Концептуальные основы геоэкологии

С.П.Горшков

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ГЕОЭКОЛОГИИ

Издательство СГУ Смоленск 1998

ББК 26.8 Г 70

Горшков С.П. Концептуальные основы геоэкологии: Учебное пособие. – Смоленск: Изд-во Смоленского гуманитарного университета, 1998. Аннотация. Рассматриваются история геоэкологических знаний, общие представления о геоэкологии, живом веществе, биосфере, а также основные антропогенные воздействия на нее и последствия в условиях городской и сельской среды, при горных разработках, водохозяйственных мероприятиях, использовании лесов. С геоисторических позиций оценены современное состояние и устойчивость биосферы, а также эффективность попыток глобального управления окружающей средой. Г 70 ISBN 5-88-984-056-8

ББК 26.8

 Горшков, 1998

2

Предисловие Эта книга освещает в расширенном объеме темы курса лекций, которые автор читает студентам географического и геологического факультета Московского Государственного Университета им.М.В.Ломоносова. В книге обосновано значительное количество положений, которые подчас декларировались для слушателей из-за недостатка времени. Каждая из трех частей учебного пособия освещает несколько тем. Все же структуру книги можно представить так: 1) основные вехи в истории изучения природы в связи с воздействием на нее человека, предмет геоэкологии, живое вещество и биосфера; 2) антропогенные изменения биосферы; 3) глобальные геоэкологические проблемы через призму познания космопланетарных сил. Любая из перечисленных тем может быть предметом многотомного монографического исследования и поэтому автор ни в коем случае не претендует на их полное и всестороннее освещение. Все же можно рассчитывать, что из приводимой информации читатели смогут увидеть многоаспектность и междисциплинарный характер каждой проблемы, а также в основных чертах получат представление об их современном состоянии. При написании книги, как и чтении лекций, автор стремился показать, что Лик Земли, наша биосфера меняются в результате взаимодействия трех главных факторов - сил неорганической природы, сил органической жизни и сил технически вооруженного человечества. Но еще правильнее будет сказать, что природные подразделения биосферы показываются как системы в разной степени, но часто очень сильно трансформированные биотическими силами и во многом ими же управляемые, а уже эти системы, геологически длительно формировавшиеся, в зависимости от антропогенной нагрузки либо продолжают функционировать в квазиприродном режиме, либо развиваются как измененные (природно-антропогенные) или даже как вновь образованные (антропогенные). Главное внимание сосредоточено на динамических аспектах взаимодействия человека и природы. Таким образом, вопреки довольно широко распространившимся взглядам, что науки экологического ряда - это в основном рецептивные, по сути дела, прикладные дисциплины, в книге показано, что геоэкология представляет собой очень широкую область знаний о природной среде, без которых невозможно правильно оценить последствия ее антропогенного изменения и выбрать стратегии и приемы управления средой нашего обитания. Например, океанский зоопланктон, очищая при биофильтрации огромные массы воды, выбрасывает пищевые комки (пеллеты), которые осев в зонах перехода океан - материк, затем во многом оказываются строительным материалом и источником энергии в процессах трансформации блоков океанической коры в кору материков. Знание этой связи имеет огромный теоретический интерес, однако не только он должен быть проявлен, когда процесс биофильтрации будет оцениваться как глобальный фактор, влияющий на поддержание на определенном уровне альбедо поверхности океана. Изучение от пеллеты до материкового сегмента - таков диапазон геоэкологии. Другой пример изучение геологической истории не для поисков полезных ископаемых и лучшего познания эволюции организмов, а для понимания и оценки степени риска антропогенной дестабилизации биосферы. Уже исходя из вышесказанного, вряд ли можно отрицать правомочность того, что в основу курса во многом должны быть положены представления В.И.Вернадского, а также другие новейшие разработки в области региональной и глобальной геоэкологии. Не менее важно было по возможности полнее отразить огромную роль отечественной 3

