Почва

Почти всё, что мы едим, даёт почва. Она же накапливает и очищает пресную воду, обеспечивая питание растений. Растения, в свою очередь, предохраняют почву от разрушения — эрозии под действием выветривания и смыва поверхностными водами.

Почва представляет собой смесь взаимодействующих между собой неорганических веществ (глина, песок, ил), разложившегося оргагмческого вещества (гумус), воды, воздуха и огромного числа живых организмов — бактерий, простейших, грибов, червей, насекомых и т. д.

Зрелая почва вместе с произрастающими на ней растениями есть климаксовый биогеоценоз, состоящий из нескольких слоев — почвенных горизонтов. Вертикальная структура — профиль почвы показана на рис. 5.11. Поверхностный горизонт О состоит из листопада, веток и других органических остатков, гумусовый слой А — это пористая смесь частично разложившихся органических остатков, в которой обитают многочисленные почвенные живые организмы — детритофаги и сапрофаги. Именно этот гумусо-перегнойный слой почвы отвечает за её плодородие. При эрозии почв разрушение слоя А ведёт к потере плодородия. Восстановление этого слоя происходит (если происходит!) в ре-

Рис. 5.11. Почвенные горизонты. Масштаб по вертикали не соблюдён

зультате многолетней сукцессии. Горизонты В и С состоят в основном из неорганического материала и являются долговременными хранилищами для воды, заполняющей поры между минеральными частицами.

Дождевая вода, просачиваясь через слои О и А, растворяет минеральные и органические вещества и выносит их в слой Е, откуда они могут вместе с водой подниматься к корням за счет капиллярного эффекта (см. и. 2.2). Корням растений требуется не только вода с растворёнными в ней веществами для питания, но и кислород воздуха для дыхания {аэрация).

Структура почвы и её сохранность сильнейшим образом зависят от растений, корни которых пронизывают её верхние горизонты. Биомасса корней может составлять от 10 до 99 % от биомассы растений. Биогеоценозы с относительно большой массой корней обладают и большей устойчивостью к неблагоприятным воздействиям, так как сеть корней препятствует эрозии. Для плодородия почвы чрезвычайно важно наличие в ней почвенных бактерий, прежде всего фиксаторов азота, грибов-детри- тофагов и дождевых червей, которые помимо переработки органических остатков производят непрестанное рыхление почвы, обеспечивая её аэрацию и улучшая структуру. Поэтому в хорошей почве количество дождевых червей должно быть порядка миллиона на гектар и более.

Значительную роль в характере растительности и возможности для растений усваивать питательные вещества играет кислотность почв. Наиболее благоприятными для земледелия являются нейтральные и слабокислые почвы с водородным показателем pH между 6 и 7[36], так как они обеспечивают наилучшие условия по усвоению растениями минеральных веществ. Некоторые культуры, например картофель и ягоды, хорошо растут и при высоких уровнях кислотности с pH ^ 6. При выращивании пшеницы или кукурузы кислотность почвы снижают путём внесения на поля извести {известкование почв). Щелочные почвы с pH gt; 8 засоляются, и требуются специальные меры для борьбы с этим явлением.

В почвоведении различают более десятка только основных типов почв. Для земледелия особо важны чернозёмы с мощным, до 50 см, слоем гумуса и суглинистые (подзолистые, серые лесные) почвы, остающиеся после сведения лиственных лесов. Суглинки сравнительно быстро истощаются и требуют постоянного внесения удобрений в гумусовый горизонт.

В целом почвенные ресурсы Земли, пригодные для земледелия, в настоящее время исчерпаны примерно на 40 %. Площади, занятые чернозёмами, а также суглинистые почвы, расположенные в областях с наиболее благоприятными для земледелия условиями, практически полностью хозяйственно освоены.

Вовлечение новых земель в сельскохозяйственный оборот происходит главным образом за счёт вырубки тропических ле-

сов, что само по себе таит угрозу глобальной экологической катастрофы. Освоение этих земель не может решить проблемы роста производства продовольствия. Почвы тропических лесов малоплодородны. В горизонте В этих почв накоплено много соединений железа и алюминия. После сплошной вырубки тропические ливни смывают тонкий слой гумуса, и под совместным влиянием кислорода воздуха и воды на поверхности образуется очень прочная красная твердая порода — железняк. Земля становится бесплодной и непригодной для обработки. По различным оценкам, железняки уже покрывают более 10 % площади тропиков, а в Западной Африке — до 15 %.

Сохранение и умножение плодородия почвы есть одна из ключевых проблем выживания человечества. Между тем усиленная эксплуатация наиболее плодородных почв ведёт не только к их истощению (это ещё полбеды, — с помощью удобрений и агротехники эта проблема вполне разрешима), но и к их эрозии. Эрозия есть процесс разрушения почвы вследствие перемещения и рассеяния её частиц под действием ветра и поверхностного стока воды. Различают несколько типов эрозии. Плоскостная эрозия происходит под действием выветривания и тогда, когда водяные потоки стекают по полю сплошным потоком, унося с собой частицы верхних слоев почвы.

