Факторы устойчивости почв и их самовосстановление

В настоящее время существует общая схема представлений об устойчивости разных объектов – химических соединений, минералов, горных пород, организмов, популяций, почв, экосистем. Эта схема отражает два взаимодополняющих аспекта устойчивости объекта: 1) его реакцию непосредственно во время воздействия и 2) возможность возврата в исходное состояние после прекращения воздействия.

Устойчивость почвы определяется как её способность длительное время сохранять состав, структуру, функционирование, пространственное положение в условиях относительно небольшого изменения свойств факторов почвообразования, а также восстанавливать основные качественные характеристики своего исходного состояния.

Почва, как известно, – сложная система, имеющая иерархические уровни строения почвенных тел (компонентов, агрегатов, горизонтов, почвенных индивидуумов, почвенных комбинаций). В силу их качественных особенностей требуются отдельные подходы и критерии оценки устойчивости к внешним по отношению к ним воздействиям. При этом необходимо учитывать оба аспекта устойчивости – резистентную (сохранение почвы) и регенерационную (восстановление). Для оценки по каждому аспекту требуются отдельные критерии что пока разработано далеко не полностью. Нужна специальная методика проведения оценки устойчивости конкретных почв к конкретным воздействиям. Эта методика должна базироваться на адекватных моделях взаимодействия. Следует иметь в виду, что почвы и ландшафты, подверженные современному антропогенному воздействию, постоянно находятся в неустойчивом состоянии, что затрудняет прогнозирование их последующего поведения. Исследование устойчивости почв целесообразно начинать со слабых воздействий. По отношению к сильным воздействиям, вызывающим неустойчивое состояние почв, важно выявлять направление, характер и степень изменения, а затем и эволюцию почв.

По сведениям Хитрова (2003, с. 370), общая схема устойчивости дополняется совокупностью следующих частных понятий:

· 1. инертность отдельных компонентов почвы как способность не взаимодействовать с поступающими извне химическими агентами;

· 2. стойкость компонентов и почвы в целом как способность сохранять длительное время состав и свойства при химических и биохимических воздействиях;

· 3. относительная стабильность (постоянство) основных групп твердых компонентов (минеральных, органических и органо-минеральных), а также видового состава микробоценоза и зооценоза при небольших колебаниях внешних воздействий;

· 4. прочность почвы как способность сопротивляться внешним механическим воздействиям, не разрушаясь;

· 5. живучесть ценоза почвенных организмозмов как способность сохранять структуру и характер функционирования сообщества;

· 6. постоянство комплекса качественных признаков почвы (система горизонтов и их свойства) в течение длительного периода времени;

· 7. сохранение своего положения в пространстве;

· 8. буферность как способность почвы поддерживать относительное постоянство отдельных характеристик (рН, Еh) при небольшом изменении своего состава;

· 9. подавление воздействия через физическое сопротивление, химическую инактивацию, биологическое уничтожение поступающих веществ и организмов;

· 10. надежность функционирования почвы в составе геосистемы;

· 11. способность к восстановлению состава, структуры и функционирования после возмущения исходного состояния;

· 12. сохранение почвенного покрова как компонента геосистемы в данном месте; в более широком плане - сохранение педосферы на планете Земля.

Установлено восемь основных механизмов, обеспечивающих устойчивость почв к внешним воздействиям:

· 1.- возможность сравнительно быстрой замены одного компонента другим для выполнения одной и той же функции почвы за счет разнообразия минеральных компонентов, гумусовых веществ и продуктов их взаимодействия, биоразнообразия почвенного ценоза;

· 2.-проявление механической прочности, упругости, эластичности компонентов твердой фазы почвы и структурных связей между ними;

· 3.- адсорбция, ионный обмен, низкая растворимость многих соединений, удержание живыми организмами, т.е. поглотительная способность почвы;

· 4.- подавление воздействия через физическое сопротивление, химическую инактивацию и биологическое уничтожение поступающих веществ и организмов;

· 5.- относительная изоляция некоторых частей почвы за счет наличия других её частей, обладающих пониженными коэффициентами тепло-, массо- и энергопереноса;

· 6.- «проточность» системы, то есть наличие возможности удаления легкорастворимых компонентов за пределы почвы за счет вертикального и горизонтального промывания;

· 7.- деятельность живых организмов, направленная на поддержание определенных условий своего существования;

· 8.- активные почвенные процессы, поддерживающие и периодически обновляющие состав, свойства и строение данной почвы.

