Лекции по курсу «Экологическая оценка мелиорируемых земель»

Вид материалаЛекции

Содержание


Лекция 8. Показатели, характеризующие состояние агроланшафтов.
Лекции 9-11. Современное состояние агроландшафтов.
Изменение структуры природных ландшафтов и его экологические последствия.
Подобный материал:
1   2   3   4

^ Лекция 8. Показатели, характеризующие состояние агроланшафтов.


Анализ влияние хозяйственной деятельности на природную среду позволяет выделить 3 основных аспекта проблемы формирования природопользования в сфере АПК:
  1. Эколого-экономический, связанный с необходимостью предупреждения истощения, деградации и сохранения возобновляемых природных ресурсов(биота, почва, вода);
  2. Эколого-биологический, который определяется необходимостью сохранения биоразнообразия, жизни и здоровья человека, животных и растений;
  3. Социально-политический, связанный с необходимостью обоснования общей стратегии АПК на уровне регионов и агроландшафтов, а не отдельных массивов.

В целом, решение рассматриваемой проблемы подразумевает увязку целей и задач, обеспечение экологической и продовольственной безопасности страны и включает изучение вопросов, связанных с управлением материальных, энергетических и биологическими процессами, протекающими в агроландшафтах. При этом, особое значение при оценке компонентов агроландшафтов приобретает анализ характера и масштабов их возможных изменений в процессе конкретной хозяйственной деятельности.

Агроландшафты, как техно-природные системы, включают природную и техногенную (деятельностную) подсистемы.

Природная подсистема включает ряд взаимосвязанных и взаимодействующих компонентов (приземный слой атмосферы, биота, почвы, водные ресурсы). Техногенная подсистема включает все виды хозяйственной деятельности, оказывающие влияние на потоки вещества и энергии в приземном слое атмосферы, растений и животном мире в поверхностных и грунтовых водах.

Фоновой деятельностью для агроландшафтов является с/х производство, (включая мелиорацию земель), создающее опасность нарушения регионального природного баланса.

Очаговая деятельность – промышленное производство, обуславливающее определённый комплекс локальных нарушений состояния окружающей среды.

Как с/х производство, так и промышленность воздействует на все компоненты окружающей среды и охватывает огромные территории.

Разница заключается лишь в том, что с/х деятельность непосредственно влияет на биоту и почвы и опосредованно на тепловой, водный и биологические балансы агроландшафтов, а промышленность и транспорт непосредственно влияют на атмосферный воздух(выбросы) и водные ресурсы (сбросы) и опосредовано на биоту и почву.

Таким образом, состояние агроландшафтов определяют прежде всего интегральные (обобщённые) показатели и связи их между собой и основными средообразующими факторами. Интегральные показатели должны быть6
  1. Универсальными, т.е. характеризовать основные свойства и состояние компонентов агроландшафта;
  2. Экологически обобщёнными, т.е. передавать все свойства данного компонента, которые наиболее существенны для связи с др.компонентами;
  3. Содержательно обусловленными, т.е. интегральные показатели должны отображать особенности различных природно-климатических зон;
  4. Интегральными с точки зрения экологии, экономики и управления, т.е. должны позволять оценивать агроландшафты как техно-природную систему;
  5. Интегральных показателей должно быть как можно меньше, чтобы не применять слишком сложные модели для характеристики динамики состояния агроландшафтов в условиях конкретной хозяйственной деятельности.

Учитывая большое разнообразие природных условий и систем применяемых мелиораций, интегрально-аналитическая база должна формироваться по основным природно-климатическим зонам: лесной, лесо-степной, степной, сухо-степной и полупустынной, а также по таким зональным объектам как поймы и дельты крутых рек.

Информационно-аналитическая база включает 5 методических блоков:
  1. Анализ и оценка состояния приземного слоя атмосферного воздуха;
  2. Анализ и оценка состояния растительности, животного мира и биоразнообразия;
  3. Анализ и оценка почвенного покрова;
  4. Анализ и оценка водных ресурсов;
  5. Анализ и оценка агроландшафтов в целом.

