Создание управляемых природно-технических систем

Следует обратить внимание на то, что техногенный подъем глубинных вод может спровоцировать крупномасштабное изменение условий, далеко выходящее за пределы района дестратификации вод, и в отсутствии вспышки цветения фитопланктона. Вода обладает значительно большей, чем воздух, теплоемкостью. По этой причине подъем холодных глубинных вод на относительно небольшом по площади участке океана способен привести к изменению гидрометеорологических условий, связанных с понижением температуры нижних слоев атмосферы, в значительно более крупных масштабах.

Таким образом, планируемые уже в ближайшем будущем различные проекты масштабного освоения ресурсов глубинных слоев океана могут привести к весьма опасным экологическим и социальным последствиям даже в тех случаях, когда они не сопровождаются традиционными формами воздействия на окружающую среду. Оценка их последствий, прежде всего, строится на определении сопутствующих этой деятельности традиционных формах загрязнения морской среды и связанных с ними возможных воздействиях на биоту. Как показывает приведенный выше пример из геологического прошлого Земли, подобный методологический подход, хорошо согласующийся с ограничительной парадигмой природоохранной деятельности, приводит к недоучету или даже игнорированию факторов, последствия которых могут стать несравненно более значимыми.

Виды человеческой деятельности, способные нарушить структуру толщи морских вод, к настоящему времени еще не достигли уровня, привлекающего внимание общества. Но как показывает анализ существующих тенденций, подобные события могут произойти уже в ближайшем будущем. При этом в кратчайшие сроки последствия данного направления техногенеза окружающей среды могут принять не только глобальный, но и практически необратимый характер. Это один из случаев, подтверждающий широко известное суждение о том, что главная задача науки состоит не в объяснении уже произошедших событий и разработке мер по сдерживанию, связанных с ними негативных явлений. Более важен их опережающий прогноз и выдвижение идей, реализация которых способна предотвратить возникновение нежелательных ситуаций.

Поэтому своевременная разработка методов управления процессами техногенной дестратификации Мирового океана, использование которых смогло бы предотвратить катастрофические последствия сопутствующие данной деятельности, в настоящее время является весьма актуальной задачей.

Условно все виды деятельности, приводящие к нарушению вертикальной структуры водных масс, можно разделить на две группы. К первой из них относятся те случаи, когда целью этой деятельности является непосредственно подъем к поверхности глубинных вод. Сюда относятся различные системы так называемого искусственного апвеллингаЭто название возникло по аналогии с природным явлением вертикального подъема глубинных вод, наблюдающегося в некоторых районах Мирового океана. Зоны искусственных апвеллингов, обогащенные биогенами из глубинных слоев, отличаются высоким уровнем биологической продуктивности и являются районами интенсивного промысла морских биоресурсов. В отличие от техногенных подъемов глубинных вод, естественные апвеллинги являются одним из элементов исторически сложившейся системы океанической циркуляции. , использующие богатые биогенами глубинные воды для повышения продуктивности хозяйств морской аквакультуры (Пшеничный, 1986; Пшеничный, Шевченко, 1989). Как правило, объем глубинных вод, использующийся на объектах марикультуры, относительно невелик и способен вызвать сугубо локальные изменения в водной среде. Однако некоторые проекты в этой области предусматривали использование искусственного апвеллинга и в более широких масштабах (Leone, 1980; Wilcox, 1982; Suzuki, 1994). В значительно больших масштабах целенаправленный подъем глубинных вод осуществляется и на так называемых океанских термальных электростанциях (ОТЭС или ОТЕС), которые получают электроэнергию за счет разности температур поверхностного слоя и более глубоких горизонтов (Isaaks, Schmitt, 1980; Коробков, 1985; Thomas, 1988; Lui Clark, 1995). Имеющие постоянно низкую температуру глубинные воды представляют значительный интерес для использования в системах охлаждения различных промышленных и энергетических объектов (Суздалева и др., 1998/1999; Безносов, 2003). Кроме того, как правило, глубинные воды содержат значительно меньшее количество личинок организмов-обрастателей, что крайне выгодно при техническом использовании этих вод. В связи с этим, вероятно, объемы глубинных вод, использующиеся в промышленности, в ближайшее время будут неуклонно возрастать.

