Основные факторы, определяющие изменение состояния природных ландшафтов

При оценке изменения природных ландшафтов под воздействием антропогенной деятельности необходимо рассматривать все виды хозяйственной деятельности, которые в общем виде принято делить на фоновую и очаговую. Фоновой деятельностью, как правило, является сельскохозяйственное производство, создающее опасность нарушения регионального природного баланса, очаговой - промышленное производство, обусловливающее определенный комплекс локальных экологических ущербов. Хотя такое деление деятельности на фоновую и очаговую в настоящее время является достаточно условным. И та, и другая деятельность, воздействуя на все компоненты природной среды, охватывает огромные территории. Разница заключается лишь в том, что сельскохозяйственное производство непосредственно влияет на биоту и почву и опосредствовано на водный и тепловой балансы территории, а промышленное производство непосредственно влияет на атмосферный воздух (выбросы) и водные ресурсы (сбросы) и опосредствовано на биоту и почву.

Интегральным критерием, являющимся мерой экологической опасности любой деятельности, может служить степень нарушения природного равновесия. В связи с этим, одна из фундаментальных задач исследований состоит в оценке возможных нарушений всех компонентов природной среды в результате хозяйственной деятельности.

Одним из основных факторов, определяющих изменение состояния природных систем, является изменение структуры ландшафтов в результате развития сельскохозяйственной деятельности. Распашка земель, трансформация естественных биоценозов в агроценозы сопровождается изменением потоков вещества и энергии и нарушением природного равновесия. Развитие сельскохозяйственного производства произошло в основном за счет распашки естественных лугов и частично лесных угодий, то есть за счет самых экологически значимых биотических элементов. Кроме того, наряду с биотическими, появились абиотические элементы в виде населенных пунктов и промышленных объектов с соответствующей инфраструктурой. Это очень важное обстоятельство, так как абиотические элементы не производят биомассу, а только потребляют природные ресурсы и поставляют огромное количество отходов, являясь тем самым основным источником загрязнения природной среды. Таким образом, экологическая значимость абиотических элементов в природной среде должна быть отрицательной (<0), что необходимо учитывать при оценке экологической устойчивости ландшафтов.

Развитие сельскохозяйственного и промышленного производства наряду с изменением структуры природных ландшафтов сопровождалось поступлением дополнительного количества химических веществ за счет внесения в природную среду минеральных и органических удобрений, пестицидов и других химических веществ. Промышленное производство и сопутствующие ему разнообразные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу включают в основном диоксид серы (SO₂) и оксид углерода (СО). В составе твердых выбросов присутствуют тяжелые металлы в количествах, которые значительно превышают их фоновое содержание в природной среде. Нарушение структуры и характера подстилающей поверхности природных ландшафтов при распашке и сельскохозяйственном использовании земель сопровождается изменением практически всех показателей, в том числе:

гидротермического режима;

основных элементов водного баланса;

интенсивности биологического и геологического круговоротов органических и минеральных веществ;

основных свойств, плодородия и эколого-геохимической устойчивости почв;

экологической устойчивости ландшафтов в целом, (табл. 3.3).

Сопоставление данных табл. 3.1-3.3 показывает, что в результате распашки и сельскохозяйственном использования земель увеличилась засушливость степных и сухостепных ландшафтов. Наиболее существенно изменились запасы биомассы и химических элементов в ландшафтах, которые снизились в 2-24 раза, а запасы химических веществ - в 1,4-4,7 раз, по сравнению с природными. Геологический круговорот химических веществ уменьшился в 3-4 раза. Все это привело к ухудшению природного плодородия и эколого-геохимической устойчивости почв и загрязнению водных ресурсов. Плодородие снизилось на 2-18 %, причем большие значения характерны для почв степной и сухостепной зон. Что же касается солевого (химического) баланса, то он также изменился. Усиление промывного режима при орошении способствовало усилению геологического круговорота в 1,6-4 раза, загрязнению водных ресурсов и дальнейшему ухудшению химического режима и свойств почв лесной и лесостепной зон. В степной и сухостепной зонах орошение сопровождалось не только накоплением солей, но и перераспределением их по профилю. Подъем уровня грунтовых вод и увеличение их минерализации усилило опасность вторичного засоления орошаемых почв. Практика широкого развития орошения в степной и сухостепной зонах показала, что при подъеме уровня грунтовых вод до глубины < 2 - 3 м неизбежно происходит увеличение их минерализации и засоление почв.