Ветровая эрозия особо интенсивна на больших открытых пространствах распаханных полей, так как для подъёма частиц почвы скорость ветра у поверхности должна превышать определённое пороговое значение, называемое критической скоростью подъёма. Для открытых распаханных полей критическая скорость приземного ветра очень невелика — она составляет 3—5 м/с. По достижении ветром критической скорости окрпт масса поднимаемых в воздух частиц М быстро растёт по закону:

v^J/v^X,              (5.1)

где v — скорость ветра на высоте около 1 ми а лежит в диапазо - не от 3 до 5. Особо катастрофического объёма эрозия достигает во время так называемых пыльных бурь, когда сильный ветер поднимает на обширных пространствах миллионы тонн частиц почвы и рассеивает их на расстояния в тысячи километров.

При струйной водной эрозии на поверхности образуются ручьи, которые промывают себе русла, постепенно превращающиеся и сливающиеся в овраги. В конце концов происходит полное заовраживание сельскохозяйственных угодий, и они становятся непригодны для использования. За счёт эрозии площадь наилучших пахотных земель сокращается примерно на 5—7 % за десятилетие.

Слой плодородной почвы нарастает очень медленно — примерно на 1/10 мм в год. В естественных условиях зрелых биогеоценозов скорость образования почвы примерно равна суммарной скорости эрозии. Но практически все используемые человеком территории в той или иной степени поражены эрозией. На рис. 5.12 приведены осреднённые оценки скоростей восстановления и эрозии почв, характерных для умеренных широт. Из этих данных видно, что при отсутствии специальных мер по защите и восстановлению почвенный покров сельскохозяйственных угодий быстро разрушается. Скорости естественного восста-

Рис.

климатических условий

новления абсолютно недостаточно для сохранения почв, используемых для сельского хозяйства.

Ещё более страшным бичом для почвы являются строительные работы и открытые карьерные разработки. Сохранение снятого почвенного покрова и его последующая рекультивация проводятся строителями и производителями горных работ в очень редких случаях. По меткому выражению известного специалиста по эколого-экономическим системам К. Г. Гофмана, «как правило, после них остаётся сплошной лунный пейзаж». По счастью, эти отрасли человеческой деятельности в целом охватывают относительно небольшую площадь. Однако в некоторых регионах России, Украины, США и Южной Африки эта проблема стоит очень остро: горно-, угле-, и нефтедобывающие территории завалены миллионами тонн отвалов, «хвостов» обогатительных фабрик и разливами нефти.

Антропогенная эрозия почв опасна не только для самих почв, но наносит значительный ущерб водным ресурсам. Смытые с полей верхние слои почвы, попадая в водоёмы, засоряют их и способствуют процессам эвтрофикации.

Крайней степенью эрозии является опустынивание. При умеренном опустынивании пастбищ и пахотных земель их продуктивность падает на 10—25 %, при сильном — на 25—50 %. Очень сильное опустынивание означает падение продуктивности земли более чем вдвое и образование на месте плодородных угодий глубоких оврагов и песчаных дюн. Опустынивание может происходить и в силу естественных причин, но в природе это достаточно медленный процесс, к тому же, как правило, обратимый, и происходит он на границах существующих пустынь.

Под антропогенным воздействием опустынивание может происходить гораздо быстрее и охватывать территории, далёкие от природных пустынь, но находящиеся в зонах недостаточного увлажнения. Судя по всему, современные полупустыни и пустыни Ближнего Востока, а возможно, и большая часть Сахары — дело рук человека.

Основными причинами антропогенного опустынивания являются: перевыпас скота на протяжении длительного времени; неправильное орошение, ведущее к засолению почв и раз рушению их верхнего слоя;

распашка земель, в принципе непригодных для

земледе

лия; вырубка и уничтожение лесов и кустарника; деградация земель за счет многолетней добычи полезных ископаемых, строительства и пр.

По различным оценкам, за вторую половину XX века опустыниванию подверглись от 300 до 800 млн га, но действенных мер в должном масштабе до сих пор никто не предпринимает.

С сожалением приходится констатировать, что Россия вместе с Китаем, Индией и США является лидером по скорости развития эрозии. В этих странах эрозией поражены около 35 % почв, и только сравнительно высокие значения коэффициента увлажнения (см. п. 2.1) спасают их от тотального опустынивания.

Для подавления эрозионных процессов существует целый ряд эффективных приёмов. Чтобы сохранить почвенную структуру, минимизируют механическое воздействие на почву, используя безотвальную обработку. Верхний слой почвы при этом рыхлится без переворачивания пластов. В результате сохраняются прошлогодние растительные остатки и влага и уменьшаются расходы энергии на обработку. Однако при этом приходится использовать много гербицидов — пестицидов, предназначенных для борьбы с сорняками.

