Экологические проблемы почв

Содержание

1. Значение почвы ……………………………………………………………3

2. Структура почвы …………………………………………………………..3

3. Загрязнение почвы химическими веществами и его последствия……...

4. Методы контроля в  почвенном мониторинге ………………………….9

5. Биотехнология охраны  земель …………………………………..……...10

Список литературы ……………………………………………………..….12

Введение.

Почва – элемент географического  ландшафта. Первопричиной образования  почв явились живые организмы (главным  образом растения и микробы), поселяющиеся в разрушенной выветриванием  горной породе.

Происхождение почвы и  ее свойства неразрывно связаны с  условиями окружающей  среды. Она  отражает в своих свойствах исторический ход влияющих на нее природных  условий, производительных сил и  производственных отношений.

Почва таит в себе огромные резервы плодородия. Задача заключается  в умелом использовании их, что  возможно на основе углубленного познания процессов почвообразования и мелиоративного воздействия на почву.

Плодородие любой почвы  может быть повышено при правильном ее использовании. Почвы разных участков могут обладать одинаковым химическим составом, но различным эффективным  плодородием на данном отрезке времени  из-за различия в водно-физических свойствах, биологических и производственных особенностях.

Различия в естественном, или природном, плодородие обуславливаются  всем ходом почвообразования, а также  составом (химический состав, органическое вещество, коллоиды, газы ), свойствами (физико-химические, биологические ) и строением почвы.

Современное почвоведение достигло такого уровня, при котором можно  приступить не только к коренному  улучшению почв, но и созданию новых  вариантов почв с максимально  высоким плодородием.

1. Значение почвы

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение  такой ее части, как почвенный  покров. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера - становится целостной завершенной  системой, все части которой тесно  взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Почвенный покров является важнейшим природным образованием. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой  основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для  населения планеты. Площадь земельных  ресурсов мира составляет 129 млн. км2 или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 15 млн. км2 (10% суши), сенокосы и пастбища— 37,4 млн. км2 (25% суши). Общая пахотнопригодность земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км2.

Представления о почве, как  о самостоятельном природном  теле с особыми свойствами появились  лишь в конце XIX в., благодаря В. В. Докучаеву, — основоположнику современного почвоведения. Он создал учение о зонах  природы, почвенных зонах, факторах почвообразования.

2. Структура почвы

Почва — это особое природное  образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва — это та среда, где взаимодействует  большая часть элементов биосферы: 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. Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Для всех почв характерно уменьшение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним.

Горизонт A l — темно-окрашенный, содержащий гумус, обогащен минеральными веществами и имеет для биогенных процессов наибольшее значение.

Горизонт А 2 — элювиальный слой, имеет обычно пепельный, светло-серый или желтовато-серый цвет.

Горизонт В — элювиальный слой, обычно плотный, бурый или коричневой окраски, обогащенный коллоидно-дисперсными минералами.

Горизонт С — измененная почвообразующими процессами материнская порода.

Горизонт В — исходная порода.

Поверхностный горизонт состоит  из остатков растительности, составляющих основу гумуса, избыток или недостаток 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 располагается 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. Образование почв происходит на Земле с момента возникновения жизни и зависит от многих факторов:

Субстрат, на котором образуются почвы. От характера материнских  пород зависят физические свойства почв (пористость, водоудерживающая способность, рыхлость и т. д.). Они определяют водный и тепловой режим, интенсивность  перемешивания веществ, минералогический и химический составы, первоначальное содержание элементов питания, тип  почвы.

Растительность — зеленые  растения (основные создатели первичных  органических веществ). Поглощая из атмосферы  углекислоту, из почвы воду и минеральные  вещества, используя энергию света, они создают органические соединения, пригодные для питания животных.

С помощью животных, бактерий, физических и химических воздействий  органическое вещество разлагается, превращаясь  в почвенный гумус. Зольные вещества наполняют минеральную часть  почвы. Неразложившийся растительный материал создает благоприятные  условия для действия почвенной  фауны и микроорганизмов (устойчивый газообмен, тепловой режим, влажность).

Животные организмы, выполняющие  функцию преобразования органического  вещества в почву. Сапрофаги (земляные черви и др.), питающиеся мертвыми органическими веществами, влияют на содержание гумуса, мощность этого  горизонта и структуру почвы. Из наземного животного мира на почвообразование наиболее интенсивно влияют все виды грызунов и травоядные животные.