 

Таблица 3.3 - Водный баланс и другие показатели земель при распашке

Показатели	Экономические районы
ЦЧО	П	С-К
Гидротермический режим, Ic	1,49	2,50	1,45
Атмосферные осадки, мм
Испарение, мм
Поверхностный сток, мм
Подземный сток, мм
Запасы биомассы, т/га	28,5	10,0	14,0
Запасы химических веществ, т/га	0,88	0,68	0.88
Эколого-геохимическая устойчивость почв к техногенным воздействиям	С	С	С
Уровень плодородия почв, баллы*	12,2	11,0	14,7

*- срок 100 лет.

Требования к использованию природных ресурсов

Выполненный анализ позволил не только выявить направленность природных процессов и зависимость их от характера и интенсивности хозяйственной деятельности, но и сформулировать требования к рациональному использованию природных ресурсов в зависимости от особенностей природных условий. Общим для всех экономических районов является:

оптимизация структуры ландшафтов, то есть создание необходимого экологического каркаса, представляющего собой определенное (оптимальное) соотношение различных биотических и абиотических элементов с индивидуальным режимом пользования исходя из их роли в поддержании экологической и социально-экономической устойчивости ландшафтов;

регулирование биологического и геологического круговоротов и повышение эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям;

регулирование экологических и социально-экономических функций почв в ландшафтах, включающее сохранение природного и увеличение экономического плодородия почв;

увеличение экологической устойчивости ландшафтов, а следовательно, и стабильности сельскохозяйственного производства.

Рассмотрим все эти требования более детально.

Оптимизация структуры природных ландшафтов является наиболее сложной и не достаточно разработанной проблемой. В настоящее время существует ряд рекомендаций по оптимальному соотношению интенсивно используемых (пашня), с одной стороны, и природных и полуприродных (леса, луга, естественные сенокосы и пастбища) угодий - с другой. Так, для условий США оптимальное соотношение пашни и природных и полуприродных угодий составляет 40 %, для России 10-75% по разным почвенно-климатическим зонам. Расчеты дают следующие оптимальные соотношения для Поволжского, Северо-Кавказского районов - 25-40%. Основная площадь ландшафтов в соответствии с особенностями природных условий должна быть занята лугами, сенокосами и пастбищами (П, ЦЧО, С-К).

Создание экологического каркаса ландшафтов позволит резко снизить опасность катастрофических наводнений и загрязнения водных ресурсов. Известно, например, что снижение степени лесистости речных водосборов на 20% увеличивает максимальные паводковые расходы в 1,5-2 раза.

В современных условиях при обосновании защитных сооружений необходимо составлять долгосрочные прогнозы изменения максимальных паводковых расходов в увязке с характером и масштабами хозяйственной деятельности на водосборах (вырубка лесов, распашка и осушение земель и др.). Отсутствие таких прогнозов приводит к тому, что защитные сооружения со временем перестают работать в связи с увеличением максимальных расходов по сравнению с проектными.

Для предотвращения ущербов от наводнений необходимо разработать долгосрочную программу мелиорации речных водосборов с учетом планов развития народного хозяйства. Однако, учитывая, что эффект от реализации мелиоративных мероприятий на водосборах проявится не скоро, в настоящее время необходимо разработать программу переноса населенных пунктов и других объектов из зон возможного затопления.

Вместе с тем, оптимизация структуры (создание экологического каркаса) ландшафтов не решает проблемы улучшения сельскохозяйственных угодий, она лишь сводит к минимуму основные причины их ухудшения (эрозия, дефляция, изменение биологического и геологического круговоротов и др.). Поэтому наряду с оптимизацией экологического каркаса необходимо осуществление комплекса мероприятий по ликвидации последствий и предупреждению дальнейшего развития деградационных процессов, улучшению свойств и плодородия почв сельскохозяйственных угодий и интенсификации использования природных ресурсов. Комплекс мероприятий должен включать применение агротехнических, агрохимических, агролесотехнических, гидротехнических и других мелиорации, а также снижение техногенных выбросов и сбросов.

Основной задачей системы мелиоративных мероприятий является регулирование биологического и геологического круговоротов (см. табл. 3.1-3.3). Обобщение имеющихся данных показывает, что распашка и сельскохозяйственное использование земель сопровождается сокращением биомассы в почвах в результате отчуждения ее с урожаем. Ежегодное снижение запасов органического вещества в пахотных почвах составляет 4,8-6,3 т/га (табл. 3.4).