В другой группе видов человеческой деятельности подъем холодных глубинных вод является побочным явлением. Практически любое крупномасштабное гидротехническое строительство вызывает значительные изменения в гидрологической структуре моря. Разрушение вертикальной структуры моря также происходит во время прокладки кабелей, подводных тоннелей и, особенно, подводных взрывных работ. Следует иметь в виду, что в некоторых случаях для подъема весьма большого объема глубинных вод достаточно произвести небольшое локальное нарушение в структуре вод в зоне термопикноклинаСлой на границе двух водных масс, в котором наблюдается резкое изменение температуры (термоклин) и/или плотности вод (пикноклин). (Stommel et al., 1956), например, при единичном взрыве. Через образовавшуюся в термопикноклине «дыру» к поверхности устремляется громадный «фонтан» глубинных вод. Причем, этот «фонтан» может существовать достаточно долгое время. Само по себе наличие в толще воды каких-либо конструкций (например, опор нефтяных платформ) при взаимодействии с морскими течениями может вызвать образование восходящих потоков глубинных вод. Характер динамики вод может измениться и в результате строительства искусственных рифов (Гершанович, 1987). Аналогичные явления могут наблюдаться и при других формах изменения рельефа морского дна. Другим видом деятельности, вызывающим подъем большого количества глубинных вод в качестве побочного технологического продукта, является добыча различных видов морских полезных ископаемых (Ахмедов, 1985; Пилипчук, 2003). В связи с тем, что эта отрасль промышленности в настоящее время только начинает развиваться, невозможно даже приблизительно оценить ее роль в нарушении вертикальной структуры морских вод, однако имеющиеся тенденции свидетельствуют, что в ближайшие годы объем поднимаемых к поверхности глубинных сопутствующих вод, вероятно, будет весьма значительным. Нарушения стратификации моря могут быть вызваны также строительством и функционированием приливных электростанций (ПЭС) (Марфенин и др., 1995).

Нарушение гидрологической структуры морей может происходить и в результате сокращения стока рек, вызванного строительством водохранилищ или развитием орошаемого земледелия. Например, ожидается, что в первой половине XXI века уменьшение стока рек может привести к росту солености поверхностных вод Черного моря и к исчезновению в зимний период основного пикноклина (Виноградов, 1987). В результате возникнет угроза крупномасштабного подъема к поверхности глубинных вод. Крупномасштабные нарушения вертикальной структуры водных масс могут быть спровоцированы процессами, связанными с «парниковым» эффектом. (Manabe et al., 1994), который также большинством специалистов рассматривается как техногенный фактор. Так, потепление климата может вызвать интенсификацию прибрежных апвеллингов в результате усиления сгонных ветров (Fraga, 1995).

Таким образом, самые различные виды человеческой деятельности прямо или косвенно приводят к нарушению вертикальной структуры водных масс. В связи с этим уже в настоящее время такие явления в целом можно квалифицировать, как достаточно распространенную форму техногенеза, способную стать причиной ухудшения состояния окружающей среды и нарушить условия жизнедеятельности населения на значительных участках, вплоть до возникновения негативных последствий глобального масштаба (Безносов, 1998а). Стартовым событием таких процессов может стать относительно небольшое нарушения стратификации, затрагивающее участок моря площадью в несколько десятков км2 (Безносов, Железный, 2000). Поэтому мы рассматриваем техногенные нарушения стратификации Мирового океана как один из факторов преобразования биосферы в биотехносферу, значимость которого в полной мере может проявиться уже ближайшем будущем.