науки в разработке проблем взаимодействия человека и биосферы и дать отдельные примеры высокого служения на этом поприще своему народу российских ученых, имена которых вписаны золотыми буквами в историю науки и человечества. Данное учебное пособие отличается от большинства руководств экологического профиля тем, что в нем нет “дежурных глав” об общих свойствах и параметрах литосферы, гидросферы и атмосферы. Это студенты узнают из курсов геологии, геоморфологии, гидрологии и климатологии. Отсутствует также модный раздел (он почти один к одному перепечатывается в учебниках по охране природы, геоэкологии и охране окружающей среды), в котором сокращенно излагается содержание руководств по классической экологии. Такой курс студентам читается отдельно. Везде, где можно, автор старался излагать материал в научно-популярной форме, чтобы книга была полезна не только на уровне университетов, но и более широкому кругу читателей. Более того, некоторые фрагменты книги могут показаться даже слишком эмоциональными. Но таковы многие темы геоэкологии. Эмоционально вести разговор с читателем не чуждались такие блистательные природоведы как В.В.Докучаев, В.И.Вернадский и А.Е.Ферсман. Ныне эта традиция продолжена А.Л.Яншиным, М.Я.Лемешевым, А.Ю.Ретеюмом и др. При написании учебного пособия использовалась обширная литература, перечень которой в приводимом списке сильно сокращен с целью выделить основные источники, рекомендуемые читателю. В заключении подчеркнем, что быстрый прогресс в накоплении, обработке и передаче информации о состоянии природных и природно-антропогенных систем, а также всей биосферы скорее даже усугубляет необходимость цельного понимания картины мира, в которой прошлое и настоящее биосферы рассматривались бы во взаимной связи и помогали бы критически оценивать сценарии будущего. Некоторые конкретные соображения по этому поводу излагаются в книге. Автор чрезвычайно признателен профессорам С.М.Мягкову и Л.Р.Серебрянному за доброжелательное рецензирование и обсуждение книги, что способствовало ее улучшению. Совершенно необходимо высказать большую благодарность доценту Б.А.Алексееву и научному сотруднику А.К.Посыпкину за их неоценимую помощь при компьютерной подготовке рукописи к изданию. Важно также отметить, что непростую задачу найти возможность напечатать книгу помог решить проректор Смоленского Гуманитарного Университета А.П.Катровский. Автор благодарен ему за это.

4

Часть 1. ОСНОВЫ 1. История геоэкологических знаний 1.1. Античное время и средневековье. Бережное отношение к природе входило в традиции большинства этносов Земли. По мере формирования государств многие из таких традиций принимали форму законов. В античное время зарождается широкий спектр наук, часть из которых принадлежали к естествознанию. В древнегреческом обществе уже существовало понимание причинно-следственных связей в природе. Греческие ученые Фалес из Милета, Платон учитель Аристотеля и сам ученик изучали круговорот воды. Однако правильно понял его специфику живший позже их во второй половине I в. н.э. римский инженер Марк Ветрувий Поллио (Шварцев, 1996). В сочинениях Аристотеля (384 до 322 гг. до н.э.) проводится идея мирового порядка и управления. Все явления природы представлены как подвижная живая деятельность одной всеобщей мировой силы. И хотя мистицизм такого подхода очевиден, нельзя не восхищаться замечанием Аристотеля о том, что в Космосе нет ничего бессвязного, как бывает в дурной трагедии (Гумбольдт, 1851). Ученик Аристотеля естествоиспытатель и философ Теофраст (372-287 гг. до н.э.) одну из книг посвятил лесным деревьям. Среди написанных им свыше 200 трудов есть также по минералогии. В античной Греции и Риме велось описание почв и приемов их использования. Больше других этим занимался в Древнем Риме Марк Порций Катон (234-149 гг. до н.э.). Выделив почвы по окраске и механическому составу, он дал рекомендации по удобрению их и по использованию различных культурных растений. Накопление геоэкологических знаний в период средневековья шло весьма медленно. Необходимо назвать научные искания Леонардо да Винчи (1452-1519). “Знание истинных законов природы обуздывает инженеров и исследователей, не позволяя им обещать себе и другим вещи невозможные…“ - отмечал он. Упомянем о лекциях по горнометаллургическому делу, которые в ХVI в. читал в г.Яхимов (Чехия) И.Матезиус (15041565). В ХVII в. французы П.Перро (1608-1680) и Эдм Мариотт (1620-1684) стали основателями современной гидрогеологии. В книге первого из них “Происхождение источников”, изданной в 1674 г., заложены научные основы воднобалансового подхода к изучению системы атмосфера - речной бассейн (Шварцев, 1996). В 1735 г. К.Линней (1707-1778) опубликовал труд “Система природы”, где были заложены основы современной таксономии органического мира. Однако всплеск познания природной среды и взаимодействия с ней человека приходится на эпоху научно-технической революции. 1.2. Концептуальные идеи конца ХVIII, XIX и начала ХХ вв. Симптоматично, что осознание ограниченности ресурсного потенциала Земли и невозможности агропроизводства прокормить будущее мировое население впервые возникло у жителя островного государства Великобритания - священника Т.Мальтуса (1766-1834). Это и было отражено в его книге "Опыт о законе народонаселения" (впервые издана в России в 1798 г.). Законы Т.Мальтуса чрезвычайно просты. Население растет в геометрической прогрессии, а производство пищи - в арифметической. Ученый отмечал, что недостаток продовольствия должен сдерживать рост населения и что для 5