Таблица 3.4 - Снижение запасов органического вещества в пахотных почвах по экономическим районам, ц/га

ЦЧО	П	С-К

Что же касается геологического круговорота химического вещества, то здесь картина иная. При распашке земель интенсивность геологического круговорота снижается по сравнению с природными условиями, а при осушении и, особенно, орошении пахотных земель - резко возрастает (табл. 3.5).

Таблица 3.5 - Изменение геологического круговорота химических веществ в природных условиях, при распашке и гидротехнических мелиорациях, кг/га

Показатели	ЦЧО	П	С-К
В природных условиях
При распашке
При распашке и осушении или орошении земель

Приведенные в табл. 3.4, 3.5 данные показывают, что наибольшие изменения биологического и геологического круговоротов характерны для зон неустойчивого и недостаточного естественного увлажнения (ЦЧО, П, С-К), где в наибольшей степени развито орошение земель (в этих районах расположено более 85 % всех орошаемых земель).

Регулирование биологического круговорота, основным критерием которого можно в первом приближении считать бездефицитный баланс органического вещества в почвах, за счет агрохимических и агротехнических мероприятий невозможно. При су­ществующем состоянии животноводства для этого просто не хватит навоза.

Решение проблемы регулирования биологического круговорота может и должно быть обеспечено за счет широкого развития гидротехнических (орошение) мелиорации. Однако для этого необходимо отказаться от сложившейся практики обоснования масштабов, размещения и использования орошаемых земель.

Известно, что наиболее отзывчивыми на орошение являются кормовые культуры; 1 гектар орошаемых земель по объему производства кормов эквивалентен 3-5 га неорошаемых земель. Поэтому, орошаемые земли необходимо использовать для производства сочных и грубых кормов для животноводства. Такая постановка вопроса не означает, что орошение не следует использовать для производства овощей, риса и других культур, но это отдельная проблема, не связанная с регулированием биологического круговорота в пахотных почвах.

Производство кормов на орошаемых землях позволит решить три взаимосвязанные задачи.

Во-первых, обеспечить восстановление и дальнейшее развитие животноводства, которое находится в упадке, ввиду отсутствия кормов. Анализ баланса кормов говорит о том, что в современных условиях дефицит кормов в целом по стране составляет ~ 40-45 %.

Во-вторых, увеличение объема органических удобрений (навоза).

В-третьих, что самое главное - использовать посевы многолетних трав, входящих в структуру севооборотов на неорошаемых землях, в качестве сидеральных удобрений. Последнее обстоятельство является основным, так как позволит существенно улучшить баланс органического вещества в неорошаемых пахотных почвах. При продуктивности многолетних трав 40-60 т/га и 8-польных севооборотах увеличение органического вещества в почвах составит 5-8 т/га в год, что наряду с навозом может обеспечить бездефицитный баланс органического вещества в почвах. А если увеличить содержание многолетних и однолетних трав в севооборотах на неорошаемых землях в соответствии с рекомендациями травопольной системы земледелия, то в принципе можно добиться лучших результатов. Соответственно при обосновании площади и размещения орошаемых земель необходимо исходить из бесперебойного обеспечения животноводства сочными и грубыми кормами.

Учитывая высокую стоимость инвестиционных проектов орошения земель и предлагаемое их использование для производства кормов, нельзя обойти молчанием вопрос экономической эффективности орошения. При оценке экономической эффективности инвестиционных проектов орошения, в этом случае необходимо учитывать экологический эффект, который определяется улучшением биологического круговорота, а, следовательно, и повышением плодородия неорошаемых почв на площади в 3-5 раз превышающей площадь орошаемых земель.

Однако регулирование только биологического круговорота еще не достаточно, необходимо регулировать и геологический круговорот химических элементов, то есть геохимические потоки. Существующая техника и технология орошения не обеспечи­вает этого; на орошаемых землях, как правило, происходит подъем уровня, увеличение минерализации грунтовых вод и, как следствие, резкое усиление геохимических потоков (табл. 3.5) и развитие процессов вторичного засоления почв. Поэтому требования к технике и технологии орошения должно сводиться к созданию технически совершенных оросительных систем с высоким КПД (> 0,9-0,95) и применению прогрессивных способов полива дождеванием с интенсивностью дождя < 0,1 - 0,2 мм/мин. Поверхностный полив по проточным бороздам и полосам необходимо исключить полностью.