Подъем глубинных вод в значительных масштабах способен вызвать аномальное изменение гидрометеорологических условий, затрагивающие удаленные на большие расстояния регионы, а также может сопровождаться следующими явлениями, способными иметь негативные последствия:

v Понижением температуры поверхностного слоя моря и массовой гибелью теплолюбивых видов рыб и планктонных организмов (Безносов, Суздалева, 2001а). С экологической точки зрение искусственное понижение температуры воды может рассматриваться как разновидность физического загрязнения среды (Безносов, Суздалева, 2001б).

v Изменением химического состава поверхностных вод. Это может заключаться в резком повышении концентрации биогенных элементов и провоцировать процессы эвтрофирования. В ряде случаев глубинные воды могут содержать и высокотоксичные вещества (например, сероводород).

v Изменением физико-химических условий на участках техногенного подъема глубинных вод, провоцирующим нежелательные вспышки развития некоторых видов организмов. Например, планктонные водоросли вызывают возникновение «красных приливов», сопровождающихся массовой гибелью морской биоты и представляющих угрозу для здоровья людей. При достижении крупных масштабов цветение вод Мирового океана начнет оказывать влияние на биогеохимический цикл углерода. Если этот процесс не будет управляемым, маловероятно, что он приведет к компенсации парникового эффекта. Скорее эти явления лишь усилят масштабы и размах катастрофических климатических флуктуаций.

При оценке этих эффектов, возникают трудности, связанные с их нормированием, то есть с решением вопроса, в какой степени наблюдающиеся явления соответствуют действующим природоохранным нормативам и насколько они допустимы. Разрешить данную проблему можно, рассматривая поступление в поверхностный слой водоема глубинных вод как разновидность загрязнения - дестратификационное загрязнение (Безносов и др., 1998/1999). Главной его особенностью является то, что это загрязнение среды происходит только за счет пространственного перераспределения компонентов, присутствующих в этом же водном объекте. В качестве факторов, обусловливающих дестратификационное загрязнение, могут выступать физические, химические и биологические агенты, а также эффекты ими вызванные по своей сути не отличаются от эффектов, которыми сопровождаются аналогичные виды химического, физического и биологического загрязнения. В связи с этим для оценки отдельных воздействий, обусловленных нарушением стратификации вод, могут применяться уже разработанные и широко используемые нормативы (ПДК, НДС и др.).

Отдельные эффекты, связанные с функционированием глубинных водозаборов, можно рассматривать как:

? химическое дестратификационное загрязнение - эффекты, вызванные изменением химического состава среды в результате ее дестратификации. Увеличение концентрации биогенов в поверхностных слоях водоемов вследствие подъема глубинных вод можно рассматривать как один из видов эвтрофирования - дестратификационное эвтрофирование;

? физическое дестратификационное загрязнение - изменение физических параметров среды, вызванное нарушением ее естественной стратификации. По-видимому, в этой группе наиболее важным является изменение температуры, которое можно рассматривать как дестратификационное термальное загрязнение;

? биологическое дестратификационное загрязнение - аномальное массовое развитие отдельных видов организмов на участках нарушения стратификации.

Однако оценка эффектов, сопутствующих техногенной дестратификации вод, позволяет лишь создать базу для разработки природоохранных мер ограничительного характера. При интенсивном освоении глубинных ресурсов Мирового океана реальные возможности подобных действий будут быстро исчерпаны.

Вместе с тем, любой искусственно спровоцированный подъем глубинных вод следует рассматривать как формирование ПТС. Это происходит как при целенаправленном использовании различных устройств искусственного апвеллинга, так и при техногенной дестратификации, сопутствующей каким-то подводным работам. В обоих случаях морская экосистема начинает функционировать, испытывая воздействие не только природных, но и техногенных факторов.

Подобные ПТС, как и любые другие, могут быть неуправляемыми и управляемыми. Стихийно складывающиеся в районах подъема глубинных вод неуправляемые ПТС практически неизбежно будут вызывать описанные выше различные формы деградации окружающей среды.