Микроорганизмы (бактерии, одноклеточные  водоросли, вирусы) разлагающие сложные  органические и минеральные вещества на более простые, которые в дальнейшем могут использоваться самими микроорганизмами и высшими растениями.

Одни группы микроорганизмов  участвуют в превращениях углеводов  и жиров, другие — азотистых соединений. Бактерии, поглощающие молекулярный азот воздуха, называют азотофиксирующими. Благодаря их деятельности, атмосферный  азот могут использовать (в виде нитратов) другие живые организмы. Почвенные  микроорганизмы принимают участие  в разрушении токсических продуктов  обмена высших растений, животных и  самих микроорганизмов в синтезе  витаминов, необходимых для растений и почвенных животных.

Климат, влияющий на тепловой и водный режимы почвы, а значит на биологический и физико-химические почвенные процессы.

Рельеф, перераспределяющий на земной поверхности тепло и  влагу.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении их плодородия. Под влиянием человека меняются параметры  и факторы почвообразования —  рельефы, микроклимат, создаются водохранилища, проводится мелиорация.

Основное свойство почвы  — плодородие. Оно связано с  качеством почв. В разрушении почв и снижении их плодородия  выделяют следующие процессы:

Аридизация суши — комплекс процессов уменьшения влажности обширных территорий и вызванное этим сокращение биологической продуктивности экологических систем. Под действием примитивного земледелия, нерационального использования пастбищ, беспорядочного применения техники на угодьях почвы превращаются в пустыни.

Эрозия почв, разрушение почв под действием ветра, воды, техники  и ирригации. Наиболее опасна водная эрозия — смыв почвы талыми, дождевыми  и ливневыми водами. Водные эрозии отмечаются при крутизне уже 1-2°. Водной эрозии способствует уничтожение лесов, вспашка по склону.

Ветровая эрозия характеризуется  выносом ветром наиболее мелких частей. Ветровой эрозии способствует уничтожение  растительности на территориях с  недостаточной влажностью, сильными ветрами, непрерывным выпасом скота.

Техническая эрозия связана  с разрушением почвы под воздействием транспорта, землеройных машин и  техники.

Ирригационная эрозия развивается  в результате нарушения правил полива при орошаемом земледелии. Засоление  почв в основном связано с этими  нарушениями. В настоящее время  не менее 50% площади орошаемых земель засолено, потеряны миллионы ранее  плодородных земель. Особое место  среди почв занимают пахотные угодья, т. е. земли, обеспечивающие питание  человека. По заключению ученых и специалистов, для питания одного человека следует обрабатывать не менее 0,1 га почвы. Рост численности жителей Земли напрямую связан с площадью пахотных земель, которая неуклонно сокращается. Так в РФ за последние 27 лет площадь сельскохозяйственных угодий сократилась на 12,9 млн. га, из них пашни — на 2,3 млн. га, сенокосов — на 10,6 млн. га. Причинами этого являются нарушение и деградация почвенного покрова, отвод земель под застройку городов, посёлков и промышленных предприятий.

На больших площадях происходит снижение продуктивности почв из-за уменьшения содержания гумуса, запасы которого за последние 20 лет сократились в  РФ на 25-30%, а ежегодные потери составляют 81,4 млн. т. Земля сегодня может  прокормить 15 млрд. человек. Бережное и  грамотное обращение с землей сегодня стало самой актуальной проблемой.

Из сказанного следует, что  почва включает минеральные частицы, детрит, множество живых организмов, т. е. почва — это сложная экосистема, обеспечивающая рост растений. Почвы  — это медленно возобновляемый ресурс. 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 другими абиотическими составляющими биосферы.

Хозяйственная деятельность человека в настоящее время становится доминирующим фактором в разрушении почв, снижении и повышении их плодородия.

3. Загрязнение  почвы химическими веществами  и его последствия

Техногенная интенсификация производства способствует загрязнению  и дегумификации, вторичному засолению, эрозии почвы.

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 (поглощение из атмосферы) за счет выхлопных газов автомобилей, в результате внесения компостных удобрений  и почва становится мёртвой при  содержании в ней 2-3 г свинца на 1 кг грунта (вокруг некоторых предприятий  содержание свинца в почве достигает 10-15 г/кг).

Мышьяк содержится во многих естественных почвах в концентрации  10 млн.-1, однакоегоконцентрация может увеличиться в 50 раз за счет применения для протравы семян арсената свинца. Ртуть в обычных почвах содержится в количестве от 90 до 250 г/га; засчет протравливания она может ежегодно добавляться в количестве около 5 г/га; примерно такое же количество попадает в почву с дождем. Дополнительные загрязнения возможны при внесении в почву удобрений, компостов и с дождевой водой.