Большое значение имеет также методика обоснования режима орошения. Существующие методы расчета режима орошения направлены на полное удовлетворение требований сельскохозяйственных растений к водному режиму почв и не учитывают требования почв и необходимости регулирования биологического и, главным образом, геологического круговоротов. При обосновании оросительных норм нетто надо исходить из условий восстановления нарушенного распашкой гидротермического режима с учетом наиболее полного использования ресурсов естественного увлажнения за счет применения агротехнических и агролесотехнических мелиорации. Среднемноголетние величины оросительных норм нетто можно оценить, используя выражение

где Ор^нт – оросительная норма нетто, мм;

Ic₁ и Ic₂ – индекс сухости, соответствующий оптимальным условиям и распаханным почвам;

Ос – атмосферные осадки, мм;

П – поверхностный сток с учетом проведения агротехнических и агролесотехнических мероприятий, мм.

Используя приведенные выше данные и принимая оптимальное значение Ic₁, равным для степной зоны 1,20, для лесостепной - 1,15 и для сухостепной - 1,50, получим Ор^нт (в мм): для степной зоны < 120-140; для лесостепной зоны < 100-120; для сухо-степной зоны < 200-250 мм.

Высокий технический уровень оросительных систем, применение совершенной техники полива и ограничение величин оросительных норм нетто необходимы для того, чтобы сохранить автоморфный режим на орошаемых землях. Подъем уровня грунтовых вод помимо увеличения их минерализации неизбежно приведет к перераспределению солей в толще отложений и накоплению их в корнеобитаемом слое почвы. Устройство систематического дренажа в этих условиях резко увеличит интенсивность геологического круговорота химических веществ и загрязнение подземных и поверхностных вод.

Эколого-геохимическая устойчивость почв к техногенным воздействиям определяется кислотно-щелочными условиями и содержанием в почвах тяжелых металлов. Изменение кислотно-щелочных условий связано с выбросами в атмосферу диоксида серы (SO₂) и оксида углерода (СО). Основной аэрозоль атмосферы (СО), является короткоживущим газом (4-5 суток). В отличие от него диоксид серы под воздействием коротковолновой радиации превращается в серный ангидрид, который выпадает в виде кислотных дождей. Большое значение в подкислении почв и снижении их эколого-геохимической устойчивости играет также вынос ионов Са и Mg, объем которых достигает 200-300 кг/га в год.

Преобладающая часть тяжелых металлов поступает в почву в растворенной форме. В почвах тяжелые металлы находятся в основном в обменной форме (50-100 %) и в форме, связанной с органическим веществом. Доля связанных тяжелых металлов в почве уменьшается в ряду хром - никель - марганец - медь - кадмий. В результате изменения кислотно-щелочных условий и снижения содержания гумуса и величины ППК в почвах опасность перехода тяжелых металлов в доступное состояние для растений увеличивается в обратном порядке. В раствор переходят наиболее опасные для биоты элементы. К сожалению, подкисление почв, а значит и снижение их эколого-геохимической устойчивости, в настоящее время наблюдается практически повсеместно, в том числе и в районах широкого развития орошения.

Основными методами повышения эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям является регулирование биологического круговорота, способствующего увеличению ППК почв, и кислотно-щелочных условий (известкование). Эти мероприятия должны быть предусмотрены и при орошении земель в ЦЧО, П, С-К, районах.

Очень важным требованием, предъявляемым к орошению земель, является не просто повышение плодородия почв, как это до сих пор делалось, а регулирование их экологических и социально-экономических функций в ландшафтах, иными словами, регулирование природного и экономического плодородия.

Это вытекает из требований сохранения экологической устойчивости ландшафтов, с одной стороны, и интенсивного использования природных ресурсов в сельскохозяйственном производстве - с другой. Природное плодородие определяет роль почв как биогеохимических барьеров и регулятора геологического круговорота, а экономическое - продуктивность сельскохозяйственного производства.

Показателем природного плодородия почвы является ее гумусное состояние, определяющее водно-физические и физико-химические свойства. Количественным критерием природного плодородия служит бездефицитный (как минимум нулевой) баланс гумуса. Критерием экономического плодородия является биологическая продуктивность (урожай), которая определяется не столько содержанием гумуса, сколько системой применяемых агротехнических и агрохимических мероприятий.

Игнорирование этих положений зачастую приводит к выводу о нецелесообразности регулирования баланса гумуса в почвах. В Федеральной программе «Плодородие» отмечается, что система мероприятий позволяет обеспечить расширенное воспроизводство плодородия почв и в то же время планируется отрицательный баланс гумуса. Это дает основание говорить о том, что по существу не регулируются ни экологические, ни экономические функции почв, а планируется дальнейшее ухудшение состояния сельскохозяйственных угодий. На этом фоне декларируемая интенсификация и стабилизация сельскохозяйственного производства выглядит, по меньшей мере, неубедительно. Основным фактором, обеспечивающим сохранение экологических функций почв в ландшафтах, является регулирование важнейшего природного процесса - биологического круговорота.