Иной сценарий развития ситуации может быть реализован при создании на участках подъема глубинных управляемых ПТС, включающих использование холодных вод для получения электроэнергииПроизводство энергии осуществляется на основе использования разности температур глубинных и поверхностных слоев моря. Но после выхода глубинных вод из теплообменного оборудования их температура повышается до уровня, неспособного повлиять на термический режим в данном районе моря. и комплексы аквакультуры, поглощающие из них избыток биогенов и токсичные вещества. В настоящее время в данной области уже реализован ряд проектов. Например, в США подобные энергобиопродукционные комплексы в течение многих лет функционируют при экспериментальных ОТЭС (Taguchi et al., 1987; Thomas, 1988; Liu Clark, 1995).

Крупномасштабное управление биопродукционными процессами на основе контролируемого подъема глубинных вод может быть использовано как одно из средств борьбы с развитием парникового эффекта, а в перспективе - в качестве инструмента управления глобальными климатическими процессами (см. раздел 2.2).

Глава IV. Техногенез педосферы

4.1 Общая характеристика современного состояния почвенного покрова, его экологические функции и степень деградации

Педосфера - это оболочка суши, образованная покрывающим поверхность суши почвенным покровом. Она возникла в результате длительного и сложного комплекса физико-химических и биологических факторов, протекавших на границе литосферы и атмосферы. Основным исходным материалом для образования почв послужили переработанные в процессе жизнедеятельности организмов остатки отмершей наземной растительности и подвергшиеся разрушению верхние слои горных пород, составляющие подстилающую ее литосферу. Значительная часть почвенной массы состоит из живых организмов. Например, большая часть массы некоторых черноземов - это невидимые невооруженным глазом бактерии и другие организмы. Только в одном грамме плодородной почвы может содержаться несколько десятков миллиардов клеток микроорганизмов, а их общая сухая масса их может достигать 60-65 тонн на гектар. Доля органического углерода в этой биомассе может составлять 50-70% всего углерода в почве (Полянская и др., 1995). По этой причине В.И. Вернадский, разделяя основные компоненты биосферы («природные физические тела») на живые (живущие организмы) и косные (горные породы и др.), рассматривал почву как особое образование - «биокосное тело природы» (Вернадский, 2012).

Вследствие разнообразия постилающих горных пород, ландшафтных климатических и биотических условий состав почв, формирующих педосферу, чрезвычайно разнообразен. Вместе все виды почв обладают одним общим свойством - плодородием. Они являются субстратом, необходимым для развития подавляющей части наземной растительности, в т.ч. сельскохозяйственных культур. Поэтому состояние педосферы (плодородие почв и уровень их загрязненности) - это важнейший фактор, определяющий условия жизнедеятельности населения большинства стран.

Несмотря на то, что почвенный покров в масштабах планеты представляет собой тончайшую прерывистую пленку, его экологическое значение огромно (Ковда, Розанов, 1988; Добровольский, Никитин, 1990; 2006; Добровольский, 2002; Никитин и др., 2015). Педосфера играет не менее важную роль в функционировании планетарной экосистемы, чем значительно превосходящие ее по мощности другие оболочки Земли (геосферы) - атмосфера, гидросфера и литосфера, с которыми она находится в состоянии постоянного взаимодействия (Добровольский и др., 2010).

Так, состав континентальных водоемов и физико-химические характеристики приземного слоя воздуха в значительной мере зависят от процессов, протекающих в соприкасающихся с ними участках почвенного покрова.

В одной из своих работ В.И. Вернадский (1960) отмечал: «Мы обычно не учитываем и не представляем себе то огромное значение, которое имеет в жизни и химических реакциях океана почвенный покров нашей суши. Почва и морская вода химически и генетически тесно связаны». Не меньшее по своей значимости влияние протекающие в педосфере процессы оказывают на верхние слои литосферы Земли (Добровольский и др., 2010). Их следует рассматривать не только как материнские породы почв - источники формирования почв, но и как результат процессов, протекающих в педосфере (Добровольский, 1969).