К числу агроклиматических характеристик приземного слоя атмосферы следует отнести:

- сумму атмосферных осадков (мм) - Ос

- сумму активных температур t0 - ∑t>1000C

- испаряемость – Е0, мм.

- радиационный баланс – R, КДж/см2 год.

- ФАР, Кдж/год

- продолжительность вегетативного периода - Твег

- R = 48,6+0,042г∑t>100

E0=R/L; L – скрытая теплота парообразования L=2,51кДж/см3

ФАР= R+54,кДж/см2

Т вег = 1,41*Lu*R – 361

Таким образом, основными характеристиками приземного слоя атмосферы следует считать ресурсы естественного увлажнения (осадки) и солнечную радиацию.

Интегральным показателем приземного слоя атмосферы является индекс сухости:

R = R/L*Oc

Для лесной зоны R = 0,5-0,8

Для лесостепной зоны 0,8-1

Для степной зоны 0,9-1,3

Для сухостепной и полупустынной зоны 1,3-2,5

Используя интегральный показатель можно оценить условия формирования водного баланса агроландшафта и связь между биологическими и геологическими круговоротами.

Основные существенные элементы формирования водного режима можно выразить уровнем общего водного баланса

∆W1 = Oc ± W – E1 – C1± g

где∆W – изменение запасов поверхностных и грунтовых вод, мм

Ос – осадки

±W – подача воды при орошении или отвод воды при осушении

Е1 - испарение

С1- поверхностный сток, мм

±g – влагообмен между почвенными и грунтовыми водами, мм.

Для оценки загрязнения воздуха, в результате техногенных выбросов используется зависимость:

С + СФ< ПДК

Сф – фоновое содержание веществ воздухе мг/м3

С – концентрация веществ в воздухе мг/м3.

^ Лекции 9-11. Современное состояние агроландшафтов.

Оценка экологического состояния агроландшафтов. Состав интегральных показателей включает:
  1. Структуру использования земельных угодий агроландшафтов;
  2. Экологическую стабильность агроландшафтов;
  3. Стабильность с/х производства.

При характере структуры используемых земельных угодий агроландшафтов необходимо выделять леса, луга, болота, водоёмы, пахотные земли, сенокосы, пастбища, населённые пункты, пром зоны, карьеры, нарушенные земли.

Степень нарушения природных ландшафтов, при их трансформации в агроландшафтоах, определяется степенью сокращения площадей, занимаемых природными экосистемами (леса, луга, болота, водоёмы) и полуприродными (сенокосы, пастбища) и увеличение S пашни , а также степенью сокращения общей биомассы и численности животных.

Интегральным показателем экологического состояния агроландшафтов является коэффициент стабильности (в долях от единицы)

Kc =∑f1K1K2/W, где

F1- площадь биотических и абиотических элементов в %

K1- коэффициент, характеризующий экологическую значимость отдельных биотических и абиотических элементов

K2- коэффициент геолого-морфологической устойчивости рельефа (K2=0,7 для нестабильного рельефа, K2=1 для стабильного рельефа)

W – общая площадь ландшафта (системы).

Если Кс < 0,33 – нестабильный агроландшафт

Кс = 0,34-0,5-малостабильный

Кс= 0,51-0,66-среднестабильный

Кс=0,67-1-стабильный

В качестве единого критерия эколого-экономической эффективности обустройства агроландшафтов следует использовать чистую приведённую стоимость

NPV=∑(Эt-3t)(1+En)-1-Kt

nPV (4ДД)- чистая приведённая стоимость за расчётный период т.руб.

Эt- результаты, достигаемые в момент времени t, включающие выручку от реализации производимой продукции и эффекты, от улучшения экологического состояния природных ресурсов, руб.

Зt-затраты, производимые в момент времени Т, включая ущербы в природной среде, руб.

Еn- норматив дисконтирования (0,06-0,08)

Кt- капитальные вложения в момент времени t, руб.

Общие принципы экономического стимулирования природообустройства заключается в поощрении за предотвращение экологического ущерба и штрафные санкции за нанесённый экологический ущерб.


^ Изменение структуры природных ландшафтов и его экологические последствия.


Вырубка лесов и трансформация естественных биоценозов в агроценозы сопровождалась изменением потоков вещества энергии и нарушением природного равновесия.