Признание природообустройства основным видом хозяйственной деятельности требует увеличения числа критериев, характеризующих состояние ландшафтов и стабильность сельскохозяйственного производства. К числу таких критериев относится коэффициент экологической устойчивости агроландшафтов, учитывающий структуру биотических и абиотических элементов и их экологическую значимость.

где К_с – коэффициент экологической устойчивости ландшафтов;

f – площади биотических и абиотических элементов ландшафта, % от общей площади;

k₁ – относительная экологическая значимость биотических и абиотических элементов, в долях от 1;

k₂ – коэффициент геолого-геоморфологической устойчивости ландшафта (k₂ =1 – стабильный, k₂ = 0,7 – нестабильный, например, рельеф песков, склонов, оползней).

Оценка экологической устойчивости ландшафтов производится в соответствии со шкалами:

К_с £ 0,33 – нестабильный;

К_с = 0,34…0,5 – малостабильный;

К_с = 0,51…0,66 – среднестабильный;

К_с > 0,66 – стабильный.

Значения относительной экологической значимости биотических и абиотических элементов ландшафтов характеризуются следующими величинами:

хвойные леса - 0,38;

смешанные леса - 0,63;

широколиственные леса - 1;

луга, сенокосы и пастбища -0,62;

болота, водоемы и водотоки - 0,79;

пашни - 0,14.

Экологическая значимость селитебных и промышленных территорий k₁ < 0. При этом, чем больше городских населенных пунктов и промышленных объектов, тем ниже их экологическая значимость.

Низкая экологическая значимость пахотных земель объясняется отчуждением значительной части биомассы с урожаем, снижением объема биомассы почвенной флоры и фауны и тем, что культурные растения в отличие от природных не обладают внутренней устойчивостью и не могут играть существенной роли в обеспечении экологической устойчивости ландшафтов.

Экологическая значимость орошаемых земель в зависимости от техники и технологии орошения может быть больше или меньше, чем на неорошаемых. Изменение экологической значимости орошаемых пахотных земель в общем случае можно оценить как

где k₁ – экологическая значимость орошаемых пахотных земель;

(П+g)₁ и (П+g)₂ – поверхностный сброс + влагообмен между почвенными и грунтовыми водами на неорошаемых и орошаемых землях, мм;

Б₁ и Б₂ – биомасса почвы на неорошаемых и орошаемых землях, т/га;

О₁ О₂ -ежегодный возврат растительных остатков в почву на неорошаемых и орошаемых землях (опад), т/га.

При низком техническом уровне оросительных систем и техники полива, когда (П+g)₂ > (П+g)₁ и при невысоких урожаях, когда Б₂ ~ (1,5…2)Б₁, значение k₁<0,14. При условии (П+g)₂ £ (П+g)₁ и Б₂ > (1,5…2)Б₁ экологическая значимость орошаемых земель возрастает по сравнению с неорошаемыми.

Таким образом, орошение земель является очень важным мероприятием, позволяющим решать не только экономические, но и экологические проблемы. Однако это возможно только при создании технически совершенных оросительных систем и применения прогрессивной техники полива.

Ко всему этому следует добавить, что для сохранения устойчивости агроценозов предельный объем отчуждения биомассы с урожаем не должен превышать 20-30% от общего объема производимой биомассы. Это означает необходимость использования побочной продукции (солома, ботва) для восполнения запасов биомассы почвы. При отчуждении от 30 до 70 % биомассы с урожаем агроценозы становятся неустойчивыми, а при отчуждении больше 70% биомассы - начинается процесс опустынивания.

Экологическая устойчивость (К_с) является очень важной характеристикой агроландшафтов, хотя ее напрямую и нельзя использовать в расчетах эколого-экономической эффективности проектов природообустройства. Однако этот недостаток легко устраняется, если учесть связь между (К_с) и стабильностью сель­скохозяйственного производства по годам. Используя имеющиеся данные, можно в первом приближении предложить зависимость

где - показатель, характеризующий стабильность сельскохозяйственного производства по времени;

------------ Б_max, Б_min - максимальный и минимальный объем сельскохозяйственной продукции, млн. т/год;

------------ К_с - коэффициент экологической устойчивости агроландшафта.

Таким образом, (К_с) приобретает вполне определенный экономический смысл. Снижение К_с влечет за собой значительные затраты на создание инфраструктуры с хранением и переработкой сельскохозяйственной продукции.