Месторождения некоторых видов полезных ископаемых образовались под воздействием этих процессов. Таким образом, экологическое значение почвенного покрова весьма многогранно и включает обширнейший комплекс физико-химических и биологических процессов (табл. 4.1). Так, альбедо - показатель, характеризующий способности поверхности Земли отражать падающее на нее излучение, во многом определяет климат значительных территорий. Он зависит не столько от характера почвенного покрова, сколько от состояния развивающейся на нем растительности, которое, в свою очередь, определяется качеством почвы. Состояние почвенного покрова, плодородие почв - один из наиболее значимых факторов существования нашей цивилизации. В то же время именно человеческая деятельность (техногенез) уже давно стала основным фактором деградации почв.

Процессы, протекающие в педосфере, менее изменчивы во времени, чем в атмосфере и гидросфере Земли. Вместе с тем, ее статичность весьма относительна. Постоянно какая-то часть почвенного покрова разрушается в результате естественной водной и ветровой эрозии (дефляции). Одновременно происходят процессы, ведущие к пополнению почвенной массы - процессы почвообразования, важнейшее значение в которых играет разложение и накопление растительных остатков.

Баланс процессов разрушения почв и процессов почвообразования определяет сохранность почвенного покрова. При этом естественные процессы почвообразования происходят достаточно медленно, тогда как спровоцированные человеческой деятельностью деградация почв может идти весьма высоким темпами.

Смыв в процессе естественной эрозии 20 см почвы под пологом леса происходит за 174 тыс. лет, на лугу - за 29 тыс. лет (Чернова, Былова, 2007). В современном мире при сельскохозяйственном использовании почв этот же процесс происходит менее чем за 100 лет, а в некоторых случаях, например, при бессменной монокультуре кукурузы - всего за 15 лет.

Человек активно воздействовал на почвенный покров, начиная с самых первых этапов развития цивилизации. Это приводило не только к трансформации структуры и состава почв на небольших участках, занимаемых под поселения и посадки сельскохозяйственных культур. В ряде случаев эти процессы охватывали обширные регионы. Так, некоторые специалисты связывают с распашкой земель (по сути, с техногенезом) не только возникновение пустыни Сахара, но и образование сельвы бассейна р. Амазонки, на некоторые участки которой «еще не ступала нога человека». По мнению ученых, первопричиной этого являлась интенсивная эрозия почв, спровоцированная примитивными формами земледелия в верховьях р. Амазонки (Гумилев, 2007). И это, в свою очередь, стало причиной отложения мощных наносов в нижних частях ее бассейна, подпруживания ее стока и заболачивание огромной территории - современной амазонской сельвы.

Таблица 4.1. Глобальные функции почвенного покрова (по Добровольский и др., 2010)

Развитие человеческой цивилизации сопровождалось сельскохозяйственным освоением все новых и новых территорий и углублением техногенеза уже задействованных участков почвенного покрова в т.ч. в процессе урбанизации. Для примера можно сравнить степень и масштабы трансформации почвенного покрова в современной Москве и Москве XVII века. В тот период даже в центральных частях города значительная часть почв, ныне почти полностью запечатанная асфальтобетонными покрытиями, еще сохраняла свои естественные черты и свойства, использовалась под сады и огороды.

Мировое сообщество уже давно обратило внимание на глобализацию процессов деградации почвенного покрова (Добровольский, 2002). В 1972 г. на Первой Всемирной конференция Организации объединенных наций по окружающей среде было заявлено о необходимости охраны почв как о требующей незамедлительного решения мировой проблеме. В 1982 г. Международная организация по продовольствию (ФАО) приняла в 1982 г. Всемирную хартию почв, в которой призвала правительства всех стран рассматривать почвенный покров как всемирное достояние человечества.

В результате выполнения Международного научного проекта «Глобальная оценка деградации почв», осуществленного ЮНЕПЮНЕП - Программа ООН по окружающей среде или (англ. UNEP, United Nations Environment Programme), утвержденная резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН №2997 от 15 декабря 1972 года (A/RES/2997(XXVII)). Основной целью ЮНЕП является организация и проведение мер, направленных на защиту и улучшение окружающей среды на благо нынешнего и будущих поколений. в 1990 г., было установлено, что процессами деградации уже охвачена площадь около 2 млрд. гектаров. Из них: 55,6% подвержены водной эрозии; 27,9% - ветровой эрозии; 12,2% - воздействию химических факторов (засолению, загрязнению, истощению элементами питания); 4,2% - физическому воздействию (уплотнению и подтоплению).

