов, оказывающих значимое влияние на функционирование планетарной экосистемы. При этом их воздействие носит многообразный и разнонаправленный характер. Крупные вулканические извержения, сопровождающиеся выбросом огромного количества аэрозолей, способны вызвать аномальное изменение гидрометеорологических условий в глобальных масштабах. В геологическом прошлом они, возможно, становились причиной экологических кризисов, изменявших состав биоты и структуру большинства существовавших экосистем (Безносов, 1998 а; 2000 а).

Трудно переоценить значимость влияния на биосферу тектонических процессов, вызывающих изменение конфигурации материков. Так, соединение Северной и Южной Америки создало условия для миграции на юг плацентарных млекопитающих. В результате этого за относительно короткий период подавляющее большинство видов сумчатых млекопитающих, населявших Южную Америку, вымерло.

Важнейшую роль эндогенные геологические процессы играют в биогеохимических круговоротах, представляющих собой системное единство абиотических и биотических компонентов биосферы. В особенности это касается так называемых «осадочных циклов», в которых основные фонды элементов существуют в форме осадочных пород. Накапливающиеся в них элементы становятся недоступными для нуждающихся в них организмов на десятки миллионов лет. Их естественный возврат в экосистемы происходит в результате именно эндогенных геологических процессов. Примером может служить биогеохимический цикл фосфора. Его содержание в среде в доступной для растений форме (в виде фосфатов) - это нередко основной фактор, определяющий их развитие, а следовательно, и развитие последующих трофических уровней экосистемы. Постоянно какая-то часть фосфорсодержащих соединений уносится потоками воды в Мировой океан. Определенная часть этого фосфора постоянно уходит в виде малорастворимых веществ в морские донные отложения, которые постепенно преобразуются в осадочные породы. В естественной биосфере существовало два основных пути, делающих этот «законсервированный» фосфор вновь доступным для живых организмов. Например, это происходило вследствие тектонических процессов, сопровождающихся подъемом участков морского дна, покрытого осадочными породами, и их последующей эрозии. Второй путь включает попадание осадочных пород в расплавленную магму, подстилающую земную кору (астеносферу), и «переплавку» в ней фосфорсодержащих осадочных пород. Это происходит в зонах надвига (субдукции), в которых океаническая кора с образовавшимися на ее поверхности осадочными породами «уходит» под материковые плиты. Часть продуктов «переплавки» осадочных пород выбрасывается на поверхность во время вулканических извержений и вновь становится доступной для растений. По образному выражению известного американского эколога Ю. Одума (1968), если бы извержения вулканов прекратились, то количество людей, умерших от голода, было бы значительно большим, чем число погибших во время подобных катаклизмов.

Экзогенные геологические процессы происходят в результате воздействия на геологическую среду внешних факторов (внешней энергии). Их примером могут служить оползни, формирующиеся при обводнении горных пород на склонах, и обвалы, возникающие в результате частичного разрушения массивов горных пород в процессах их эрозии. Изменения рельефа, вызванные экзогенными геологическими процессами, способны вызвать масштабные изменения окружающей среды. Например, на месте долин могут образоваться обширные озера, возникшие при подпруживании водотоков обвалами или оползнями, может произойти подтопление больших участков, сопровождающееся возникновением заболоченных территорий.

В настоящее время человечество все более интенсивно осваивает ресурсы литосферы, нарушая ее структуру и происходящие в ней процессы. Расширяется как площадь ее техногенно-трансформированных участков, так и глубина проникновения в толщу земной коры, которая уже превышает
10-12 км (Тютюнова, 1987; Добровольский и др., 2010). Эта деятельность не только сопровождается ухудшением состояния окружающей среды, она нарушает функциональные связи между отдельными компонентами биосферы.

Системный анализ техногенеза литосферы можно осуществить, рассматривая в качестве его отдельных форм различные нарушения человеком естественных экологических функций литосферы.

