Александр Рыженков - Физика окружающей среды

Нужно заметить, однако, что прогнозируемый рост с учетом сжигания всех видов органических материалов, равный 0,7 (частиц на миллион) в год не совпадает с наблюдаемым 0,2. По-видимому, реальный круговорот углерода в природе гораздо сложнее той модели, которую мы себе представляем на рисунке 6.

В воде углекислый газ растворяется в 35 раз лучше, чем кислород и от его содержания в воде зависит количество растворённых гидрокарбонатов, т. е. жесткость воды. Этот факт хорошо иллюстрируется уравнением углекислотного равновесия.

СО 2+ Н 2О + СаСО 3= Ca(НСО 3) 2

Если содержание CO 2в воде уменьшается, то выпадает оса док нерастворенного карбоната, который будет растворен при восстановлении равновесия между углекислым газом и гидрокарбонатом.

Рис. 6. Круговорот углерода

В технике и быту нарушение углекислотного равновесия приводит к образованию накипи в котлах ТЭЦ, котельных и других системах, использующих воду. В природных условиях результатом этой реакции является образование полостей в земной коре, пещер, сталактитов и сталагмитов.

Круговорот вещества в почве. Роль почвы многообразна: с одной стороны, это важный участник всех природных круговоротов, с другой – это основа для производства биомассы – кормилица человечества. Для получения растительной и животной продукции человечество обрабатывает около 10 % суши – часть, которую, как полагают специалисты, уже не удастся увеличить, несмотря на необходимость увеличения производства продовольствия в связи с ростом населения. Важность сохранения почв приобретает особую остроту, учитывая, что потеряно из землепользования больше половины используемых сейчас земель.

Почва – продукт разрушения верхних слоев земной коры, сформировавшийся в результате деятельности живых организмов. Почвовед В. И. Докучаев дал такую оценку «… почва есть такое же самостоятельное, естественно историческое тело, как любое растение, любое животное».

Разновидностей почв несколько тысяч, и это требует исключительно высокой грамотности при их использовании. Копая землю, можно заметить, что цвет почвы и ее структура меняются с глубиной от темного гумусного слоя к светлому песчаному или глинистому. Наиболее важен гумусный слой, содержащий остатки растительности. Этот слой определяет плодородие почвы. В наиболее богатых гумусом черноземах толщина его достигает 1 метра, в бедных – около 10 см.

Обрабатываются, в основном зональные почвы. Профиль почвы этого типа показан на рис. 7, где: 1 – гумусный слой, 2 – выщелоченная почва, 3 – глина, содержащая 3-х валентное железо, 4 – материковая порода в стадии разрушения. Физические характеристики каждого из таких горизонтов зависят от типа почвы. Из физических свойств наиболее важны: плотность, капиллярность, пористость, влажность, теплопроводность, поглощательная способность.

Рис. 7. Профиль зональной почвы

Благодаря большому количеству различных живых существ, перерабатывающих в почве остатки растительности и животных, формирующих структуру и продуктивность, почва является живым организмом, в котором идут процессы деструкции, синтеза, биосинтеза, множество различных химических реакций и физических процессов. Количество живой биомассы в почвах зависит от их типа и от внешних условий, таблица 5. Количество почвы, переработанной дождевыми червями, весьма значительно: на одном гектаре пашни около 12 т в год и почти 100 т на огородной почве.

Таблица 5

Биомасса почвенных организмов

Деятельность микроорганизмов, преобразующих органические остатки, обеспечивает питание растений минеральными элементами. Биомасса растений образуется при потреблении минеральных солей, воды и солнечной энергии. Так, для роста соснового леса за 100 лет из одного гектара почвы изымается: кальция 424 кг, калия 168 кг, фосфора 33 кг. При выращивании культурных растений это потребление значительно больше: злаковые: 7000 кг азота, 1 3000 кг фосфора, 5000 кг калия, картофель: 9000 кг азота, 4000 кг фосфора, 16000 кг (!) калия.

Разница для естественных и искусственных культур обусловлена тем что выпавшие хвоя и листва в лесах частично компенсируют убыль элементов из почвы. При ежегодной уборке сельхозкультур эти элементы уносятся из почвы и, если их убыль не восполняется, почва теряет свое плодородие, происходит нарушение естественного круговорота минеральных веществ.

Интенсивное использование почв, особенно при монокультурном земледелии, нарушает естественный баланс веществ и потоки энергии. В природе этот баланс поддерживается периодической сменой растительности на какой-либо определенной площади. Эта сменность характеризуется законом сукцессии. Исключение севооборота при использовании земли является нарушением этого закона и приводит к обеднению почв и снижению плодородия. К сожалению, в нашей сельскохозяйственной практике закон сукцессии нарушался в течение десятилетий и урожайность наших полей в среднем почти в два раза ниже, чем в Швеции, где по своей природе земли беднее.

Компенсация этой потери внесением органических и минеральных удобрений эффективна только тогда, когда в почве имеются микроорганизмы, трансформирующие удобрения в доступную для растений форму. Для нормального развития растений необходим минимальный набор всех необходимых для растения питательных веществ: убыль одного не может быть компенсирована избыточным внесением другого. Это правило биологии называют законом минимума.

Охрана почв. Мировые запасы плодородных почв – 15 млн. км 2, а потери – 20 млн. км 2, причем около 40 % из имеющихся частично утратили плодородие. Цифры впечатляющие и требуют принятия мер по сохранению этого важного ресурса. Основной причиной потери почв является их эксплуатация человеком. Причин потерь и деградации почв несколько:

• ветровая и водная эрозия при механической обработке;

• отвод земель под строительство городов, предприятий, дорог и т. п.;

• затопление при строительстве ГЭС;

• загрязнение отходами производства и быта;

• закисление кислотными дождями;

• засоление при неграмотной мелиорации.

Особенно значительны потери почв и их плодородия из-за тотального единообразного применения традиционных методов механической обработки при глубокой вспашке. К наиболее значительным потерям это привело при освоении целинных земель в штате Техас (США), где пыльные бури 30-х и 70-х годов превратили в пустыни около 20 млн. га плодородных земель, унеся миллионы тонн чернозема за сотни километров в Мексиканский залив.