Зонах европейской части России

Антропогенная трансформация массообмена в лесной и степной

Показатели	Миграция масс элементов на всей площади зоны, 10^6 • т/год
азот	фосфор	калий	кальций	сера
I	II	I	И	I	II	I	II	I	II
Лесная зона, плошадь 2,42 • 10^6 км^2
Поступление с атмосферными осадками	0,87	0,87	0,03	0,03	1,09	1,09	1,52	1,52	2,61	2,61
Вовлечение в биологический круговорот	21,1	20,6	2,9	2,38	5,5	9,91	9,2	8,1	1,5	1,46
Поступление с удобрениями	0,0	0,60	0,0	0,18	0,0	0,45	0,0	12,0	0,0	0,30
Вывоз с урожаем и рубка леса	0,0	11,3	0,0	1,11	0,0	4,54	0,0	5,31	0,0	0,60
Вынос с водным стоком	0,8	1,21	0,17	0,17	2,0	6,06	7,3	16,6	5,4	4,6
Степная зона, площадь 0,31 • 10^6 км^2
Поступление с атмосферными осадками	0,124	0,124	"	"	0,123	0,124	0,93	0,93	0,46	0,68
Вовлечение в биологический круговорот	6,5	2,01	0,25	0,34	0,7	0,8	5,5	0,73	0,5	0,095
Поступление с удобрениями	0,0	0,75	0,0	0,25	0,0	0,38	0,0	—	0,0	—
Вывоз с урожаем	0,0	1,4	0,0	0,2	0,0	0,64	0,0	0,47	0,0	0,08
Вынос с водным стоком	—	0,3	—	0,1	—	2,0	—	1,5	—	0,30

Условные обозначения. I — доисторический период; II — настоящее время.

Годовое движение масс химических элементов еще сильнее изменилось в степной зоне, где земледелие развито особенно широко. На площади около 0,3 млн км² южных степей, занятой в доисторическое время разнотравно-типчаково-ковыльной растительностью, распахано около 0,22 млн км². Изменения здесь весьма специфичны. Хотя с удобрениями вносится значительное количество азота, в целом захват в биологический круговорот массы азота уменьшился по сравнению с целинными степями до вмешательства человека. Вовлечение в биологический круговорот масс фосфора и калия сохранилось примерно на исходном уровне, но сильно возросла водная миграция этих элементов в результате эрозии почв. Особенно усилилась миграция калия, вынос которого с водным стоком в несколько раз превышает внесение этого элемента с удобрениями.

Население Земного шара растет, и проблема его обеспечения продуктами питания — одна из самых актуальных. Поэтому все больше увеличиваются дозы минеральных удобрений, расширяются старые и строятся новые горные предприятия, сооружаются новые химические комбинаты для переработки горно-химического сырья в минеральные удобрения. Искусственное включение масс химических элементов в биологический круговорот в настоящее время является главным мероприятием для повышения урожайности.

В табл. 16.2 сопоставлены массы потоков миграции азота, фосфора и калия. Из приведенных данных видно, что количество азота и фосфора, искусственно направляемых в систему биологического круговорота, уже превышает массы этих элементов, вовлекаемых в водную миграцию естественным путем.

Таблица 16.2

Промышленная продукция и природная миграция масс азота,

фосфора и калия, 10⁶ т/год (на уровне 1990 г.)

Процесс	Химический элемент
Азот	Фосфор	Калий
Ежегодное промышленное производство (N) или добыча (Р и К)	60*
Вынос речными водами (до широкого загрязнения вод): в растворимой форме во взвесях		0,8
Поступление с атмосферными осадками на сушу (до широкого загрязнения тропосферы)
Содержание в продукции восстановленной природной растительности континентов

* Без учета массы технологических отходов и бытовых выбросов, составляющей около 40×10⁶ т/год азота.

Особого внимания заслуживает существующее распределение масс азота в мировом сельском хозяйстве. Как видно из табл. 16.2, в 1970 г. в обрабатываемые почвы всего мира с минеральными удобрениями вносилось около 30×10⁹ т/год азота, в 1990 г. — около 60×10⁹, в 2000 г. — до 120×10⁹ т/год. В связи с агрохимической интенсификацией сельского хозяйства возникла проблема азота, имеющая не только биогеохимическое, но также экологическое значение.

Во-первых, искусственное введение крупных масс азота в обрабатываемые почвы нарушает сбалансированность массообмена в системе почва —растительность. Избыточные массы азота, не включенные в биологический круговорот, активно вовлекаются в водную миграцию. В геохимически подчиненных экогеосистемах (отрицательных элементах рельефа, озерах, а также водохранилищах, образованных плотинами гидростанций) аккумулируются соединения азота. Это вызывает усиленный рост водной растительности, зарастание водоемов, перегрузку их мертвыми растительными остатками и продуктами разложения. Во-вторых, аномально высокое содержание растворимых соединений азота в почве влечет за собой повышенную концентрацию этих элементов в сельскохозяйственных продуктах питания и питьевой воде. Установлено, что попадающие в организм человека нитриты образуют соединения, нарушающие кислородный обмен в крови человека и вызывающие метгемоглобинемию. Это сопровождается серьезными заболеваниями, особенно у детей. Не менее опасно образование нитрозоаминов, обладающих канцерогенными свойствами.