6.2 Нарушения ресурсной экологической функции литосферы и меры по их минимизации в процессе глобального техногенеза

Трансформация ресурсной экологической функции литосферы в процессе глобального техногенеза одновременно происходит по трем основным направлениям.

Первое из них - это техногенное перераспределение содержащихся в земной коре доступных ресурсов веществ, необходимых для развития организмов и обеспечения благоприятных условий жизнедеятельности человека. Данные процессы техногенеза можно обозначить как «перераспределение вещественных ресурсов литосферы». Второе направление заключается в возникновении «дефицита ресурсов геологического пространства» (Трофимов, 2014). Под этим подразумевается техногенная трансформация литосферы, сопровождающаяся утратой или принципиальным изменением характера пространства, пригодного для обитания организмов, проживания людей и осуществления ими традиционных форм хозяйственной и иной деятельности. В качестве третьего направления техногенной трансформации ресурсной функции литосферы можно рассматривать «искусственное образование сырьевых запасов» (так называемых «техногенных месторождений вторичных ресурсов»). Это накопленные в процессе предшествующей хозяйственной деятельности скопления веществ (горнопромышленные отвалы и др.), которые могут быть использованы в качестве ресурсной базы современного производства. Одновременно подобные техногенные месторождения, как правило, являются мощными источниками химического, а в ряде случаев -
и радиационного загрязнения. Их существование представляет опасность для близлежащих экосистем и здоровья населения.

Нередко перечисленные разновидности нарушения ресурсной функции литосферы могут одновременно рассматриваться и как нарушение ее геохимической функции, а в ряде случаев - и геофизической или геодинамической функций.

Рассмотрим перечисленные процессы и явления более подробно, оценив возможности различных способов по снижению их негативного воздействия на состояние окружающей среды.

Проблема техногенного перераспределения вещественных ресурсов литосферы сейчас наиболее остро проявляется в форме истощения запасов подземных вод или, напротив, в изменении гидрогеологических условий, заключающихся в избыточном обводнении верхних слоев литосферы (Тютюнова, 1987; Трофимов и др., 2015). Связь между этими явлениями и техногенезом может быть как прямой, так и косвенной.

Прямое воздействие, ведущее к утрате ресурсов подземных вод, заключается в истощении их источников при интенсивной эксплуатации. Другая форма прямого воздействия нередко наблюдается при строительстве водохранилищ, изменяющих гидрогеологическую структуру окружающей их территории. Обводнение верхних слоев литосферы может произойти в результате утечек из коммунально-бытовых сетей. Например, только потери из систем водоснабжения в России составляют 35 - 45 % (Зекцер, 2001).

Косвенное воздействие на гидрогеологические условия заключается в их трансформации в результате наблюдающихся глобальных климатических изменений. По мнению большинства специалистов, эти изменения обусловлены человеческой деятельностью, и, следовательно, могут рассматриваться как проявления глобального техногенеза. Так, результатом развития парникового эффекта в некоторых районах Северного Китая стало снижение глубины залегания водоносных горизонтов на несколько десятков метров. Подобные явления могут стать одной из причин опустынивания территории и деградации экосистем, а также делают невозможным осуществление традиционных форм хозяйственной деятельности. Аналогичные по своим масштабам негативные экологические и социально-экологические явления происходят и при аномальном увеличении количества осадков, приводящих к повышению уровня подземных вод, подтоплению и заболачиванию территорий.

Ужесточение норм и правил эксплуатации ресурсов подземных вод в современных условиях может обеспечить лишь некоторое замедление развития части кризисных явлений (табл. 8)

Устойчивый результат возможен лишь при создании управляемых природно-технических систем, способных контролировать процессы расхода и пополнения запасов подземных вод. В качестве их регуляторов могут быть использованы экологически оптимизированные гидротехнические сооружения или гидромелиоративные системы. Создаваемые на их базе водохранилища можно спроектировать с учетом их использования, как для пополнения ресурсов подземных вод, так и для предотвращения избыточного обводнения верхних горизонтов литосферы (Савкин, 2000). Эта задача может также выполняться ирригационными и осушительными гидромелиоративными системами.