Характеризуя масштабы деградации почв, необходимо указать на то, что за период развития человеческой цивилизации уже было утрачено около 2 млрд. га плодородных почв. На некогда плодородных территориях образовались так называемые бедленды (дурные земли), непригодные для ведения сельского хозяйства, и антропогенные пустыни (Добровольский, 2002). Для сравнения следует вспомнить, что современное мировое земледелие осуществляется на существенно меньшей (на 25%) по размерам площади, составляющей 1,5 млрд га.

Процесс утраты плодородных почв продолжается и в настоящее время. Ежегодно из сельскохозяйственного использования выбывает около 8 млн га за счет отчуждения на другие хозяйственные нужды и около 7 млн га - в результате различных процессов деградации. Таким образом, каждый год человечество в конце ХХ в. теряло около 15 млн га продуктивных угодий (Романова и др., 1993). При этом установлено, что процесс деградации почв идет с возрастающей скоростью: во второй половине прошлого века она увеличилась в 30 раз по сравнению со среднеисторической (Розанов и др., 1989).

Рассматривая проблемы техногенеза и деградации почвенного покрова, следует обратить внимание на принципиальное иное отношение специалистов к способам их решения, по сравнению с разработкой мер по предотвращению нежелательного изменения атмосферы и гидросферы. Земля издавна представляет объект, на который в значительно большей степени, чем на воду и тем более на воздух, распространяются собственнические права. С этим связано то, что в мерах по предотвращению деградации почвенного покрова доминирует не ограничительная, креативно-ограничительная парадигма. В сознании людей не может сформироваться стереотип мышления о желательном ограничении негативного воздействия, приводящего к порче принадлежащей им собственности. Человек всегда предпринимал активные действия, направленные не на ограничение таких факторов, а старался по возможности активно бороться с ними, используя все доступные ему технические средства. С давних времен люди создавали различные инженерно-технические сооружения, препятствующих утрате принадлежащих им земель. Наиболее древними способами является террасирование и защита земель от нежелательного затопления и размыва с помощью примитивных гидротехнических сооружений (насыпных дамб и др.).

На современном этапе сохранение, улучшение состояния и восстановление почвенного покрова - это важнейшие задачи, стоящие при создании большинства управляемых ПТС.

Специалисты насчитывают более 30 типов деградации почвенного покрова (Орешкин, 2010). Столь большое количество форм, которые принимает данный процесс, обусловлен как многообразием видов деятельности, использующих ресурсы педосферы, так и широким спектром ландшафтно-климатических условий, в которых протекают эти процессы (Assessment…, 2010; Добровольский и др., 2010). Это обусловливает неоднозначность понимания самого термина «деградация почв» различными специалистами (Добровольский, 2002). В связи с этим следует отметить, что в монографии данный феномен трактуется в соответствие с его простым и одновременно достаточно емким определением, принятым в действующей на территории РФ нормативной базе: «деградация почвы - ухудшение свойств и плодородия почвы в результате воздействия природных или антропогенных факторов» ГОСТ 27593-88 «Почвы. Термины и определения», таблица 1, пункт 77.

Ограниченный объем монографии не позволяет проанализировать причины и последствия всех форм техногенной деградации почвенного покрова, а также возможности управляемых ПТС в данной области. Рассмотрим только наиболее значимые процессы и явления, к которым следует отнести:

? эрозию почвенного покрова;

? истощение почвы;

? запечатывание почв.

