Александр Рыженков - Физика окружающей среды

• Название: Физика окружающей среды
• Автор: Александр Рыженков
• Жанр: Физика
• Год: 2018
• ISBN: 978-5-906879-78-3

В основу этой книги легли лекции автора для студентов физико-математического факультета по разработанному им спецкурсу «Физика и экология»

Обсуждается экологическая ситуация в мире и России в связи с развитием научно-технической революции, с позиций физики анализируются физические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере и влияние на них деятельности человека.

Рассматривается использование достижений современной физики в решении глобальных экологических проблем, эффективном использовании природных ресурсов, загрязнении окружающей среды.

---

Таблица 5

Биомасса почвенных организмов

Деятельность микроорганизмов, преобразующих органические остатки, обеспечивает питание растений минеральными элементами. Биомасса растений образуется при потреблении минеральных солей, воды и солнечной энергии. Так, для роста соснового леса за 100 лет из одного гектара почвы изымается: кальция 424 кг, калия 168 кг, фосфора 33 кг. При выращивании культурных растений это потребление значительно больше: злаковые: 7000 кг азота, 1 3000 кг фосфора, 5000 кг калия, картофель: 9000 кг азота, 4000 кг фосфора, 16000 кг (!) калия.

Разница для естественных и искусственных культур обусловлена тем что выпавшие хвоя и листва в лесах частично компенсируют убыль элементов из почвы. При ежегодной уборке сельхозкультур эти элементы уносятся из почвы и, если их убыль не восполняется, почва теряет свое плодородие, происходит нарушение естественного круговорота минеральных веществ.

Интенсивное использование почв, особенно при монокультурном земледелии, нарушает естественный баланс веществ и потоки энергии. В природе этот баланс поддерживается периодической сменой растительности на какой-либо определенной площади. Эта сменность характеризуется законом сукцессии. Исключение севооборота при использовании земли является нарушением этого закона и приводит к обеднению почв и снижению плодородия. К сожалению, в нашей сельскохозяйственной практике закон сукцессии нарушался в течение десятилетий и урожайность наших полей в среднем почти в два раза ниже, чем в Швеции, где по своей природе земли беднее.

Компенсация этой потери внесением органических и минеральных удобрений эффективна только тогда, когда в почве имеются микроорганизмы, трансформирующие удобрения в доступную для растений форму. Для нормального развития растений необходим минимальный набор всех необходимых для растения питательных веществ: убыль одного не может быть компенсирована избыточным внесением другого. Это правило биологии называют законом минимума.

Охрана почв. Мировые запасы плодородных почв – 15 млн. км2, а потери – 20 млн. км2, причем около 40 % из имеющихся частично утратили плодородие. Цифры впечатляющие и требуют принятия мер по сохранению этого важного ресурса. Основной причиной потери почв является их эксплуатация человеком. Причин потерь и деградации почв несколько:

• ветровая и водная эрозия при механической обработке;

• отвод земель под строительство городов, предприятий, дорог и т. п.;

• затопление при строительстве ГЭС;

• загрязнение отходами производства и быта;

• закисление кислотными дождями;

• засоление при неграмотной мелиорации.

Особенно значительны потери почв и их плодородия из-за тотального единообразного применения традиционных методов механической обработки при глубокой вспашке. К наиболее значительным потерям это привело при освоении целинных земель в штате Техас (США), где пыльные бури 30-х и 70-х годов превратили в пустыни около 20 млн. га плодородных земель, унеся миллионы тонн чернозема за сотни километров в Мексиканский залив.

Аналогичному разрушению подвержены почвы и на территории бывшего СССР. Пыльные бури наиболее часто стали поражать степные районы Украины, Нижнего Поволжья, Северного Кавказа, Средней Азии, Казахстана, где ветер выдувает почву на глубину до 25 см. А. Иващенко [6] в очень профессиональном и эмоциональное очерке о проблемах земледелия пишет, что число пыльных бурь в Ставрополье за последние 100 лет увеличилось в 10 раз, а слой знаменитого чернозема толщиной в I метр (!), помещенный в Парижском институте мер и весов как эталон за последние 50 лет уменьшился в 2 раза. Известно, что на восстановления 1 см гумусного слоя требуется 50 лет!

Значительный ущерб запасу продуктивных почв, как ни странно для неспециалиста, наносит мелиорация, а точнее неразумное орошение. Водозабор из рек, осуществляемый в гигантских масштабах, не может не нанести ущерба экосистемам рек и тем районам, куда он направлен. Явление это сложное, и для его анализа и управления требуется научный подход с участием специалистов разных специальностей, в том числе и физиков. Пока, к сожалению, в деле мелиорации преобладает эмпиризм.