Последствием этих действий стало учащение катастрофических засух. Если засухи в 12-14в.в. повторялись не чаще 1 раза в 10-15 лет, то в начале 20 века они происходили уже 1 раз в 3-4 года.

В середине 19 века выяснилось, что основными причинами такого положения стало не глобальное потепление климата, а совершенно неудовлетворительная хозяйственная деятельность, которая сопровождалась сплошной вырубкой лесов и распашкой территории.

За период с 1696 по 1914 г.г. леса России были сведены на площади 63 млн га (0,3 млн га/год) и их место заняли с/х угодья и главным образом пашня.

Лесные угодья в европейской части России за этот период снизились с 53 до 35%, по отдельным районам это снижение было ещё более значительное (Липецкая обл.- с11,7 до 6,3%, Тамбовская обл- с 19,3 до 11,0%, Орловская обл.- с 28,7 до 5,3 %). К сожалению, интенсивные вырубки лесов продолжаются и в настоящее время.

К 1988г. площадь лесов уменьшилась ещё на 44,2 млн.га, в т.ч. в Западной Сибири на 4,6 млн.га,в Восточной Сибири на 19,5 млн га, на Дальнем Востоке на 18 млн га. Совершенно неудовлетворительно сложилась ситуация и со структурой с/х угодий; соотношение луговой пашни составляет (0,08-0,3)/1, в то время, как в странах Европы оно составляет (0,2-0,7)/1.

Развитие с/х производства произошло в основном за счёт распашки естественных лугов и частично лесных угодий, т.е. за счёт самых экологически значимых элементов.

Кроме того, наряду с биотическими, появились абиотические элементы в виде населённых пунктов и промышленных объектов. Это обстоятельство очень важное, т.к. абиотические элементы не производят биомассу, а только потребляют природные ресурсы, оставляя огромное количество отходов, тем самым являясь основным источником загрязнения природной среды.

Таким образом, экологическое значение абиотических элементов в природной среде должно быть отрицательным, что необходимо учитывать при оценке экологической стабильности территории.

Наиболее значительные изменения структуры природных ландшафтов произошли в Центральном, Волговятском, Центрально-Чернозёмном, Поволжском, Северо-Кавказком и Уральском районах, где площади с/х угодий составляют 36,0-77,0%, а площади пашни-26,8-63,2% от общей S. Наименьшей трансформации естественные угодья подверглись в Восточно-Сибирском, Северном и дальневосточном районах, в которых S с/х угодий и пашни не превышают 1,0-5,3% и 0,5-2,1%. В состав с/х угодий входят мелиорированные земли (орошаемые и осушаемые), площади которых в целом по России, составляют около 6% от S c/х угодий. Площади абиотических элементов, включающие населённые пункты и промышленные объекты, не превышают 1-7% от S экономических районов.

Необходимость выделения мелиорированных земель и земель, занятых населёнными пунктами и промышленными объектами, связано с их различной значимостью в формировании экологической стабильности территории.

Изменение тепло и влагообеспеченности территории в результате трансформации природных ландшафтов в агроландшафты связано с нарушением исторически сложившегося теплового баланса деятельной поверхности . Уравнение теплового баланса деятельной поверхности записывается как: R=LE+P+B, где R- радиационный баланс деятельной поверхности (кДЖ/см2), Р-теплообмен между почвой и атмосферой (кДЖ/см год), LE- затраты тепла на испарение (кДж/см2 в год)

В- теплообмен в почве (кДж/см2 в год)

Распашка и с/х использование земель резко понижает величину альбедо, что сопровождается повышением радиационного баланса. Это увеличение различно, в зависимости от типа почв и растительного покрова и составляет 7-12%.