4.2 Возможности управляемых ПТС для предотвращения процессов почвенной эрозии

Согласно общепринятому определению, эрозия почвы - это разрушение и снос верхних наиболее плодородных горизонтов почвы в результате действия воды и ветра ГОСТ 27593-88 «Почвы. Термины и определения», таблица 1, пункт 78.. В соответствии с этим различают водную эрозию и ветровую эрозию (дефляцию). Эти процессы могут носить естественный характер. Но по мере развития человеческой цивилизации основной их причиной стала производственная деятельность человека, включая в это понятие и производство сельскохозяйственной продукции.

Количественно процесс эрозии почв характеризуются двумя основными показателями: интенсивностью смыва (или сдувания), выражаемой в т/га в год, и мощностью утраченного слоя почвы в единицу времени (мм/год). (Щеглов, Горбунова, 2011). С помощью этих же характеристик оценивают и скорость процесса почвообразования. Степень опасности эрозии устанавливается на основе сопоставления интенсивности смыва (или сдувания) почвы со скоростью почвообразовательного процесса. Если интенсивность эрозии меньше скорости почвообразования, то ее принято считать нормальной. Если интенсивность потерь почвы больше скорости почвообразования, ее считают ускоренной. Эрозия, происходящую под воздействием техногенных факторов и приводящая к значимому изменению окружающей среды, в соответствии с принятыми определениями процесса техногенеза, следует рассматривать как одну из его форм - почвенный техногенез (Суздалева, Горюнова, 2014а). Под техногенной эрозией мы подразумеваем все формы разрушения почвенного покрова прямо или косвенно спровоцированные человеческой деятельности. К последним можно отнести и процессы эрозии, причиной интенсификации которых являются глобальные климатические изменения, обусловленные развитием парникового эффекта.

На современном этапе водная эрозия является основным по своей значимости фактором деградации почв. На ее долю приходится 83% от общей площади территорий с деградировавшим почвенным покровом (Добровольский, 2002).

В наибольшей степени эрозии подвержены почвы в самых развитых и в самых отсталых в промышленном отношении странах (State of the World..., 1994). В первом случае это вызвано высоким уровнем антропогенной нагрузки, во втором - низким уровнем противоэрозионных мер.

По своим масштабам в настоящее время преобладает водная эрозия. Она распространена на площади 1094 млн. га, тогда как ветровая эрозия - на площади в 549 млн. га (Добровольский, 2002). Области, подверженные этим видам эрозии почв, частично совпадают.

Водная эрозия традиционно подразделяется на два типа: плоскостную и линейную эрозию. Плоскостная эрозия представляет собой более или менее равномерный смыв со всей поверхности почвы. Линейная эрозия вызывает размыв почвы водными потоками, стекающими по образовавшимся в ней углублениям. На практике различие между этими явлениями носит достаточно условный характер. Вода никогда не стекает равномерно. На отдельных участках, благодаря особенностям рельефа, распределению растительности и другим причинам, размыв почвы даже при сплошном потоке воды идет более интенсивно. В результате водный поток быстро разделяется на отдельные струи, вызывающие линейную эрозию. Поэтому для окультуренных почв считается, что если следы эрозии исчезают в результате обычной обработки почвы, то это - поверхностная эрозия, если нет - линейная (Щеглов, Горбунова, 2011).

Сравнительно меньшая распространенность ветровой эрозии ни в коей мере не позволяет рассматривать ее как нечто второстепенное. Опасность этого явления, спровоцированного воздействием техногенных факторов, уже давно осознана не только специалистами, но и населением, проживающим в районах интенсивной дефляции почв. Так, в 1934 г. в США вследствие ветровой эрозии, вызванной широкомасштабной бесконтрольной распашкой прерий, возникли пыльные бури, затмевавшие небо над Вашингтоном и Нью-Йорком (Добровольский, 2008). Были разрушены пахотные горизонты почв на площади около 40 млн га. Происшедшее было объявлено национальным бедствием. Президент США Франклин Рузвельт очень образно высказался, охарактеризовав последствия этих событий: «народ, который разрушает свою почву, уничтожает сам себя». Именно по этой причине в 1935 г. в США была организована Государственная служба охраны почв, а в 1939 г. был принят закон о сохранении почв. Аналогичные по своим масштабам явления, однако, не удостоившиеся упоминания в речах руководителей страны, имели место и в Советском Союзе в 60-70-х гг. прошлого века после распашки больших площадей целинных земель на юге Западной Сибири, в северном Казахстане и Поволжье.