беднейших его слоев голод, болезни и смерть станут неизбежными регуляторами численности людей. Т.Мальтус полагал, что в случае невозможности сдерживать рост численности людей "нравственным обузданием", вымирание части бедного населения Земли станет позитивным фактором для тех, кому посчастливиться выжить. Зная современную ситуацию, можно не соглашаться с этим в деталях, однако в главном английский ученый был прав. Основа для радикального улучшения продовольственной ситуации в мире была заложена в 1840 г., когда немецкий ученый Юстус Либих (1803-1873) в книге “Химия в приложении к земледелию и физиологии” обосновал теорию минерального питания растений и тем самым открыл важнейшую особенность нашего мира, именуемую ныне биологическим круговоротом вещества в природе. В связи с этим, в частности, Ю.Либих заслуженно считается- основателем агрохимии. В 1832 г. англичанин Ч.Лайель (1797-1875) в 2-х томной монографии: "Основные начала геологии или новейшие изменения Земли и ее обитателей" коснулся и роли человека в преобразовании земной поверхности в том числе в результате земледелия. В России этот труд впервые опубликован в 1866 г. В нем деятельность человека представлена в качестве одной из сил органической природы. Знаменитый геолог отмечал, что рыхление почвы содействует размывающей силе дождя и уменьшает охраняющее влияние растительности, что в целом вмешательство людей в геологические процессы больше способствует выравниванию рельефа. В живой природе человек уменьшает естественное разнообразие и в смысле влияния на географию животных и растений он выступает как "самый сильный деятель". Однако, пишет Ч.Лайель (1866): "Если бы все живущие на Земле народы попытались выломать лаву, вытекшую в течение одного извержения из исландских вулканов в 1783 г. и в течение двух следующих лет, и попробовали бы перенести ее в глубочайшие пучины океана, то они проработали бы несколько тысячелетий и не выполнили бы этой задачи. Однако же вещество, сносимое к морю двумя большими реками Гангом и Брахмапутрой, в каждую четверть столетия, вероятно равняется по весу и объему массе исландской лавы, излившейся во время упомянутого большого извержения. Так ничтожны совокупные силы всего человечества в сравнении с обычными отправлениями водяных или огневых деятелей в естественном мире" (т. 2, с. 443-444). Своеобразно оценив мускульные возможности человечества, Ч.Лайель остался в рамках своего подхода, названного принципом актуализма, и поэтому он не увидел, какая огромная геологическая сила появилась на планете в лице человечества. Ч.Дарвин (1809-1882), соотечественник Ч.Лайеля, использовал представления великого геолога, когда писал книгу "Происхождение видов" (1859). В ней Дарвин с градуалистских позиций рассмотрел эволюцию органической жизни и объяснил ее действием триады - изменчивость, наследственность, отбор. Авторитет двух гигантов естествознания на долгое время ослабил внимание к концепции геоисторических катастроф и великих вымираний, которую развивал французский палеонтолог Ж.Кювье (1769-1832). Градуалистский подход Ч.Лайеля и Ч.Дарвина стал основой, быть может, одного из важнейших на сегодняшний день представлений о равновесии в живой природе. Эта идея была в частности высказана американцем Г.Маршем, который указал на нарушение баланса в живой природе человеком. Вполне логично, что первым, кто обратил серьезное внимание на разграбление ландшафтов стал американский ученый. В период стихийного освоения на североамериканском континенте, как ни в каком другом месте на Земле, переселенцы из Европы и других частей света с огромной скоро6