В соответствии с этим повышается ∑tакт на 9-150С. Величина ФАР на 5-11% и испарение , а также гидротермический режим (индекс сухости Будыко) на 6-15%. Экологические последствия этих изменений неодинаковы: в гумидной увеличение радиационного баланса ( при R=R/LO<1) приводит к увеличению теплообеспеченности и продуктивности, поэтому распашку следует рассматривать как один из видов тепловых мелиораций обеспечивающих повышение биоклиматического потенциала и продуктивности с/х растений. В степной, сухостепной и полупустынных зонах распашка и повышенный радиационный баланс сопряжены с повышением засушливости района (при R >1) и некой пониженной продуктивности земель. Здесь, в отличие от гумидной зоны для полного использования биоклиматического потенциала требуется улучшение водного режима почв с целью компенсации нарушенного распашкой гидротермического режима. Влияние распашки на микроклимат территории сказывается на градиенте t0, влажности в приземном слое воздуха. Здесь наряду с увеличением испарения, значительно возрастает теплообмен между почвой и атмосферой. Изменение соотношения (LE/P) даёт основание говорить о возрастании роли внутреннего влагооборота в формировании атмосферного увлажнения. Орошение земель приводит не только к повышению влажности почв и приземного слоя воздуха, но и к дальнейшему повышению радиационного баланса за счёт понижения альбедо. Осушение земель напротив повышает альбедо и понижает радиационный баланс, по сравнению с неосушенными территориями.

Очень важным является то, что орошение и осушение земель позволяет регулировать гидротермический режим, и тем самым комментировать изменение теплового баланса распаханных территорий. Изменение теплового баланса приводит к нарушению сложившегося водного баланса. Здесь важно оценить основные элементы , которые определяют направленность и интенсивность природных процессов. При распашке земель кт числу таких элементов следует отнести испарение, характеризующие продуктивность, эффективность биологического круговорота и внутреннего влагооборота; поверхностный сток, зависящий от с/х использования земель и влияющий не только на режим и качество поверхностных вод но и на развитие водных эрозий почв и вертикальный влагообмен между почвами и грунтовыми водами, который непосредственно влияет на почвообразовательный процесс и связь биологических и геологических круговоротов влаги и химических элементов.

Наиболее сложным является определение величины испарения и влагообмена между почвами и грунтовыми водами. При расчёте баланса почв и поверхностных вод в условиях распашки земель необходимо использовать данные по изменению теплового баланса и радиационного индекса сухости, а также величины поверхностного стока. Данные за поверхностным стоком на пахотных землях показывают, что он в среднем, в 1,25 раза> чем в естественных условиях. На мелиорированных землях величина поверхностного стока на 20% выше, чем на немелиорированных. Распашка земель изменяет соотношение элементов баланса поверхностных и почвенных вод.

В атмосферных условиях при распашке повышается не только испарение, но и поверхностный сток, что свидетельствует об усилении биологического и геологического круговорота воды и хим веществ. При этом повышение испарения и поверхностного стока происходит за счёт резкого уменьшения интенсивности влагообмена между поверхностными и грунтовыми водами. Эти изменения приводят к тому, что изменяется продуктивность ( увеличивается урожай в гуммидной зоне и понижается в засушливой). Это связано с повышением теплообеспеченности в гуммидной зоне и засушливостью в засушливой зоне. При этом существенно повышается поверхностный сток, что наряду с вырубкой лесов влияет на режим поверхностных вод и способствует не только повышению повторяемости катастрофических наводнений, но и ухудшению качества речных вод за счёт повышения объёма рассредоточенных источников загрязнения. С увеличением поверхностного стока усиливается водная эрозия почв, которая увеличивается во времени. Роль понижения интенсивности влагообмена между почвенными и грунтовыми водам также не однозначна. Во-первых это пониженное поступление химических элементов из биологического в геологический круговорот, во-вторых может способствовать в гидроморфных и полугидроморфных условиях, при наличии минерализации грунтовых вод, развитию процессов засоления и осолонцевания почв.

При орошении земель в балансе поверхностных и почвенных вод возрастает роль поверхностного стока и влагообмена между почвенными и грунтовыми водами, а также уменьшается роль испарения по сравнению с неорошаемой пашней. Такое соотношение элементов баланса свидетельствует о низкой эффективности существующей техники и технологии орошения. Потери воды на поверхностном стоке и влагообмен очень велики и достигают 30-47% от водоподачи нетто, а с учётом коэффициента полезного действия системы более 40-60%.

