Лекция Антропогенное влияние на литосферу и почву

Лекция Антропогенное влияние на литосферу и почву

Лекция 6 ЛИТОСФЕРА, ПОЧВЕННЫЕ РЕСУРСЫ И АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА ЛИТОСФЕРУ

В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою. И сказал Бог: да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды. И стало так. И создал Бог твердь, и отделил воду, которая под твердью, от воды, которая над твердью. И стало так. И назвал Бог твердь небом. И увидел Бог, что это хорошо. И был вечер, и было утро: день второй.

И сказал Бог: да соберется вода, которая под небом, в одно место, и да явится суша. И стало так. И назвал Бог сушу землею, а собрание вод назвал морями. И увидел Бог, что это хорошо. И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя по роду и по подобию ее, и дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так. И произвела земля зелень, траву, сеющую семя по роду и по подобию ее, и дерево плодовитое, приносящее плод, в котором семя его по роду его на земле. И увидел Бог, что это хорошо. И был вечер, и было утро: день третий.

Общая площадь земельного фонда всей планеты составляет 134 млн. км 2 (это площадь всей суши за исключением площади Антарктиды и Гренландии). Земельный фонд имеет следующую структуру: n 11% (14, 5 млн. км 2) – обрабатываемые земли (пашни, сады, плантации, сеянные луга); n 23% (31 млн. км 2) – естественные луга и пастбища;

30% (40 млн. км 2) – леса и кустарники; n 2% (4, 5 млн. км 2) – населенные пункты, промышленность, транспортные пути; n 34% (44 млн. км 2) – малопродуктивные и непродуктивные земли (тундра и лесотундра, пустыни, ледники, болота, овраги, бедленды и водоемы суши). n

Обрабатываемые земли дают 88% необходимых человеку продуктов питания. Луга и пастбищные земли обеспечивают 10% пищи, потребляемой человеком.

Литосфера Земля имеет массу примерно 6. 1015 т, объем 1012 куб. км и среднюю плотность 5500 кг/куб. м. Для человечества естественно наиболее важной частью является верхняя часть земной коры, где расположен почвенный слой (педосфера) и верхний слой литосферы, где расположены основные горные породы. На их долю приходится лишь 0, 4% общей массы и 0, 85% общего объема планеты.

Граница между земной корой и так называемой верхней мантией лежит под континентами на глубине около 50 км, а под океанами – на глубине 5 -10 км. Верхнюю часть континентальной земной коры составляет осадочный чехол (чехол из осадочных пород), а вся остальная ее толща разделяется на два слоя – гранитный и базальтовый.

Наиболее важна роль литосферы как основного источника природных ресурсов. В Земной коре находятся все элементы таблицы Менделеева. Анализ геохимического состава Земной коры позволяет определить наиболее распространенные элементы O Si Al 46. 60 27, 72 8. 13 Fe Ca Na K Mg 5. 00 3. 63 2. 83 2. 59 2. 09%

Из приведенных цифр видно, что на долю оксидов, силикатов и алюмосиликатов шести металлов – алюминия, железа, кальция, натрия, калия и магния приходится почти 99% всей земной коры. Запасы всех остальных металлов и неметаллов значительно ниже, но это не означает, что они не важны для человека и для функционирования биосферы в целом. Условно элементы делят на две группы – с содержанием не менее 0, 1% главные, и рассеянные.

Земная кора является кладовой всех природных ресурсов. Некоторые вещества, наиболее подвижные, такие как инертные газы – гелий, неон, радон – легко переходят в атмосферу, откуда рассеиваются в космическом пространстве. Одновременно земля пополняется космическим веществом, выпадающим в виде метеоритов и космической пыли. Содержащиеся в земной коре радиоактивные элементы трансформируются. Таким образом литосфера как и все остальные части биосферы живет своей жизнью, а не является неким неподвижным застывшим образованием. На эту жизнь дополнительно оказывает влияние и вмешательство человека, занимающегося разведкой и добычей полезных ископаемых.

Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из одного или нескольких элементов. Такие твердые соединения, однородные по составу, внутренней структуре и свойствам, называют минералами (от латинского минера – руда). Известно более 3 тысяч различных минералов. Наиболее распространенными из них являются полевые шпаты – это алюмосиликаты натрия, калия и кальция (55%), другие силикаты – 15%, кварц – 12%, магнетит и гематит (соединения железа) – 3%.

Земная кора состоит из нескольких видов горных пород. Горные породы – это естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел. Состав, строение и условия залегания горных пород обусловлены особенностями формирующих их геологических процессов.