На склонах пахота и сев должны вестись строго поперёк, а не вдоль склона. Тогда ряды растений препятствуют стоку воды и смыву верхнего слоя почвы. На более крутых склонах используется террасирование.

На поливных землях должны применяться дождевальные установки, позволяющие минимизировать смыв верхнего слоя почвы и правильно дозировать поступление воды, чтобы избежать заболачивания и засоления.

Особую роль в сохранении почв способны сыграть меры, которые можно назвать экологическими. В их основе лежит восстановление видового и ландшафтного разнообразия в антропогенных системах, что является основным условием повышения системной устойчивости любого биоценоза (см. п. 1.6), а также в максимально возможной степени восстановление в антропогенных биогеоценозах естественных геохимических круговоротов.

Сохранению почвы способствует использование чересполосицы, при которой сельскохозяйственные культуры высеваются 7-7841 Гальперин

чередующимися широкими полосами поперёк уклона. Этот приём используется совместно с севооборотом на полосах. Чередование полос не только снижает эрозию. Посев на части полос бобовых обогащает почву азотом, а смена типа растительности препятствует распространению болезней, сорняков и вредителей.

Чтобы избежать заовраживания, производятся посадки деревьев и кустарников. Эти посадки одновременно дают приют птицам, истребляющим насекомых, что позволяет сократить использование инсектицидов. Уже образовавшиеся овраги перегораживаются плотинами, которые удерживают наносы, постепенно заполняющие сам овраг.

Лесопосадки в виде полос не только уменьшают смыв почвы, дают приют птицам и препятствуют миграции нежелательных видов. Они являются одним из главных средств борьбы с ветровой эрозией. Резко увеличивая трение воздушных потоков о поверхность, лесные полосы уменьшают поверхностную скорость ветра, что в соответствии с формулой (5.1) может практически полностью подавить ветровую эрозию и, во всяком случае, предотвратить возникновение пыльных бурь.

В природных экосистемах взятые из почвы питательные вещества возвращаются в неё, что обеспечивает поддержание её плодородия в естественных условиях. В антропогенных биогеоценозах этот геохимический цикл оказывается разорван, так как каждый раз, когда убирается урожай, вместе с ним с полей вывозится масса питательных веществ, которые оказываются утраченными для экосистемы. Эрозия усиливает эту убыль. Так происходит истощение почв, эксплуатируемых в сельскохозяйственных целях. Поэтому эти почвы нуждаются в удобрениях и отдыхе.

Минеральные удобрения в силу относительной простоты применения наиболее употребительны в сельском хозяйстве. Они действительно позволяют пополнить запасы связанного азота, фосфора, калия и большинства других необходимых растениям веществ. Однако их применение недостаточно для полного восстановления почв и связано с рядом дополнительных проблем. Во-первых, они не пополняют утраченные запасы гумуса, а потому не восстанавливают структуру почвы, необходимую для удержания и накопления влаги. Нарушение структуры почвы и её уплотнение ведут к ухудшению аэрации корней. Среда обитания многочисленных организмов, живущих в почве и

важных симбионтов растений, оказывается нарушенной. Во- вторых, использование искусственных минеральных удобрений связано с необходимостью расчёта точной дозировки при их внесении. Это требует достаточно развитой агрохимической инфраструктуры, обеспечивающей постоянный контроль химического состава почвы. Последнее доступно далеко не всем хозяйствам даже в наиболее развитых странах.

Для восстановления слоя гумуса почва нуждается в органических удобрениях, основу которых составляют навоз, перегной и компост, то есть отходы жизнедеятельности живых организмов.

Навоз и птичий помёт являются наиболее эффективными органическими удобрениями. Однако их применение в условиях индустриализации животноводства, когда птица откармливается на гигантских птицефабриках, а свиньи и рогатый скот — на специализированных фермах и в откормочных хозяйствах, резко уменьшается в связи с необходимостью транспортировки. Эта сиюминутная экономия в долгосрочном плане обходится очень дорого по двум причинам. Во-первых, из-за невозвращения на поля ценнейших питательных веществ, а во-вторых, потому, что \ эти вещества слишком часто загрязняют округу ското- и птице-\ водческих хозяйств и источники пресной воды. Наряду с экскрементами животных важными органическими удобрениями являются перегной и компост. Перегной образуется в результате за-| пашки остатков зелёной массы, а компост специально готовится из смеси растительных остатков, навоза и почвы, разлагающейся I под действием микроорганизмов и детритофагов.

Применение только органических удобрений в целом не может компенсировать потерь почвой питательных веществ. Только совместное применение органических и минеральных удобрений, антиэрозионных мер и ротации сельскохозяйственных культур (то есть традиционного севооборота) вместе с правильной организацией поливного земледелия может спасти основу жизни — почву от массовой деградации в планетарном масштабе.