стью сводили леса, уничтожали диких животных, превращали земли с плодородными почвами в бедленды. В книге "Человек и природа" (1866) Г.Марш подчеркивал: "Деятельность человека по отношению к органическому миру обнаруживает стремление извратить первоначальное равновесие между различными формами животной и растительной жизни, размножая одни и уменьшая или даже совершенно истребляя другие" (с. 7-8). Согласно Г.Маршу, "влияние истребления лесов на географическую поверхность Земли едва ли не более ярко, чем какой либо другой результат человеческой деятельности" (с. 8). На русском языке труд Г.Марша впервые опубликован в 1886 г. Наблюдения ученого создали базу для исследований более позднего времени, когда уничтожение девственной природы стало рассматриваться и как уменьшение биоразнообразия, и как снижение потока углерода из неживой природы в живую. В 1866 г. крупный немецкий биолог-дарвинист Э.Геккель (1834-1919) в двухтомном труде "Всеобщая морфология" при построении иерархической системы классификации биологических наук предложил название "экология" (ойкос - дом, жилище по-гречески) для ветви биологии, изучавшей отношение организмов с окружающей средой. Так оформилась наука, основы которой были заложены ранее. Предшественниками называют Гиппократа, Аристотеля и других древнегереческих философов. Многие великие деятели “биологического Возрождения (ХVIII-ХIХ вв.) внесли свой вклад в эту область. Например, Антони ван Левенгук (1632-1723), более известный как один из первых микроскопистов начала ХVIII в., был также пионером в изучении “пищевых цепей” и регулирования численности популяций - двух важных разделов современной экологии (Одум, 1975). Пионерные работы в этой области принадлежат также Ю.Либиху, К.Ф.Рулье и др. В 1875 г. австрийский геолог Э.Зюсс (1831-1914) впервые употребил термин "биосфера". Он писал: "Одно кажется чужеродном на этом большом, состоящем из сфер небесном теле (имеется в виду Земля - С.Г.), а именно органическая жизнь... На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу..."(Лапо, 1987, с.13). Автор всемирно известного труда "Лик Земли" - Э.Зюсс придумал "ключевое слово", которое сейчас объединяет всех образованных людей как не один другой какой-либо научный термин. Удивительно, что австриец, знавший о роли морских организмов в формировании литосферы, тем не менее пишет о чужеродности жизни по отношению к геосферам. Позже эту неувязку исправил В.И.Вернадский. А до того... К.Маркс (1818-1883) и Ф.Энгельс (1820-1895) были в числе тех, кто одними из первых осознал значение растущего воздействия цивилизации на природу. Широко известна фраза К.Маркса из его письма к Ф.Энгельсу, что "человеческие проекты, не считающиеся с великими законами природы, приносят только бедствия..." Столь же часто упоминаются основанные на фактах выводы из работы Ф.Энгельса "Диалектика природы" (1894) о том, что природа всякий раз мстит человеку за непонимание неизбежности негативных последствий, к которым приводит хищническое, а порой и просто стихийное использование естественных ресурсов. В 1896 г. С.Аррениус (1859-1927) опубликовал основополагающую работу, в которой количественно оценил влияние изменения концентрации атмосферного СО2 на температуру земной поверхности. В калькуляции парникового эффекта он учитывал эффект важной положительной обратной связи между ростом температуры и увеличением содержания паров воды в воздухе, что также должно вести к потеплению климата. 7