Имеющиеся данные позволяют заключить, что благодаря сильной незамкнутости природных циклов массообмена, связывающих отдельные экогеосистемы, нормальное функционирование глобального цикла азота сохраняется. Однако в некоторых сельскохозяйственных районах избыточные массы азота, которые не могут быть захвачены в биологический круговорот, вовлекаются в водную миграцию и нарушают нормальное функционирование биогеохимически подчиненных экогеосистем в районах интенсивного сельскохозяйственного производства.

Наиболее интенсивный поток веществ, поступающих в глобальную среду в результате хозяйственной деятельности людей, в настоящее время связан с добычей, транспортом, переработкой и сжиганием горючих полезных ископаемых. Включение огромной массы природных органических соединений в систему биогеохимических циклов биосферы пока еще полностью не осознаны, но многие негативные последствия этого процесса очевидны.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами Мирового океана нарушает всю систему биогеохимических циклов и является одной из наиболее актуальных инвайронментальных проблем начала III тысячелетия. Потери нефти при эксплуатации скважин и авариях нефтепроводов глубоко поражают отдельные наземные биогеосистемы. Тяжелые компоненты нефти, попадая в почву на длительное время изменяют ее водно-физические свойства и направленность микробиологических процессов. Излияние нефтяных вод приводит к образованию техногенных солончаков в ландшафтах, где по природным условиям их образование невозможно Выбросы в атмосферу вместе с нефтяными газами сероводорода деформируют биогеохимические циклы многих элементов. Среди химических компонентов нефти и ее дериватов для организма человека особую опасность представляют полициклические ароматические углеводороды, часть которых канцерогенна. В силу изложенных обстоятельств в развитых странах осуществляются разнообразные и дорогостоящие мероприятия, направленные на предотвращение и нейтрализацию последствий загрязнения нефтью. В частности, затраты на охрану окружающей среды в нефтяной промышленности США в 1980-х гг. составили около 2 млрд долл.

Вблизи мест разлива нефти образуются специфические геохимические аномалии, имеющие сложную структуру, обусловленную дифференциацией в процессе фильтрации. Формирование таких аномалий детально изучено Н.П.Солнцевой в условиях тундровых и таежных ландшафтов России (рис. 16.3)

Рис 16 3 Модель загрязнения сырой нефтью

(по Н.П.Солнцевой, упрощено):

зоны загрязнения 1 — преимущественного осаждения тяжелых фракций нефти, 2 — преимущественного осаждения легких фракций, 3 — преимущественного накопления минерализованных вод и легких фракций нефти, 4 — направления миграции нефти, 5 — поступление нефти с пленки на поверхности грунтовых вод, 6 — зона вторичного загрязнения над уровнем грунтовых вод, 7 — уровень грунтовых вод

Еще более значительные массы отходов образуются при эксплуатации месторождений каменного угля. Вблизи шахт и открытых разработок атмосфера загрязнена угольно-силикатной пылью и дымом, почвы погребены под отвалами вскрышных пород, состав поверхностных и грунтовых вод трансформирован продуктами окисления сульфидов железа, содержащихся в углях. Вокруг шахт и разрезов образуются поликомпонентные геохимические аномалии. В районах длительной эксплуатации отдельные техногенные аномалии сливаются в обширные техногенные геохимические поля, которые служат мощными источниками эмиссии веществ, загрязняющих атмосферу. Влияние этих полей распространяется далеко за их границами. Достаточно вспомнить случаи трансграничного переноса воздушных масс, обогащенных при сжигании угля оксидами серы и обусловленные этим кислотные дожди.

Следует отметить, что во многих развитых странах дальнейшая эксплуатация угольных месторождений сокращена или даже полностью прекращена и районы, многие десятилетия служившие примером губительных для природы разработок каменного угля (бассейн Рура в Германии, «Черная долина» в области среднего течения Роны во Франции), благодаря энергичным социально-экономическим и инженерным действиям рекультивированы и их природа возрождена.

В последние годы возник новый вид загрязнения органическими веществами, входящими в состав топлива космических ракет. Токсичными компонентами реактивного топлива является несимметричный диметилгидразин, хорошо растворимый в воде и свободно вовлекаемый в биологический круговорот.

Изучение участков, загрязненных остатками топлива, поступающими на поверхность почвы с остатками отделяемых ступеней ракет, было проведено в ландшафтах Центрального Казахстана Н.С.Касимовым и сотрудниками. Установлено, что диметилгидразин задерживается в гумусовом горизонте каштановых почв (средняя концентрация n×0,01 мг/кг), где образует ясно выраженные геохимические аномалии. Благодаря хорошей растворимости токсикант распространяется по почвенному профилю на глубину промачивания атмосферными водами, активно вовлекается в водную миграцию с поверхностным стоком и накапливается в бессточных депрессиях рельефа. В то же время диметилгидра-зин активно поглощается растениями, в результате чего его средняя концентрация в степной растительности почти на порядок выше, чем в почве (рис. 16.4). Соответственно размеры аномалий в растительности превышают размеры аномалий в почвах.

Рис. 16.4. Распределение концентраций несимметричного диметилгидра-

зина в почвах (7) и растениях (2) в районе запуска ракет в Центральном

Казахстане (по Н.С.Касимову и др., 1994)

Учитывая химические свойства несимметричного диметилгид-разина, можно предполагать, что в ландшафтно-геохимических условиях гумидных областей он будет более активно вымываться и образовывать менее ясные аномалии в почвах.

Дата добавления: 2014-11-20