В зависимости от характера этих процессов различают три генетических (т. е. обусловленных происхождением) класса горных пород n Магматические; n осадочные; n метаморфические.

Магматические горные породы – это естественные минеральные агрегаты, возникающие при кристаллизации магм (силикатных или несилактных расплавов) в недрах Земли или на ее поверхности. Магматические породы делят в свою очередь на глубинные (плутонические) и вулканические, сформировавшиеся на поверхности Земли или вблизи нее. Примером магматической породы является, например, гранит (глубинная порода), базальт (вулканическая).

Осадочные – те породы, которые образуются в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трех процессов одновременно. Многие осадочные породы являются важнейшими полезными ископаемыми. Примеры осадочных пород – кварц, мел, каолинит, железняки, бурые и каменные угля, горючие сланцы и др.

Метаморфические породы – такие породы, основные особенности которых обусловлены процессами метаморфизма (изменений), стремясь к химическому или физическому равновесию с новыми для них температурными условиями или условиям нового давления. К ним относятся слюдянистые сланцы, мрамор и др.

Особая роль в земной коре принадлежит кислороду (его содержание больше всех остальных элементов). Его атомы составляют 46, 6% всей массы земной коры и почти 90% объема важнейших породообразующих минералов. Биосфера в целом всегда черпала неограниченные ресурсы кислорода из твердой части (литосферы) и гидросферы. Кислородная атмосфера, без которой немыслима высокоорганизованная жизнь на Земле, является, по всей видимости, производной литосферы и гидросферы, которые иногда еще называют из-за наличия в них большой доли кислорода оксисферами.

Большую роль в литосфере играет вода. Ее общий объем в осадочном чехле оценивается в 61 миллион куб. км. Подземные воды представляют собой сложную физикохимическую систему, находящуюся в динамическом равновесии с вмещающими ее породами. Вода вместе в растворенными в ней веществами способна вызывать как миграцию различных химических соединений, так и различные химические реакции. Прежде всего – это реакции, которые объединяют общим названием – «выщелачивание» …

Выщелачивание может быть химическим (например, стекающие со склонов вулканов и содержащие минеральные кислоты (серную, соляную, плавиковую) воды уносят с собой большое количество рассеянных элементов. Выщелачивание может быть также фотохимическим (например фотохимическое разрушение сульфидов с образованием либо металлов, либо серы. Возможно и микробиологическое выщелачивание. Есть бактерии, способные окислять минералы, восстанавливать некоторые металлы из других соединений и т. д.

К числу основных антропогенных воздействий на породы относятся: статические и динамические нагрузки, тепловое воздействие, электрические воздействия.

Статические нагрузки – самый распространенный вид антропогенных нагрузок на горные породы. Это давление строений изданий достигающих 2 МПа и более. Образуется зона активного изменения горных пород, достигающая глубин 70 -100 м.

Динамические нагрузки - вибрации, удары, толчки и другие динамические нагрузки, возникающие при работе транспорта, ударных и вибрационных строительных машин, заводских механизмов. Другим видом динамических нагрузок являются взрывы, действие которых сходно с сейсмическими воздействиями. Горные породы разрушают взрывным способом при строительстве автомобильных и железных дорог, гидротехнических плотин, добыче полезных ископаемых.

Тепловые нагрузки возникают, например, при подземной газификации углей, в основании доменных и мартеновских печей. Как и другие виды воздействия, тепловой антропогенный поток влияет не только на состояние горных пород, но и на другие компоненты окружающей природной среды. Изменяются почвы, подземные воды, растительность.

Электрическое воздействие возникает при создании в горных породах искусственных электрических полей, порождающих блуждающие токи и поля. Наиболее заметно они проявляются на городских территориях, где имеется наибольшая плотность источников электроэнергии.

ПОЧВА Почва – верхний слой литосферы, та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух и живые организмы. Под этим тонким слоем, включающим в себя деликатный организм, называемый почвой, находится планета такая же безжизненная, как и луна. Джекс, Р. Уайт

Если Вы не занимаетесь постоянно земледелием, то возможно, думаете о почве, как о чем-то таком, чего не хотели бы увидеть у себя на руках, на одежде или на ковре. Всем понятно, что мы нуждаемся для своего существования в воздухе и в воде. Менее очевидно, что наша жизнь и жизнь всех других организмов зависит от почвы, особенно от ее верхнего совсем тонкого плодородного слоя.

Почва дает практически всю пищу, которую мы едим, от овощей и фруктов до мяса. Почва обеспечивает нас древесиной, бумагой, хлопком, гравием и другими важными материалами и, что тоже очень важно, помогает очистить воду, которую мы пьем.

