63437

Почвы и их рациональное использование. Экологическое состояние земельных ресурсов в РК. Источники, причины загрязнения и истощения земельных ресурсов. Проблемы опустынивания. Мероприятия по защите земель

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Почвы и их рациональное использование. Структура почвы Почва это особое природное образование обладающей рядом свойств присущих живой и неживой природе. Он назвал почвы четвертым царством природы наряду с минералами животными и растениями.

Русский

2014-06-20

78 KB

7 чел.

Дисциплина «Экология и устойчивое развитие»

Лекция №15. Почвы и их рациональное использование. Экологическое состояние земельных ресурсов в РК. Источники, причины загрязнения и истощения земельных ресурсов. Проблемы опустынивания. Мероприятия по защите земель.  

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части, как почвенный покров литосферы — верхней твердой оболочки Земли, включающей земную кору; литосфера ограничена атмосферой и гидросферой. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера становится целостной завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Структура почвы

Почва — это особое природное образование, обладающей рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва ' это та среда, где взаимодействует большая часть элементов сферы: вода, воздух, живые организмы. Почву можно определить как продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоев земной коры под влиянием живых организмов, атмосферы и обменных процессов.

Основатель науки о почве в России В. В. Докучаев говорил что почва есть функция от материнской породы, климата и организмов, помноженная на время. Он назвал почвы четвертым царством природы, наряду с минералами, животными и растениями.

Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одина^0-выми признаками), возникших в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местное

Поверхностный горизонт образован остатками растительности, составляющих основу гумуса, избыток или недостатки которого определяет плодородие почвы.

Гумус — органическое вещество, наиболее устойчивое к разложению и поэтому сохраняющееся после того, как основной процесс разложения уже завершен. Постепенно гумус также минерализуется до неорганического вещества. Перемешивание гумуса с почвой придает ей структуру.

Обогащенный гумусом слой называется пахотным, а нижележащий слой — подпахотным.

Основные функции гумуса сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве. Под гумусовым горизонтом располагаются подпочвенный слой, соответствующий выщелоченной части почвы, и горизонт, отвечающий материнской породе.

Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования и различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение.

Жидкую фазу почвы, или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами.

Газовую фазу почвы составляет "почвенный воздух", включающий газы, заполняющие свободные от воды поры.

Важным компонентом почвы, способствующим изменению ее физико-химических свойств, является ее биомасса, включающая кроме микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные) еще и червей и членистоногих.

Почва включает минеральные частицы, детрит, множество живых организмов, т. е. почва — это сложная экосистема, обеспечивающая рост растений. В. И. Вернадский называл почву биокосным веществом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

Почвы — это медленно возобновляемый ресурс. Почвообразование — сложный и противоречивый, многофакторный и взаимозависимый процесс, включающий минерализацию (гумификацию) органических остатков. Создание почвенного плодородия невозможно без участия великого множества различных живых организмов — животных, грибов и микроорганизмов.

Процессы почвообразования протекают очень медленно, со скоростью от 0,5 до 2 см за 100 лет. Мощность почвы невелика: от 30 см в тундре до 160 см — в западных черноземах.

Одна из особенностей почвы — естественное плодородие — формируется очень длительное время, а уничтожение плодородия происходит всего за 5-10 лет Из сказанного следует, что почва менее подвижна по сравнению с другие абиотическими составляющими биосферы.

Минеральные элементы питания и способность почвы их удерживать

Чтобы растения (продуценты) могли нормально расти и развиваться, почва как среда обитания должна удовлетворять их потребности в минеральных элементах питания, воде и кислороде. Очень важное значение имеют кислотно-основные свойства почвы (рН почвы) и ее соленость.

Для питания растений необходимы такие минеральные вещества, как нитраты (нитрат-ионы), фосфаты (фосфат-ионы), соли калия (калий-ионы), кальция (кальций-ионы). За исключением азота остальные биогены изначально входят в состав горных пород наряду с непитательными элементами (окисью кремния, алюминия и др ) Однако эти биогены недоступны растениям, пока закреплены в структуре материнской породы. Чтобы ионы биогенов перешли в менее связанное состояние или в водный раствор, материнская порода. Должна быть разрушена.

