Разная устойчивость почв к деградации в зависимости от сочетания внешних и внутренних условий определяет и разные предельно допустимые уровни воздействия на конкретные почвы в определенных условиях. Так, например, предельно допустимая концентрация тяжелых металлов в почвах определяется не их валовым содержанием, а активностью водорастворимых форм соединений. При этом активность зависит от прочности связи ионов с твердой фазой и с другими ионами в растворе. Она определяется эффективными произведениями растворимости осадков, эффективными константами нестойкости комплексов и эффективными константами ионного обмена в системе твердая фаза – раствор. Эти показатели зависят от рН и Eh среды, ионной силы раствора, его комплексообразующей способности. При образовании в растворе комплексов предельно допустимые концентрации зависят от знака и плотности их заряда, молекулярной массы. Величина предельно допустимых концентраций тяжелых металлов в почвах возрастает с увеличением рН, с увеличением емкости обмена катионов, с утяжелением гранулометрического состава, с увеличением прочности связи этих катионов с твердой фазой, с уменьшением скорости их перехода из твердой фазы в раствор, с увеличением доли минералов групп монтмориллонита и вермикулита.
Деградация агрофитоценозов в значительной степени зависит от устойчивости к деградации растительного покрова. Эволюцией экосистем движет противоречие, порожденное существованием двух противоположных процессов (между постоянно изменяющимися условиями среды и наследственностью живых систем) – абиотического энтропийного и биотического негэнтропийного. Агрофитоценозы отличаются от естественных ценозов ограниченностью видового разнообразия и, часто, недостаточной адаптацией растений к факторам внешней среды, в которую они помещены. Уменьшение биологической продуктивности является также следствием уменьшения биоразнообразия и появления в напочвенном покрове резко ограниченного числа видов с ограниченными адаптационными возможностями к условиям среды. Это приводит к уменьшению устойчивости и надежности системы. Устойчивость к деградации растительного покрова, в отличии от устойчивости к деградации почв, имеет ряд специфических особенностей.
Основным положением энергетики экосистем является необратимость биоэнергетических процессов. Как считает Наумов Н.П., в экосистеме помимо механизмов обратных связей, особенно на уровне биогеоценозов, действует специфическая система регуляции, к которой относится межвидовая сигнализация (оптическая, звуковая, электрическая, химическая), выражающаяся в возникновении вокруг биогеоценоза соответствующих «биологических полей».
Величина предельно допустимых концентраций токсикантов и уровней воздействия для растений зависит от селективности к ним корневых систем, длительности жизни растений, скорости протекающих процессов метаболизма, фазы развития растения. Величина ПДК для растений уменьшается с увеличением продолжительности жизни растения, с увеличением интенсивности процессов метаболизма, на ранней фазе развития растения, с увеличением селективности к токсиканту сорбционных мест корневых систем.
Так, например, древесные культуры накапливают в своих кронах элементы питания и токсиканты не только в зависимости от их содержания в воздухе, но и от содержания их активных форм в почвах, селективности корневых систем и особенностей процессов метаболизма. При этом, древесные культуры имеют более длительный жизненный цикл, по сравнению с травянистым. Токсикант в них многократно включается в процессы метаболизма и в большей степени может накапливаться. В связи с этим, древесные породы и культуры начинают угнетаться при более низких концентрациях токсикантов в почвах.
При воздействии на растения нескольких факторов деградации отмечается их взаимовлияние, обусловленное не только эффектами аддитивности, синергизма и антагонизма, но и более сложными взаимодействиями. По Куркину К.А., интегральное действие на организм совокупности экологических факторов осложнено явлениями монодоминантности, синергизма, антагонизма и провокационности их совместного действия. Монодоминантность возникает, если один из факторов, находясь либо в минимуме, либо в максимуме оказывает столь сильное воздействие, что подавляет влияние всех остальных факторов. Провокационность характерна для сочетания стимулирующих воздействий с летальными и заключается в том, что отрицательные эффекты усиливаются.