Почва удерживается на одном месте растительным покровом. Она накапливает воду, не давая ей излиться всесорущающими потоками, и расходует ее по каплям для питания растений. Микроорганизмы разлагают органические и неорганические вещества почвы, вырабатывая химические вещества, необходимые для жизни живых организмов.

Почвенные бактерии разлагают практически почти все виды выбрасываемого нами мусора. На почве построены дома, дороги, заводы, электростанции

Структура почвы Почва – это сложная смесь неорганических минералов (преимущественно глины, ила и песка), разложившегося органического вещества (детрита), воздуха, воды и миллиардов живых организмов.

Компоненты почвы располагаются слоями, так называемыми почвенными горизонтами. Каждый горизонт имеет свою собственную мощность, цвет, структуру химический состав, который меняется в зависимости от типа почв. Большинство почв имеет по крайне мере три горизонта. Всего различают шесть почвенных горизонтов.

1. Поверхностный горизонт, подстилка состоит из свежеопавших частично разложившихся, а частично еще не разложившихся листьев, веток, остатков животных, грибов и других органических веществ. Он обычно окрашен в темный цвет – коричневый или черный.

2. Гумусовый горизонт представляет собой пористую смесь частично разложившегося органического вещества (гумуса), живых организмов и некоторых неорганических минеральных частиц. Обычно этот горизонт более темный и рыхлый, чем нижние горизонты.

Главным компонентом этого горизонта является гумус. Он образуется в результате медленного разложения органических веществ двух верхних горизонтов. Большая часть гумуса не растворяется в воде и помогает удерживать в почве воду и растворимые в воде питательные вещества.

Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы. Основные функции гумуса сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только основные биогенные элементы азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве.

В двух верхних горизонтах сконцентрированы также бактерии, грибы, дождевые черви и мелкие насекомые. Больше всего в этих горизонтах бактерий и других микроорганизмов-деструкторов. Они полностью или частично разлагают сложные органические и неорганические соединения верхних горизонтов до более простых питательных веществ, растворимых в воде, и, следовательно становящихся доступными для всех растений. Почвенная вода, содержащая эти растворившиеся питательные вещества, всасывается корнями растений и перемещается по стеблям к листьям.

3. Следующий горизонт – зона выщелачивания, в которой происходит перемещение растворенных или взвешенных веществ.

4. Под ней находится горизонт, называемый подпочвой. В нем содержится основная неорганическая часть почвы, представляющая собой различные комбинации песка, ила, глины и гравия, образовавшиеся в результате разрушения горных пород.

5. Под этими горизонтами лежат почвообразующая материнская порода (слабо затронутая почвообразованием горная порода) и 6. Коренная порода (по существу уже верхний слой горной породы).

Итак, почва – сложная система, целостность которой позволяет обеспечивать ее существование и плодородие. Плодородие почвы определяется и содержанием в почве гумуса, и механической структурой почвы, и характером антропогенного влияния.

ЭРОЗИЯ ПОЧВЫ Эрозия почвы представляет собой процесс перемещения почвы, главным образом ее верхних наиболее плодородных горизонтов. Основными факторами естественной эрозии являются ветер и поверхностные воды. Обычно от такой естественной эрозии почву защищают корни растений.

Наоборот, хозяйственная деятельность человека, приводящая к уничтожению растительного покрова – распашка земель, вырубка лесов, строительство и т. д. – в значительной степени ускоряет эрозию.

Эрозию делят на плоскостную (когда поверхностные воды стекают по склону сплошным потоком), струйчатую (когда с большой скоростью текут узкие ручейки) и овражную (когда отдельные ручейки сливаются воедино).

Для восстановления плодородного слоя толщиной в 2 -2, 5 см в тропических и средних широтах требуется от 200 до 1000 лет. Если средние темпы эрозии превышают средние темпы почвообразования, то происходят необратимые изменения и почва на этом участке земной коры переходит в разряд невозобновимых ресурсов.

Основные причины антропогенного ускорения эрозии Выпахивание - для уничтожения сорняков, верхний слой почвы переворачивают, засыпают и как бы удушают сорняки. Но при этом почва открывается воздействию водной и ветровой эрозии. Почва может при этом оставаться незащищенной в течение значительной части года. Кроме того распаханная земля больше теряет влаги вследствие испарения, что понижает водоудерживающую способность почвы.

Перевыпас. Угодья, где выпадает слишком мало осадков для выращивания культурных растений традиционно используют для выпаса скота. Но если трава съедается быстрее, чем может возобновляться, почва обнажается и становится подверженной эрозии.