Материнская порода разрушается в процессе естественного выветривания. Выветривание включает все естественные физические процессы (замерзание оттаивание, нагревание, охлаждение и т. д.), биологические факторы (давление корней растений, растущих в мелких трещинах) а также различные химические реакции.

Азот поступает в почву при гниении органических веществ в виде аммиака, который под действием нитрифицирующих бактерий окисляется в азотную кислоту. Последняя, вступая в реакцию с находящимися в почве солями угольной кислоты, например, с карбонатом кальция, образует селитру:

СаС03 + 2НгТО3 -> Са(гТО3)2 + С02 + Н20.

Однако некоторая часть органического азота денитрофицирующими бактериями превращается в недоступную для растений форму (свободный азот). К процессам, возмещающим потерю азота, относятся:

  1.  атмосферные электрические разряды, при которых всегда образуется некоторое количество оксидов азота с последующим превращением в азотную кислоту и селитру;
  2.  превращение атмосферного азота в азотные соединения клубеньковыми бактериями, входящими в состав корней некоторых растений (например, бобовых культур, клевера и др.).

Таким образом, в природе совершается непрерывный круговорот азота, так же как и других биогенов. В агроэкосистемах этот круговорот нарушается, поскольку биогены удаляются вместе с собранным урожаем.

Когда ионы биогенов высвобождаются, они становятся доступны растениям, но могут также просачиваться через почвы (процесс выщелачивания). Выщелачивание не только снижает плодородие почвы, но и загрязняет водоемы.

Способность почвы связывать и удерживать ионы биогенов называется ионообменной емкостью почвы. Если ионообменная емкость почвы утрачена, то биогены выщелачиваются и плодородие почвы падает. Поэтому в агроэкосистемах необходимо постоянно пополнять биогены, внося их в виде удобрений.

Неорганические (или химические) удобрения представляют собой смесь минеральных биогенов. Органические удобрения — это растительные остатки и отходы животных (навоз, торф), они увеличивают ионообменную емкость почвы и по мере разложения высвобождают биогены

 

Гранулометрический состав различных типов почв и их свойства

Тип почвы

Диаметр

частиц,

мм

Инфильтрация воды

Водоудер-живающая способность

Ионообменная емкость

Аэрация

Обрабатываемость

Песок

2-0,05

Хорошая

Низкая

Низкая

Хорошая

Хорошая

Пыль

0,05-0,002

Средняя

Средняя

Средняя

Средняя

Средняя

Глины

0,002

Слабая

Высокая

Высокая

Плохая

Плохая

Суглинок (40% песка, 40% пыли и 20% глины)

< 0,002

Средняя

Средняя

Средняя

Средняя

Средняя

необходимые условия для жизни растений. Со временем гумус разрушается (до 50% в год), утрачивается почвенная структура — происходит минерализация почвы. Поэтому необходим постоянный приток детрита в почву. В природных экосистемах имеется взаимосвязь: почва обеспечивает растения биогенами, растения обеспечивают почву детритом, почвенную экосистему — пищей, защищают почву от эрозии, сокращают потерю воды от испарения и не препятствуют инфильтрации. Взаимосвязь между почвой и растительностью — динамическое равновесие, а не стационарное состояние: меньше гумуса -> меньше растений —> меньше детрита -> меньше гумуса и т. д.

Многое изменилось с тех пор, как Земля стала (говоря языком экономистов) предметом труда, средством труда и орудием производства. Естественное почвообразование в значительной мере приостановлено и заменено техногенными процессами, которые в совокупности называются земледелием.

Земледелие — это система воздействия на почву с целью получения высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственной продукции.