Наиболее показательная ситуация сложилась в Средней Азии в бассейне рек Аму-Дарьи и Сыр-Дарьи в связи с превращением Узбекистана в район хлопковой монокультуры. Вода этих рек, взятая для орошения хлопковых полей, пополняется солями, химических препаратов и в таком отработанном виде сбрасывается в низины. Это привело к подъему подпочвенных соленых вод, засолению и заболачиванию миллионов гектаров плодородных земель.

Для решения этой проблемы имеется несколько путей: вернуть гармоничный' характер сельскому хозяйству Узбекистана, рационально расходовать имеющиеся воды, использовать достижения современной науки.

Интенсивное применение химпрепаратов также привело к значительной деформации почвенных экосистем, так как химические соединения ударили прежде всего по живому миру почвы, превратив ее из живого тела в носителя искусственных минеральных удобрений и ядохимикатов.

Для повышения продуктивности почвы приходится вносить в нее элементы, забираемые сельхозкультурами: С, Н, Р, В, Ca, К, Na и другие.

Особенно важны для активного развития растений и продуктивности азот и фосфор. Азота в почве содержится достаточно много, от 3 до 40 тонн на гектар. Однако он находится в труднодоступной для растений форме. Внося его в легкоусвояемой форме в виде солей аммония и нитратных солей, мы в то же время делаем азот легко вымываемым из почвы и выносимым в воздух. Подсчитано, что ежегодно с наших полей в атмосферу уносится 1,5 млн. тонн азота, что усугубляет тем самым проблему «озоновой дыры» и кислотных дождей.

Особую группу сельскохозяйственных препаратов представляют пестициды из которых гербициды предназначены для уничтожения сорняков, а инсектициды – насекомых. Молекулы ядохимикатов устойчивы и с трудом поддаются разложению, по этой причине наблюдается постоянное накопление этих соединений в биомассе Земли. Некоторые из них, как ДДТ, севин, хлорофос чрезвычайно опасны. Так, ДЦТ обнаружен у 90 из 100 беременных женщин, несмотря на то, что запрет на его использование существует почти 40 лет; севин вызывает полную стерильность мужчин и женщин. Число этих соединений уже перевалило за 1000 и на их основе в мире выпускается более 80 тысяч продуктов.

Интенсивное применение химических удобрений и ядохимикатов может привести к необратимому ухудшению почвы.

Вместе с тем за рубежом, в России, на Украине, в Белоруссии имеются примеры ведения сельского хозяйства без применения ядохимикатов. Ряд хозяйств за рубежом уже получают сельхозпродукцию вообще без применения химпрепаратов, рекламируют это и продают ее по более высоким ценам.

Энергетика биосферы. Жизнь на Земле и ее многообразие обеспечивается работой уникальной «машины» биосферы, преобразующей солнечную энергию и рассеянные в окружающей среде элементы, в высокоорганизованную материю. Эффективность работы этой «машины» можно оценить, сравнивая количество поступающей энергии и получаемой продукции. Количество солнечной энергии, поступающей в течение года на 1 гектар поверхности в районах с умеренным климатом, равно примерно 4,2×1013 Дж, количество биомассы, полученной в этих условиях, приблизительно равно 10 тонн пшеницы или 5–7 тонн прироста лиственного леса, что в энергетических единицах составляет около 34 × 1010 Дж. Из сравнения этих двух величин получается, что КПД биосферной «машины» равен приблизительно 1 %. Остальные 99 % солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, отражаются растениями 35 % и 60–70 % расходуются на транспирацию (дыхание растений).

Энергия, преобразованная в биомассу, рассеивается дальше по звеньям трофической (пищевой) цепи. Растения являются первичным продуктом преобразования энергии и называются продуцентами, живые организмы, потребляющие растительную пищу представляют вторичный продукт этого процесса и называются консументами (от английского слова consumption – потребление); организмы, перерабатывающие отходы продуцентов и консументов, представляют собой класс редуцентов.

Таким образом, редуценты замыкают цикл преобразования энергии и материи в биосфере (рисунок 8).

Рис. 8. Преобразование энергии в биосфере

В каждом из звеньев трофической цепи происходит накопление и рассеяние энергии.

Мощность потока солнечной энергии, достигающий поверхности Земли, равен 1000 Вт/м2. Эта энергия, как показано в таблице, распределяется между многими видами движения органической и неорганической материи.

Таблица 6