Для уничтожения вредителей изобретены тысячи химикатов. Их называют пестицидами, а 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. Ежегодное применение пестицидов в сельском хозяйстве в РФ в период с 1980 по 1991 гг. находилось на одном уровне и составляло примерно 150 тыс. т, а в 1992 г. снизилось до 100 тыс. т.   Экологически значительно целесообразнее для борьбы с сельскохозяйственными вредителями использовать природные или биологические методы. Существуют четыре основных категорий биологических методов борьбы с вредителями:

а) с помощью естественных врагов;

 б) генетические методы;

в) использование стерильных самцов;

г) с помощью природных  химических соединений

В почвах подзолистого типа с высоким содержанием железа при его взаимодействии с серой  образуется сернистое железо, которое  является сильным ядом. В результате в почве уничтожается микрофлора (водоросли, бактерии), что приводит к потере плодородия.

К регионам со значительным загрязнением почвы следует отнести  Московскую и Курганскую области, к  регионам со средним загрязнением —  Центрально-Чернозёмный район, Приморский край, Северный Кавказ.

Почвы вокруг больших городов  и крупных предприятий цветной  и чёрной металлургии, химической и  нефтехимической промышленности, машиностроения, ТЭС на расстоянии в несколько  десятков километров загрязнены тяжёлыми металлами, нефтепродуктами, соединениями свинца, серы и другими токсичными веществами. Среднее содержание свинца в почвах пятикилометровой зоны вокруг ряда обследованных городов РФ находится  в пределах 0,4-80 ПДК. Среднее содержание марганца вокруг предприятий чёрной металлургии колеблется в пределах 0,05-6 ПДК.

За 1983-1991 гг. плотность атмосферных  выпаданий фторидов вокруг Братского алюминиевого завода увеличилась в 1,5 раза, а вокруг Иркутского — в 4 раза. Вблизи Мончегорска почвы загрязнены никелем и кобальтом более чем в 10 раз выше нормы.

Загрязнение почв нефтью в  местах её добычи, переработки, транспортировки  и распределения превышает фоновое  в десятки раз. В радиусе 10 км от Владимира в западном и восточном направлениях — содержание нефти в почве превышало фоновое значение в 33 раза.

Фтором загрязнены почвы  вокруг Братска, Новокузнецка, Красноярска, где максимальное его содержание превышает региональный средний  уровень в 4-10 раз.

Таким образом, интенсивное  развитие промышленного производства приводит к росту промышленных отходов, которые в совокупности с бытовыми отходами существенно влияют на химический состав почвы, вызывая ухудшение  её качества. Сильное загрязнение  почвы тяжёлыми металлами вместе с зонами сернистых загрязнений, образующихся при сжигании каменного  угля, приводят к изменению состава  микроэлементов и возникновению  техногенных пустынь.

Изменение содержания микроэлементов в почве немедленно сказывается  на здоровье травоядных животных и  человека, приводит к нарушению обмена веществ, вызывая различные эндемические заболевания местного характера. Например, недостаток йода в почве ведет  к болезни щитовидной железы, недостаток кальция в питьевой воде и продуктах  питания — к поражению суставов, их деформации, задержке роста.

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 (цистеин, 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, которые  могут инициировать у теплокровных животных развитие раковых заболеваний.

В почве всегда присутствуют канцерогенные (химические, физические, биологические) вещества, вызывающие опухолевые заболевания у живых организмов, в т. ч. и раковые. Основными источниками регионального загрязнения почвы канцерогенными веществами являются выхлопы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий, продукты нефтепереработки.

Антропогенное вмешательство  может влиять на повышение концентрации природных веществ или вносить  новые, посторонние для окружающей среды вещества, такие, как пестициды, ионы тяжелых металлов. Поэтому концентрация этих веществ (ксенобиотиков) должна определяться как в объектах окружающей среды (почве, воде, воздухе), так и в пищевых продуктах. Предельно допустимые нормы на присутствие остатков пестицидов в продуктах питания различны в разных странах и зависят от характера экономики (импорта-экспорта продовольствия), а также от привычной структуры питания населения.

Для характеристики загрязнения  почвы введен суммарный показатель загрязнения почвы (СПЗ): при СПЗ < 15 у.е. почва не опасна для здоровья населения; при СПЗ 16—32 у.е. — приводит к некоторому заболеванию детей. На 25% площади Москвы СПЗ > 32 у.е. (32—128 у.е.). При СПЗ > 128 у.е. очень часто болеют взрослые и дети, и особенно сильно уровень СПЗ отражается на репродуктивной функции женщин.