Экосистемы, формирующиеся с участием человека, называются агроэкосистемами. Агроэкосистемы имеют ту же принципиальную схему функционирования с передачей энергии по цепи "продуценты — консументы — редуценты", что и естественные экосистемы. Специфика агроэкосистем заключается в том, что их состав, структура и функции управляются не естественными механизмами самоорганизации, а человеком. Он стоит на вершине экологической пирамиды и организует пищевые цепи так, чтобы получить максимальное количество первичной (растениеводческой) и вторичной (животноводческой) продукции нужного количества.

Естественные экосистемы замкнуты, а агроэкосистемы открыты: с растениеводческой и животноводческой продукцией происходит отток из них элементов питания. Кроме того, некоторое количество элементов питания теряется за счет вымывания в грунтовые и наземные воды, а также эрозии — смывания или сдувания с полей мелкозема — наиболее плодородной части почвы.

Чтобы управлять агроэкосистемой, человек затрачивает антропогенную энергию — на обработку почвы и полив, на производство и внесение удобрений и химических средств защиты растений, на обогрев животноводческих помещений в зимнее время и т. д.

Однако даже при самом интенсивном сельском хозяйстве доля антропогенной энергии в энергетическом бюджете агроэкосистем составляет не более 1%. Основным источником энергии для ее работы остается Солнце.

Загрязнение почвы химическими веществами

К веществам, всегда имеющимся в почве, но концентрация которых может возрастать в результате деятельности человека, относятся металлы, пестициды. Из металлов в почве часто обнаруживают избыточные концентрации свинца, ртути, кадмия, меди и др.

Повышенное содержание свинца может быть вызвано атмосферной эмиссией (поглощением из атмосферы) за счет выхлопных газов автомобилей, в результате внесения компостных удобрений и т. П.

Мышьяк содержится во многих естественных почвах в концентрации около 10 млн"1 г, однако его концентрация может увеличиться в 50 раз за счет применения для протравы семян ар-сената свинца.

Ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га; за счет протравливания она может ежегодно добавляться в количестве около 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем.

Дополнительное загрязнение возникает при внесении в почву удобрений, компостов и с дождевой водой.

Для/уничтожения вредителей изобретены тысячи химикатов, их называют пестицидами. В зависимости от группы организмов, на которые они действуют, их делят на инсектициды (убивают насекомых), родентициды (уничтожают грызунов), фунгициды (уничтожают грибы). Однако ни один из этих химикатов не обладает абсолютной избирательностью в отношении организмов, против которых он разработан, и представляет угрозу также для других организмов, в том числе и для людей.

Экологически значительно целесообразнее для борьбы с сельскохозяйственными вредителями использовать природные или биологические методы. Существуют четыре основных категории биологических методов борьбы с вредителями:

а) с помощью естественных врагов;

б) генетические методы;

в) стерилизация самцов;

г) с помощью природных химических соединений.

Загрязнение почвы пестицидами, ионами тяжелых металлов приводит к загрязнению сельскохозяйственных культур и, соответственно, пищевых продуктов на их основе.

Так, если зерновые культуры выращивают с высоким естественным содержанием селена, то сера в аминокислотах (ци-стеин, метионин) замещается селеном. Образовавшиеся "селеновые" аминокислоты могут привести к отравлению животных и человека. Недостаток молибдена в почве приводит к накоплению в растениях нитратов; в присутствии природных вторичных аминов начинается последовательность реакций, котор могут инициировать у теплокровных животных развитие р ковых заболеваний.

Антропогенное вмешательство может влиять на повы ние концентрации природных веществ или вносить новЫе> сторонние для окружающей среды вещества, такие как пес циды, ионы тяжелых металлов. Поэтому концентрация эти веществ (ксенобиотиков) должна определяться как в об'ьек    ■ окружающей среды (почве, воде, воздухе), так и в пиШеВЫХ продуктах.