Следует остановиться еще на одном аспекте последствий ветровой эрозии. Обусловленные ей пыльные бури представляют собой угрозу для здоровья населения. Например, резко увеличивается заболеваемость астмой (State of the World..., 1994). Кроме того, распространение в воздухе почвенной пыли, в состав которой входят и споры бактерий, может служить причиной возникновения эпидемий (Добровольский, 2002). Еще большую опасность несет токсичная или радиоактивная пыль, источниками которой являются эродируемые ветром почвы загрязненных территорий.

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

Как уже указывалось выше, 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. Ограничительные меры, например, запрещение размещения пропашных культур на склонах, как правило, носят частный характер. Их использование наиболее эффективно в тех случаях, когда ускоренная эрозия почвы еще не 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.

v Почвозащитные севообороты. Они заключаются в учете факторов, усиливающих или снижающих интенсивность эрозии почв, при планировании закономерной смены сельскохозяйственных культур на возделываемых площадях (составлении севооборотов). 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. Так, 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°), в основном со средне- и сильносмытыми почвами, в севооборотах увеличивают посевы многолетних трав и промежуточных культур, которые хорошо защищают почву от эрозии.

v Агротехнические противоэрозионные мероприятия. Наиболее распространенным 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 вод, стекающих по склонам. Еще одним из агротехнических противоэрозионных приемов на склоновых землях является замена 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.

v 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, для 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 эрозии и закрепления растительностью склонов оврагов.

v 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.

v 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 ПТС предполагает придание этой деятельности системного характера и возможности оперативного управления ею. Последнее особенно важно в условиях развития чрезвычайных ситуаций, многие виды которых прямо или косвенно провоцирует 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 ПТС.

4.3 Борьба с истощением почв как функция управляемых ПТС

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) ГОСТ 27593-88 «Почвы. Термины и определения», 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 почв 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, как 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 зависят плодородие почвы (Муравин, 2003) или, в более широком смысле, - ее биологическая активность, на которую ссылаются 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 и способность почвы обеспечивать рост и воспроизводство (Ковда и др., 1988). Различают несколько видов плодородия:

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

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

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

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

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

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

В отличие о других компонентов окружающей среды почвенный покров принципиально нельзя оградить от широкомасштабной техногенной трансформации. Для того чтобы существовать человечество вынужденно 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. По этой причине 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 обуженным, 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 вызывать деградацию обширных участков окружающей среды. Прогнозируя последствия подобных явлений, следует учитывать, что требования к почве существенно различаются у растений, формирующих природные фитоценозы, и у растений, входящих в целенаправленно созданные агроценозы.

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

Истощение почв вызывается сами 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 народонаселение. 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 в. площадь под зерновыми на душу населения сократилась в мире с 0,23 до 0,12 га, то к 2005 г. она упала до 0,07 га.

Предотвращение продовольственного кризиса идет двумя основными путями. Первый из них - интенсификация сельскохозяйственного производства, второй - расширение площади возделываемых земель. Оба направления представляют собой 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, заключающая 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 ширящуюся деградацию наземных систем, биологическая активность почв, на которых они существует, 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, 1992).

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 иерархи управляемых ПТС. 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, необходимых 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 ПТС. 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 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».

4.4Урбанизация почвенного покрова при создании управляемых ПТС

Под термином «урбанизация почвенного покрова» мы понимаем всю совокупность разнородных процессов, в результате и 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, этим понятия нельзя использовать для обозначения значительных участков почвенного покрова, находящегося под транспортными коммуникациями, 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: 1)лесные природные (участки городских лесов); 2)парковые природные; 3) природно-искусственные парков, садов, бульваров и внутриквартальных посадок; 4) искусственные уличных посадок и площадей.