4. Методы контроля  в почвенном мониторинге

Почвенный покров накапливает  информацию о происходящих процессах  и изменениях, т. е. почва является своеобразным индикатором не только сиюминутного состояния среды, но и  отражает прошлые процессы. Поэтому  почвенный (агроэкологический) мониторинг имеет более общий ха­рактер и открывает большие возможности для решения прогностических задач. Основными показателями, которые оцениваются в процессе агроэкологического мониторинга, являются следующие: кислотность, потеря гумуса, засоление, загрязнение нефтепродуктами.

Кислотность почв оценивается  по значению водородного показателя (рН) в водных вытяжках почвы. Значение рН измеряют с помощью рН-метра, иономера или потенциометра. Оптимальные диапазоны рН для растений от 5,0 до 7,5. Если кислотность, — т. е. рН меньше 5, то прибегают к известкованию почв, при рН более 7,5-8 используют химические средства для снижения рН.

В настоящее время контроль за содержанием гумуса входит в число первоочередных задач. Изменение количества органического вещества в почве не только связано с изменением . почвенных свойств и их плодородия, но и отражает влияние внешних негативных процессов, вызывающих деградацию почв.

Содержание гумуса определяют по окисляемости органического вещества. К навеске почвы добавляют  окислитель (чаще всего хромлик) и кипятят. При этом органическое вещество, входящее в состав гумуса, окисляется до CO2 и Н2О. Количество израсходованного окислителя определяют либо титрометрическим методом, либо спектрофотометрическим. Зная количество окислителя, определяют количество органического вещества.

В последнее время применяют  анализаторы углерода, в которых  происходит сухое сжигание органического  вещества в токе кислорода с последующим  определением выделившегося СО2.

Антропогенное засоление  почв проявляется при недостаточно научно обоснованном орошении, строительстве  каналов и водохранилищ. Химически  оно проявляется в увеличении содержания в почвах и почвенных  растворах легкорастворимых солей  — это NaCI, Na 2SО4, MgCI2, MgS04. Наиболее простой метод обнаружения засоления основан на измерении электрической проводимости. Применяют определение электрической проводимости почвенных суспензий, водных вытяжек, почвенных растворов и непосредственно почв. Этот процесс контролиру­ется путём определения удельной электрической проводимости водных суспензий с помощью специальных солемеров. При контроле за загрязнением почв нефтепродуктами решаются обычно три основные задачи: определяются масштабы (площади) загрязнения, оценивается степень загрязнения, выявляется наличие токсичных и канцерогенных загрязнений.

Первые две задачи решаются дистанционными методами, к которым  относится аэрокосмическое измерение  спектральной отражательной способности  почв. По изменению окраски или  плотности почернения на аэрофотоснимках  можно определить размеры загрязнённой территории, конфигурацию площади загрязнения, а по снижению коэффициента отражения  оценить степень загрязнения. Степень  загрязнённости почв можно определить по количеству содержащихся в почве  углеводородов, которое определяется методами хроматографии.

5. Биотехнология  охраны земель

Загрязненность почв неорганическими  ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных  минеральных добавок приводят к  снижению урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также  эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьма затратными. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время  стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются  безграничные, возобновляемые ресурсы  удобрений, содержащие необходимые  питательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда и превышающие по качеству органические удобрения (например: осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и ор­ганизационно) в целом разрешимо, то второе — требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в  России и за рубежом проводится большая  работа по селекции и получению методами генетической инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву  вместе с осадками продуцировать  полимеры, переводящие тяжелые металлы  в неподвижные формы, и осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие  насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения  биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязнений земель является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь, способна разрушить загрязнения  такого типа. Смешение загрязненной нефтью почвы с измельченной сосновой корой  ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а  также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологический прием получил название «микробное восстановление загрязненной нефтью почвы».

Не менее перспективным  и эффективным является бактериальный  препарат «Путидойл», промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Pseudo — топаз. Конкретные параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с неф­тью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойства почв.

Список использованной литературы

1.     Арустамов Э.А. Природопользование. Учебник. Издательский дом "Дашков и Ко". М. – 2000.

2.     Валова В.Д.  Основы экологии. Учебник.  Издательский дом "Дашков и Ко". М.– 2001.