Предельно допустимые нормы на присутствие остатков стицидов в продуктах питания различны в разных странах и  < висят от характера экономики (импорта и экспорта продоВ°ль вия), а также от привычной структуры питания населения-

Земельные ресурсы Москвы подвержены загрязнению и захламлению. Для характеристики загрязнения почвы вве5.^ суммарный показатель загрязнения почвы (СПЗ). При ^     > меньшем 15 у. е., почва не опасна для здоровья населения, при СПЗ 16-32 у. е. приводит к заболеваниям детей.

На 25% площади Москвы СПЗ равен 32-128 у. е. При СП«э, большем 128 у. е., очень часто болеют взрослые и дети. Особенно сильно уровень СПЗ отражается на репродуктивной ФУНК" ции женщин.

Потеря почвы

Для устойчивого развития человеку необходимо осозн свое отрицательное воздействие на почву и принять МеРь снижению этого воздействия.

Увеличение численности человечества приводит К °ол интенсивному землепользованию. Характер деятельное™ ловека весьма разнообразен, и условно можно выделить с дующие аспекты:

а) сельское и лесное хозяйство;

б) строительство;

в) горнотехнические мероприятия

Сельское и лесное хозяйство включает земледелие, скотоводство, осушение заболоченных территорий, орошение, обводнение земель, распашку целины, вырубку лесов и др.

Разнообразное строительство также уменьшает количество пахотных земель (строительство крупных водохранилищ, каналов, плотин, ГЭС, промышленных комплексов, городов, железных дорог, населенных пунктов, коммуникаций).

Горнотехнические мероприятия, такие как разработка и эксплуатация минерального сырья, добыча полезных ископаемых, в том числе нефти и подземных вод, также изымают большие территории пахотных земель из природных и агроэкосис-тем. В результате разрушения природных экосистем происходит потеря почвы.

Самое разрушительное влияние на почву оказывает эрозия, т. е. процесс захватывания частиц почвы и их выноса водой (водная эрозия) или ветром (ветровая эрозия).

Вынос может быть медленным и слабым, когда почва медленно выдувается в ходе ветровой эрозии, и катастрофическим, когда водная эрозия образует глубокие овраги после сильного ливня (овражная эрозия). Растительный покров или естественный опал (опавшие листья) обеспечивают защиту земли от всех видов эрозии.

Водная эрозия начинается с капельной эрозии — действия ударов дождевых капель. Равномерное смывание почвы с поверхности называется плоскостной эрозией. Для удержания воды и биогенов в почве важнее всего гумус и глина, удаление которых за счет эрозии приводит к опустыниванию почвы.

Площадь сельскохозяйственных земель на планете составляет 51 млн км2 (10,4% площади суши). На душу населения приходится: в США — 0,67 га/чел., в ФРГ — 0,12, в Англии — 0,11, в Японии — 0,03, в России — 0,9 га/чел. На душу населения планеты приходится менее 0,5 га земли, и этот показатель имеет тенденцию к дальнейшему снижению. Россия — самая холодная, по территории — самая большая страна в мире, но по "эффективной площади", т. е. пригодной для жизни, занимает пятое место в мире Земельный фонд России имеет много неудобных земель: вечная мерзлота — 47-49%, пески, пустыни, полупустыни — 14-15%, заболоченные земли и болота — 9-10%, тундра — 8%, высокогорье — 3%, города и населенные пункты — 3% и только 15% — пахотные земли, площадь которых составляет около 230 млн га. Из них 160 млн га подвержены эрозии (в большинстве своем это чернозем и краснозем).

Знаменитый воронежский чернозем, 1 м3 которого хранится в Париже в качестве эталона плодородия, уже не дает того урожая, который был раньше (меньше в 1,5-3 раза). За последние 25 лет площадь сельскохозяйственных угодий уменьшилась на 24%, а пашни — на 18%.'

Несмотря на развитие науки и техники, истощение сельскохозяйственных угодий продолжается до сих пор. К концу XX в. утратили плодородие 17% сельхозугодий, больше всего — в Европе, Азии, Африке и Центральной Америке (20-25%), а меньше — в Северной Америке (около 5%).