Для любых биологических объектов имеются определенные пределы устойчивости, при переходе через которые система скачкообразно меняет свойства и может вообще прекратить существование. В обобщенном виде, предельно допустимые уровни (концентрации) воздействия токсикантов на биологический объект могут считаться более высокими при образовании в растворе ассоциатов токсикантов, гидроксикомплексов, осадков, при закреплении их в ППК, при образовании комплексов с большой молекулярной массой, при наличии в растворе ионов, конкурирующих с ионами токсиканта за поступление в растения; при малом времени жизни объекта, при малой скорости в нем процессов метаболизма, при большой толерантности биоты к токсиканту, при малой селективности к нему поглотительных систем. Увеличение действия на биосистему и, поэтому уменьшение предельно допустимого уровня воздействия, будут отмечаться при большой продолжительности жизни объекта, при большой скорости в нем процессов метаболизма, в которые включается токсикант, при образовании в почвенном растворе комплексов токсиканта с малой молекулярной массой и зарядом, легче поступающих в растения; при увеличении активности токсиканта в почвенном растворе.
Обратимость деградационных изменений почв зависит от степени их деградации, от вида деградации, от буферных свойств конкретных почв, агрофитоценозов, ландшафтов; от внешних условий, от проявления других видов деградации. Выделяют пять категорий степени обратимости деградации почв: 1) легкая степень обратимости, требующая простейших агротехнических мероприятий или снятия определенной нагрузки; 2) средняя степень обратимости, требующая специальных, более дорогоятоящих мероприятий, существенной смены характера использования почвы; 3) затрудненная обратимость, при которой необходимо проведение комплекса сложных и длительных рекультивационных мероприятий, строительство капитальных сооружений, и даже принципиальная смена системы использования почвы не всегда возможна; 4) тяжелая степень обратимости, при которой восстановить свойства исходной почвы невозможно, но можно создать искусственную почву, обладающую плодородием; 5) необратимая деградация почв (Габбасова И.М., 2001).
При сельскохозяйственном использовании деградация отмечается, в большей степени, в том случае, когда сначала почва окультурена, внутренние связи в ней и связи с другими компонентами экосистемы нарушены, а затем поддержка плодородия на новом уровне, за счет внесения вещества и энергии, прекращается. Задача состоит в том, как в замедлении процессов деградации, так и в поддержании новых условий поступления вещества и энергии в систему с целью ее приближения к новым условиям термодинамического равновесия. Для оптимизации экологической обстановки при деградации почв более эффективно изменять причину, а не следствие. Однако, первопричины деградации, в большинстве случаев, зависят от уровня ведения производства, и их устранить сложно. В этом случае стараются изменить следствие более высокой иерархической подчиненности, которое само является причиной многих последовательных деградационных изменений почв.
Возможны и другие варианты оптимизации обстановки: 1) компенсирование деградационного воздействия другими воздействиями; 2) увеличение буферности почв к деградации – связывая образующиеся токсичные продукты, увеличивая буферную емкость почв; 3) увеличение самовосстанавливающей способности почв, активизируя соответствующие функции (разные для определенных видов и степеней загрязнения и т.д.); 4) усиление сопротивляемости почв сопутствующим видам деградации, т.к. чаще деградация под влиянием одного фактора усиливает деградацию под влиянием другого фактора; 5) усиление сопротивляемости деградации других компонентов экосистемы (рельефа, пород, растительности).
Суть восстановления загрязненных экосистем – максимальная мобилизация внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Самовосстановление и рекультивация представляют собой неразрывный биогеохимический процесс (Глазовская М.Ю., Пиковский Ю.И., 1985). В ряде случаев, если один параметр системы почва-растение выходит за рамки оптимума, то для его регулирования можно использовать оптимизацию других свойств почв.
6. Экологическая оценка водной и ветровой эрозии почв
Основные деструктивные процессы в почвах, их физическая деградация связаны, в первую очередь, с проявлением водной и ветровой эрозии. При этом важно оценивать, наряду с фактической эродированностью почв, потенциальную подверженность их эрозионным процессам и условия проявления эрозии. Развитие водной и ветровой эрозии почв приводит к уничтожению пахотных земель, переходу части земель в разряд оврагов и балок, к падению плодородия почв, к уменьшению биопродуктивности угодий, к потере элементов питания, к нарушению экологической ситуации.