Шведский ученый считал, что чередование ледниковых и межледниковых эпох в четвертичном периоде связано с колебаниями концентрации атмосферного СО2, что человечество ставит незапланированный эксперимент над климатической системой планеты, сжигая ископаемое топливо и, тем самым, увеличивая парниковый эффект. Кроме того, антропогенное увеличение главного газообразного биогенного вещества должно повлиять на состояние сельского хозяйства и лесоводства. Эти представления С.Аррениуса намного опережали его время и чрезвычайно актуальны в наши дни. Необходимо отметить, что на явление, ныне называемое парниковым эффектом газообразных примесей атмосферы, впервые указал в 1824 г. французский ученый Ж.Фурье, а в 1861 г. английский физик Дж.Тиндалл открыл, что подобно водяному пару молекулы СО2 экранируют инфракрасное излучение. Это геофизическое свойство углекислого газа не является однако его единственным глобальным рычагом воздействия на биосферу. О других сопоставимых качествах СО2 - таких как удобрительный и антитранспирационный эффекты, говорится в главе “Живое вещество”. Вернемся к основной теме. Э.Реклю (1830-1905) - автор труда "Земля и люди. Всеобщая география", вышедшего в период с 1876 по 1894 гг. в девятнадцати томах, обосновал необходимость бережного отношения к природным силам и естественным ресурсам и прозорливо писал о том, что полная гармония на поверхности нашей планеты не установится до тех пор, пока все люди не образуют всеобщего союза мира и справедливости. В течение первых десятилетий ХХ в. обеспокоенность ученых растущим хищническим использованием природных ресурсов и быстрым ухудшением окружающей среды стала причиной появления экологически ориентированных организаций. В частности, в 1908 г. президент США Т.Рузвельт после проведения в Белом доме специальной конференции создал Национальную комиссию по охране природных ресурсов. В 1913 г. в Берне по инициативе швейцарского зоолога П.Саразина была проведена первая Международная конференция по охране природы, что свидетельствовало о серьезном намерении ученых защищать природные экосистемы и биологическое разнообразие Земли от натиска цивилизации. В 1922 г. английский геолог Р.Шерлок опубликовал книгу “Человек как геологический агент”. В ней подробно рассмотрены антропогенные изменения в литосфере. Горные разработки представлены как антропогенная денудация, а образование отвалов как антропогенная аккумуляция. К первой отнесено и истирание дорог при движении транспорта. Р.Шерлок указал на различные виды антропогенного нарушения режима подземных вод, их истощение при открытой добыче полезных ископаемых и при ирригации, на антропогенное изменение деятельности рек, на подпруживание озер и создание других видов водохранилищ, на оседание местности при понижении горизонтов подземных вод (водопонижение), или при подработке территории, на стимулированное человеком усиление или ослабление абразии. Он отметил создание человеком новых горных пород (кирпич, стекло, фарфор, шлак и др.). Р.Шерлок признавал возможность антропогенного потепления климата. По его мнению, масштабы нарушения геологической жизни планеты человеком сопоставимы с природными процессами. Ученый полагал, что вспышка антропогенной геологической активности не будет продолжительной, и разрушительные процессы вскоре будут компенсированы созидательными. Р.Шерлок ссылался в книге на труды предшественников, в числе которых упомянуты Г.Марш и А.И.Воейков. Таким образом, изучая Землю, ученые по мере развития общества все больше акцентировали внимание на особой роли живого вещества и человека в эволюции и дина8