Причинами потери почвы являются выпахивание, перевыпас, сведение лесов и засоление почвы при орошении.

Выпахивание увеличивает эрозию почвы, уменьшает ее влагоудерживающую способность; инфильтрация и аэрация также уменьшаются.

Перевыпас уничтожает травяной покров.

За счет указанных действий произошло опустынивание 61% плодородных земель засушливых районов, в частности: в Южной Африке — 80%, Западной и Южной Азии — 82-83%, азиатской части бывшего СССР — 55% и т. д. Ежегодно превращается в пустыню 6 млн га природных почв.

Сведение лесов. Лесной покров особенно эффективно предохраняет почву от эрозии и удерживает почвенную влагу, так как принимает на себя удары дождевых капель и позволяет им впитываться в рыхлый, пахотный слой почвы, покрытый опалом. Кроме этого, леса эффективно усваивают элементы питания, освобожденные при разложении детрита, т. е. рециркули-руют их. Следовательно, вырубка леса не только приводит к эрозии почвы, но и обедняет ее биогенный состав.

Великий русский агроном А. Т. Болотов практически определил соотношение между площадью пашни, лугов и количеством коров, при котором сохраняется плодородие почвы: при невысокой урожайности естественных лугов и сеяных трав площади лугов и пашни должны быть равны. В устойчивой агро-экосистеме доля лесов должна составлять 1/3 ее площади.

Способы борьбы с потерей почвы

Для борьбы с эрозией и опустыниванием почвы используются как традиционные, так и новые методы. К числу традиционных методов относятся:

ограничение выпаса;

восстановление лесов и рекультивация опустыненных земель;

борьба с засолением почвы путем использования хорошего дренажа, а также фосфатного гипсования;

применение севооборота;

образование полезащитных полос — рядов деревьев шириной 10-20 м, которые предохраняют поля от выветривания;

контурная вспашка, т. е. вспашка и культивация перпендикулярно склону;

узкополосный посев — чередование полос высеваемых культур (например, кукурузы и травы); часто одновременно используют контурную вспашку и узкополосный (ленточный) посев;

террасирование — оформление склонов в виде ступеней;

мульчирование — обкладывание корней растений соломой, навозом, торфом, компостом и т. д., что ослабляет испарение влаги с поверхности почвы, предупреждает образование поверхностной корки, угнетает прорастание сорняков.

К числу новых методов относятся:

беспахотное земледелие;

посадка многолетних культур.

Основными продуцентами агроэкосистем являются культурные растения. Чтобы культурные растения повышали устойчивость агроэкосистем, необходимо перейти от растений-рекордсменов к растениям-труженикам — возделывать те виды и сорта, которые могут быть "на самообслуживании" и требуют минимальных затрат антропогенной энергии, т. е. устойчивы к засухе и холоду, могут расти на бедных почвах, имеют иммунитет против болезней, способны конкурировать с сорняками.

В принципе, непреодолимых биологических барьеров на пути восстановления почвы нет, особенно если учитывать возможности генетической инженерии.

Охрана почвы обходится значительно дешевле, чем восстановление разрушенного почвенного покрова. Охрана почвы и ее улучшение — одна из главных задач современности.

Дореволюционная Россия была "житницей" планеты. В 1913 г. три четверти ее экспорта составляла сельскохозяйственная продукция, а по суммарному экспорту пяти важнейших зерновых культур — пшеницы, ржи, ячменя, овса и кукурузы — она занимала первое место.

В настоящее время острая необходимость для России — развитие внутреннего рынка сельскохозяйственной продукции, поскольку природные условия, транспортная необустроенность, исторически сложившаяся отсталость сельского хозяйства делают отечественное продовольствие неконкурентоспособным на мировом рынке. Многие отрасли растениеводства и животноводства оказываются нерентабельными из-за чудовищного соотношения между ценами на их продукцию и горюче-смазочные материалы. Однако наша сельхозпродукция вполне конкурентоспособна с точки зрения экологической чистоты.