Сведение лесов. Лесной покров наиболее приспособлен для сохранения целостности почвы. Сведение лесов может происходить в силу необходимости освоения новых территорий для сельского хозяйства, получения древесины для строительства, деревообработки и бумажной промышленности, для использования в качестве топлива. Если леса вырубаются быстрее, чем происходит новое лесоразведение, результатом является ускоренная эрозия почв.

Проблемы орошения и засоления почв. Без дополнительного орошения многие почвы не могут быть в достаточной степени плодородными, особенно в засушливых районах. Однако искусственное орошение может привести к засолению почв, т. е. увеличению уровня солесодержания в них до уровня, не переносимого растениями.

Происходит это потому, что даже лучшая поливная вода содержит по меньшей мере 0, 020, 05% солей, перешедших в нее из грунта. Соль вымывается и из минеральных частиц самой орошаемой почвы. По мере того, как вода теряется на испарение, остающиеся в растворе соли могут накапливаться в количестве, препятствующем развитию растений.

Пути предотвращения эрозии, засаливания и опустынивания n n n n новые технологии вспашки – например, вспашка земли перпендикулярно склону узкополосный посев (например, чередование, пшеницы или кукурузы и травы) полезащитные полосы беспахотное земледелие ограничение выпаса восстановление лесов создание системы искусственного дренажа почвы для предотвращения засоления.

Дополнительные проблемы Применение удобрений n Применение пестицидов n Атмосферные загрязнения n Неконтролируемые свалки n

Применение удобрений Любой урожай, выращенный на земле, уносит из нее минеральные элементы. Например, урожай картофеля в 140 ц/га уменьшает содержание азота в том же гектаре почвы на 48 кг, фосфора на 19 кг и калия на 86 кг. Чем выше выращенный урожай, тем больше потери биогенов и нужно для поддержания баланса вносить минеральные удобрения.

Количество вносимых удобрений должно соответствовать убыли минеральных компонентов и должно быть рассчитано.

Если количество вносимого в почву азота превышает потребности растений, то избыточные количества нитратов частично поступают в растения, а частично выносятся почвенными водами, что вызывает увеличение нитратов в поверхностных водах, а также ряд других отрицательных последствий. При избытке азота происходит увеличение нитратов и в продукции сельского хозяйства. Поступая в организм человека, нитраты могут частично трансформироваться в нитриты, которые вызывают тяжелое заболевание, связанное с затруднением транспортировки кислорода по кровеносной системе.

Подобная ситуация с фосфором. С урожаем выводится около двух третей фосфора, захваченного сельскохозяйственными культурами из почвы. Эти потери также восстанавливают путем внесения в почву минеральных удобрений.

Современное интенсивное сельское хозяйство сопровождается загрязнением поверхностных вод растворимыми соединениями фосфора и азота, которые накапливаются в конечных бассейнах стока и вызывают бурный рост водорослей и микроорганизмов в этих водоемах. Это явление называется эвтрофикацией водоемов. В таких водоемах кислород быстро расходуется на дыхание водорослей и на окисление их обильных остатков. Вскоре создается обстановка дефицита кислорода, из-за которой погибают рыбы и другие водные животные, начинается их разложение с образованием сероводорода, аммиака и их производных.

Применение пестицидов По данным ФАО, ежегодные потери во всем мире от сорняков и вредителей составляют 34 % от потенциально возможной продукции и оцениваются в 75 млрд. долл. Применение ядохимикатов сохраняет значительную часть урожая, поэтому их применение быстро внедряется в сельское хозяйство, однако это влечет за собой многочисленные отрицательные последствия.

Уничтожая вредителей, они разрушают сложные экологические системы и способствуют гибели многих животных. Некоторые ядохимикаты постепенно накапливаются по трофическим цепям и, поступая с продуктами питания в организм человека, могут вызывать опасные заболевания. Некоторые биоциды воздействуют на генетический аппарат сильнее, чем радиация.

Попадая в почву, пестициды растворяются в почвенной влаге и переносятся с ней вниз по профилю. Длительность нахождения пестицидов в почве зависит от их состава. Стойкие соединения сохраняются до 10 лет и более. Мигрируя с природными водами и переносясь ветром, стойкие пестициды распространяются на большие расстояния. Известно, что ничтожные следы пестицидов были обнаружены в атмосферных осадках на просторах океанов, на поверхности ледниковых щитов Гренландии и Антарктиды.

Охрана почв от загрязнения пестицидами предусматривает создание возможно менее токсичных и менее стойких соединений. Разрабатываются приемы уменьшения доз без снижения их эффективности. Очень важно сокращение авиационного распыления за счет наземного, а также применение строго выборочной обработки.