В.И. Кирюшин (2000) обратил внимание на существенные различия понятий устойчивости природных ландшафтов и агроландшафтов. Для природного ландшафта считается важным сохранение саморегулируемого функционирования геосистемы в целом, тогда как под устойчивостью агроландшафта предлагается понимать способность поддерживать заданные производственные и социальные функции. С прагматической точки зрения устойчивость таких природных ландшафтов, как солонцовые, солончаковые, заболоченные и т. п. не имеет агрономического смысла, но она влияет на устойчивость аналогов, преобразованных в агроландшафты путем мелиорации. Чем сильнее отличаются требования сельскохозяйственных культур и животных от агроэкологических условий исходного ландшафта, тем больше необходимо затрат на поддержание заданных параметров функционирования созданных агроландшафтов, что сказывается на надежности этих систем.

До сих пор количественные оценки устойчивости конкретных почв к конкретным воздействиям пока единичны. Вместе с тем наметились следующие направления: 1) традиционно генетическое на основе части определяемых свойств почв; 2) по критическим нагрузкам; 3) по наиболее чувствительным к воздействиям свойствам почв; 4) анализ на основе адекватных нелинейных математических моделей почвенных процессов.

Устойчивость почв к химическому загрязнению определяется содержанием и качественным составом гумуса, мощностью гумусового горизонта, гранулометрическим составом, содержанием карбонатов, составом и содержанием глинистых минералов, ёмкостью катионного обмена (ЕКО), биологической активностью почв, мощностью почвенного профиля, составом и свойствами почвообразующей породы, УГВ, содержанием растворимых форм соединений загрязняющих элементов, что обусловливает их доступность для растений, а также способность мигрировать.

Самоочищение почвы происходит значительно медленнее, чем атмосферы и гидросферы. Оно реализуется посредством испарения, вымывания, гидролиза, окисления, поглощения химических элементов растениями и микроорганизмами. Санитарно-эпидемиологическая оценка даётся на основании наблюдений за жизнедеятельностью микроорганизмов.

Самовосстановление загрязненных тяжелыми металлами почв процесс крайне медленный и составляет многие десятки и сотни лет.

Большая роль в самовосстановлении почв принадлежит её живому веществу. При восстановлении почв, загрязненных различными органическими веществами, микроорганизмы разлагают большинство из них до простых нетоксичных соединений. В случае загрязнения почв тяжелыми металлами их подвижность во многом зависит от активности почвенной биоты. могут образовываться летучие соединения, коллоидные и ионные растворы и активно мигрировать, или напротив, закрепляться за счет сорбции на поверхности клеточных стенок и аккумуляции в микробных клетках. В случае, когда повышается подвижность химических элементов-загрязнителей, ускоряется восстановление почв.

Микроорганизмы способны разрушать металлоорганические соединения (цианиды) и менять окислительно-восстановительный статус металлов (например, восстанавливая Нg²⁺ до Нg⁰) и тем самым снижать проявление металлотоксикоза.

По данным Скворцовой И.Н с соавторами (1989), обезвреживание в почве такого мутагена как Fe²⁺ и снижение мутагенной активности Cr⁶⁺ происходит, соответственно, за счет окисления и редукции этих ионов микроорганизмами.

Образование хелатных соединений металлов с микробными метаболитами – продуктами разложения растительных остатков – усиливает их миграцию с водой и в то же время повышает аккумуляцию растениями. Cтойкость хелата с металлом определяется свойствами последнего и убывает в ряду: Pb, Cu, Ni, Co, Zn, Cd, Fe, Mn, Mg.

Временное закрепление тяжелых металлов микроорганизмами и перевод их в малоподвижные соединения снижает металлотоксикоз почвы, но самоочищение ее замедляется.

При увеличении содержания металлов в почве резко возрастает их аккумуляция в биомассе.

Постепенное удаление тяжелых металлов из почвы без загрязнения сопредельных сред технологически реализуется путем фиторемедиации – использования растений-аккумуляторов металлов, биомассу которых удаляют с участка (Звягинцев и др., 2002, с. 443). Однако о дальнейшей судьбе зараженной биомассы авторы не сообщают. Надо полагать, что ее анактивируют.

Следует признать невозможность значительной адаптации живых организмов к загрязнению тяжелыми металлами и проводить их полную детоксикацию в почве и других природных средах практически невозможно. Единственной альтернативой остается только резкое ограничение, а в дальнейшем прекращение загрязнения биосферы металлами при одновременной ремедиации уже загрязненных природных объектов.

Разуплотнение почв, даже таких плодородных, как черноземы, при значительных изменениях объемной массы, превышающих верхний предел оптимальных значений (1,4 г/см³), проблематично.