Строительство коллекторно-дреннажных систем для поддержания уровня грунтовых вод на необходимой глубине увеличивает интенсивность геологического круговорота и геохимической миграции. На переувлажнённых землях в гидроморфных условиях при уровне грунтовых вод меньше 1 метра имеет место восходящий поток влаги от грунтовых вод, интенсивность которых достигает +33%. Осушение пахотных земель резко изменяет соотношение элементов баланса. Роль испарения уменьшается до 60-80%, поверхностный сток 18-36%, а водообмен между почвенными и грунтовыми водами увеличивается до 2-7% (промывной режим). Последствия этих изменений отрицательны, за исключением повышения урожайности с/х культур. Увеличение стока сопровождается изменением режима и качества речных вод, загрязнением грунтовых вод и развитием комплексности почвенного покрова в результате неравномерного понижения уровня грунтовых вод дренажом.

Водной эрозии подвержены не только пахотные земли, но также сенокосы и пастбища. При этом за последние 10 лет S эродированных почв увеличилась на 20%. Развитие водной эрозии на сенокосах и пастбищах можно объяснить лёгким гранулометрическим составом почв и сильной пастбищной сбитностью (дегрессией).

S земель в РФ, подверженных дефляции составляет 6,5 млн га, из которых 72% характеризуется средней и 28% сильной дефляцией. Вынос почв при средней дефляции составляет 3т/га/год, а при сильной – 5т/га/год. За счёт выноса биогенов с с/х угодий с поверхностным стоком увеличивается загрязнение водных ресурсов, по сравнению с естественными условиями, в 10-50 раз, и достигает 5-50 кг/га в год, что во многих случаях сопровождается эвтрофикацией. Вместе с тем следует отметить, что основными загрязнителями водных ресурсов являются сборы неочищенных сточных вод, из которых 58% составляют хозяйственно-бытовые и 32% промышленные стоки.

Объём загрязнений, поступающих в водные источники со сточными водами, многократно превышает объём поступления их с с/х угодий. Значительное кол-во загрязнений поступает в агроландшафты в результате техногенных выбросов.

Промышленное производство и сопутствующие ему выбросы загрязняющих веществ в атмосферу изменились за последние 20 лет незначительно, несмотря на сокращение производства и включает в основном Диоксид S (SO2), окись углерода (СО) и тв. вещества.

В составе твёрдых выбросов присутствуют тяжёлые металлы в количествах, которые значительно превышают их фоновое содержание в природной среде. Поступление тяж. металлов в непосредственной близости от промышленных объектов достигает до 1000-1500 кг/км2 в год.

Основными источниками антропогенного поступления загрязняющих веществ в природную среду являются предприятия по добыче и переработке чёрных и цветных металлов, ТЭС, химическая промышленность, приборостроение, про-во строительных материалов, предприятия транспорта. Экологическими последствиями изменения водного баланса и техногенного загрязнения природной среды является значительное загрязнение водных ресурсов. Вклад с/х в общие поступления тяжёлых металлов в природную среду не превышает 1-2% и для большинства элементов в несколько раз меньше выноса с урожаем и стоком. Однако в целом, баланс тяж. металлов в почвах в результате загрязнения всегда положителен. Преобладающая часть тяж. металлов, поступающих из атмосферы с жидкими осадками, находятся в растворённой форме, а в поступающих с твёрдыми осадками (снегом) загрязнениях преобладают водонерастворимые формы тяж. металлов.

В почве тяж. металлы находятся в различных формах: в обменном состоянии (в зависимости от типа почвы и ёмкости катионного обмена)- от 6 до 100%, связанных с карбонатами – от 2 до 10%, связанных с органическим веществом- от 3 до 25%. Доля прочно связанных тяжелых металлов уменьшается в последовательности: Cr>Ni>Mn>Cu>Zn>Pb>Cd следовательно опасность перехода тяж. металлов в доступное для растений состояние почв и уменьшение ёмкости катионного обмена увеличивается в обратном порядке , т.е. в раствор переходят наиболее опасные для биоты элементы. В свою очередь, изменение кислотно-щелочных условий почв в значительной степени связано с выбросом SO2 и СО. Основной аэрозоль атмосферы SO2 , несмотря на большие объёмы его выбросов является короткоживущим газом (4-5 суток). В отличие от углекислого газа, SO2 под воздействием коротковолновой радиации превращается в серный ангидрид, который под воздействием атмосферных осадков переходит в H2SO4, образуя кислотные дожди. Особую опасность кислотные дожди представляют для гуммидных районов, где распространены почвы с PH<7. Поэтому эти районы характеризуются очень низкой и низкой геолого-экологической устойчивостью почв. Влияние кислот на щелочные условия на поверхность тяж. металлов чрезвычайно велико увеличение кислотности резко повышается подвижность тяж. металлов в почвах и влияние их на рост и развитие растений соответственно должно меняться и величина ПДК по валовому объёму. Изменения кислотно-щелочных условий в почвах зависят от многих факторов, в т.ч. от интенсивности промывного режима и доз применения минеральных удобрений.