В 90-е годы XX в. из-за кризиса на российской пашне почти не использовались минеральные удобрения и пестициды, что привело и к снижению урожайности. Это и изменение системы землепользования (переход от коллективного к фермерскому хозяйству) привело к тому, что доля импорта продовольственных товаров за последние 20 лет возросла с 22 до 45%. Для ликвидации продовольственной зависимости России необходимо увеличивать экономическую поддержку сельского хозяйств государством подобно тому, как это делается в США, странах ЕС, которые на это тратят более 50 млрд долл. в год.

Представляется целесообразным косвенное рыночное регулирование сельскохозяйственного природопользования. Как крупные предприятия, так и фермеры должны иметь доступ к льготным кредитам и льготному налогообложению. Однако при нарушении экологических норм и правил сельскохозяйственные производители могут и должны лишаться таких льгот.

  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

69318. Розв’язування СЛАР на основі LU-розладу матриці 542 KB
  До цієї задачі належать задачі обчислення визначників і обчислення елементів оберненої матриці. Іноді обчислення визначників і елементів оберненої матриці називають другою і третьою основними задачами лінійної алгебри. 2 заснований на використанні оберненої матриці...
69319. Аналіз похибок розв’язування СЛАР 336 KB
  Аналіз похибок через число обумовленості матриці Нехай обчислене значення x помилка розв’язку ε = b відхил або нев’язка розв’язку системи рівнянь x = b. Нев’язка може бути малим а помилка розв’язку великою. 52 cond = 1 число обумовленості матриці що дорівнює максимально...
69320. Ітераційні методи розв’язування СЛАР 307.5 KB
  Метод простої ітерації умови збіжності Для розріджених великих систем рівнянь досить добрі результати можна отримати як це було показано в попередньому параграфі застосуванням методу визначальних величин.
69321. Властивості власних значень і власних векторів матриці 115 KB
  Метод характеристичного рівняння матриці Коли на деякий вектор х діє матриця А то в загальному випадку отримується новий вектор у = Ах який відрізняється від вектора х як своїм модулем розміром так і орієнтацією в багатовимірному просторі.
69322. Степеневий метод обчислення власних значень 149.5 KB
  Для оцінки окремих власних значень матриці можна використовувати теорему Гершгоріна яка стверджує що матриця А порядку nxn має n власних значень кожне з яких лежить в межах круга: 4. Якщо λ власне значення матриці то завжди можна вибрати відповідний йому...
69323. Власні значення симетричних матриць 174 KB
  Остаточно маємо формули алгоритму Ланцош довільний нормований вектор; При цьому вважається, що Якщо то було випадково взято ортогональним одному з власних векторів. Тоді Т розпадається на дві тридіагональної матриці; характеристичний поліном – на добуток двох поліномів...
69324. LR-та QR-алгоритми обчислення власних значень 325.5 KB
  Цей метод базується на перетворенні подібності матриці А таким чином щоб власні значення матриці отриманої внаслідок перетворення знаходилися простіше чим для початкової матриці. Найбільш просто обчислювати власні значення трикутної матриці для якої...
69325. Інтерполяція алгебраїчними поліномами. Інтерполяційні поліноми Лагранжа та Ньютона 213 KB
  Таку заміну називають наближенням функції fx. Тоді при вирішенні задачі замість функції fx оперують з функцією φx а задача побудови функції φx називається задачею наближення. Такий спосіб наближення базується на теоремі Вейерштраса про наближення неперервної функції...
69326. Кусково-поліноміальна інтерполяція. Інтерполяція сплайнами 507 KB
  Поліном 3-го ступеня будемо називати кубічним сплайном Sx що відповідає вихідної функції fx і заданий на сітці впорядкованих вузлів =x0 x1 xn=b якщо задовольняютьсянаступні умови: а. Будемо виводити формулу для рівновіддалених вузлів коли: xi xi 1 = h Знайдемо значення функції...