Влияние минеральных удобрений на физико-химические свойства почв неограничивается увеличением кислотности, а сопровождается изменением таких свойств как ёмкость катионного обмена, гидролитическая кислотность, содержание и состав гумуса, вынос Ca и Mg. Причём вынос Ca и Mg, при наличии в почве тяж. металлов повышается в 1,5-2 раза.

Подкисление почв при применении высоких доз минеральных удобрений в значительной степени является следствием выноса ионов Ca и Mg. Уменьшение суммы обменных оснований сопровождается увеличением гидролитической кислотности и изменением состава почвенного гумуса.

Высокие дозы внесения минеральных удобрений усиливают также минерализацию почвенного гумуса. При дозах NPK> 300кг/га баланс гумуса бывает отрицательным. Снижение содержания гумуса в свою очередь может привести к уменьшению ёмкости катионного обмена. Это связано с тем, что величина ППК во многом определяется запасами гумуса. Для подзолистых почв ППК= 2+0,36х1+0,06х2(по В.Р.Волобуеву)

Где х1 – содержание гумуса

Х2- частицы, d<0.001мм

Подкисление почв приводит также к значительному повышению не только подвижности тяж. металлов , но и увеличению гидролитической кислотности.

Нарушение естественной структуры природных ландшафтов изменило не только тепло и влагообеспеченность, тепловой, водный и геохимический балансы территории, но в соответствии с законом оптимальности и последовательного прохождения фаз развития, экологическое равновесие системы в целом.

В результате развития цепных реакций и действия правила основного обмена произошло нарушение баланса органического вещества и химических элементов. Например, общие запасы органического вещества в агроландшафте ЦЧ, Поволжского и Северо-Кавказского экономических районов уменьшились в 1,5-2 и > раза. Особенно резко запасы органических веществ уменьшились в пахотных почвах.

Изменения содержания органических веществ и химических элементов при распашке происходят за счёт изменения в агроцинозах V производимой биомассы и содержания в ней химических элементов, за счёт уничтожения опада в виде подстилки из степного войлока, а также за счёт отчуждения значительной части биомассы с урожаем. Эти процессы определяют характер изменения экологического равновесия, влияние на процессы почвообразования, животного мира и состояния с/х угодий как пахотных почв, так и агроландшафтов в целом.

Изменения балансов органического вещества и химических элементов в почве при распашке очень велики, что непременно сказывается на состоянии и плодородии почв и стабильности природной среды в целом.

Одним из наиболее серьёзных последствий отрицательного баланса органических веществ и химических элементов является сработка запасов почв гумуса в почвах и вынос Ca и Mg.

Последнее сопровождается повышением ненасыщенности основаниями, гидролитической кислотностью и по сути является одной из причин подкисления почв.

Изменения природной структуры ландшафтов и замена их агроландшафтами оказывает неблагоприятное влияние и на животный мир. Резкое понижение общих запасов биомассы и упрощение структуры агроландшафтов сопровождается исчезновением крупных травоядных животных, хищников и птиц и замена исчезающих видов другими. Крупных животных сменяют мелкие. В ряде районов отмечено беспрецендентное размножение грызунов и возникновение эпидемий опасных заболеваний людей. Это очень опасный процесс, связанный с большим ущербом урожаю и самое главное, со здоровьем человека.

Такая тенденция изменения животного мира является прямым следствием действия объективных законов природы, а не аномально тёплой зимой или иных факторов.