мике природной среды. В конце ХVIII, в ХIХ и начале ХХ века выдающиеся представители науки уже обосновывают: - возможность перенаселения Земли в будущем (Т.Мальтус), - принципы совершенствования агропроизводства (Ю.Либих), - присутствие в геологической летописи следов биотических катастроф (Ж.Кювье), - униформистский подход в понимании эволюции природы (Ч.Лайель), - постепенность эволюции органического мира (Ч.Дарвин), - наличие равновесий в живой природе и их нарушение цивилизацией (Г.Марш), - появление науки о взаимодействии организма и природной среды (Э.Геккель); - пагубность нарушения человеком природных связей ((К.Маркс, Ф.Энгельс), - необходимость выделять оболочку Земли - биосферу (Э.Зюсс), - наличие парникового эффекта у земной атмосферы и влияние на него человека (Ж.Фурье, Дж.Тиндалл, С.Аррениус); - обязательность социального мира для баланса с природой (Э.Реклю); - проявление человечества как силы, преобразующей литосферу (Р.Шерлок); - необходимость национальных и международных природоохранных организаций (П.Саразин и др.). Из приведенного перечня разработок видно, что осознание некой гармонии природы, связанной с наличием жизни на Земле, и нарушение ее цивилизацией было достигнуто в естествознании в период с конца ХVIII и по начало ХХ вв. Так были заложены первые основы будущей геоэкологии. На ее дальнейшее развитие в большой степени влияли события, возникавшие в ходе экстенсивного природопользования в большинстве стран мира. Заметим, что и в нашей стране природоведение развивалось во многом под воздействием стремления ученых понять законы функционирования преобразованной среды обитания. 1.3. Геоэкологическая мысль в дореволюционной России. Первые письменные законодательные акты по охране природы в России датируются ХI-ХII вв. “Русской правдой” Ярослава Мудрого ограничивалась добыча зверей и птиц. В ХIII в. учреждались заповедные леса военного значения, где запрещалась вырубка и прокладывание дорог. Общегосударственные мероприятия по охране и рациональному использованию природных ресурсов были предусмотрены указами Петра I. Они включали охрану лесов по берегам cудоходных и сплавных рек в 30-верстной полосе, охрану чистоты воды в Неве, некоторых других реках, каналах, гаванях. С целью обеспечения построенных при Петре I на Урале металлургических заводов им же издан в 1720-х гг. указ о делении лесов на лесосеки и их возобновлении после вырубки. В.Н.Татищев (1686-1750), а впоследствии С.П.Крашенинников (1711-1755) и А.А.Нартов (1736-1813) - известные географы, историки и ботаники - заложили в России основы науки о лесах. М.В.Ломоносов (1711-1765) внес огромный вклад в развитие наук о Земле. Он развивал инфильтрационную теорию происхождения подземных вод. Впервые в 1757 г. ученый высказал идею, что существование многолетнемерзлых пород - результат двух взаимно противоположных процессов - летнего нагревания и зимнего охлаждения. Он же одним из первых высказал мысль об изменчивости природы, длительности, непрерывности и периодичности геологических процессов. Ученый первым обратил внимание на взаимодействие внешних и внутренних геологических процессов. Он писал, что каменный уголь и нефть - продукты естественного преобразования органического ве9

щества в глубинах Земли, янтарь - ископаемая смола, а окаменелости - остатки животного и растительного мира древних эпох. М.В.Ломоносов способствовал становлению науки, которую в 1802 г. Ж.Б.Ламарк назвал гидрогеолгией. Россиянин разрабатывал учение о подземных водах как природных растворах, а также как геологическом факторе развития Земли и образования полезных ископаемых. Михаилу Васильевичу принадлежат различные идеи в области горного искусства и горнозаводской механики. Интересовался ученый и проблемами лесоводства. Он обращал научное знание в прогресс России; указывал на необходимость для отчизны скорейшего освоения Северного морского пути на то: что “могущество России Сибирью прирастать будет”. В 1805 г. основано Московское общество испытателей природы. В 1839 г. вышел курс геогнозии Д.И.Соколова в трех частях. В 1843 г. на юге России было создано Великоанадольское лесничество - колыбель научного степного лесоразведения. Во второй половине ХIХ в. значительно расширили и углубили лесохозяйственную науку А.Ф.Рудский, Д.М.Кравчинский и др. Ф.К.Арнольд (1819-1902) написал трехтомный труд “Русский лес”. В 1866 г. горный инженер И.А.Лопатин иссследовал многолетнемерзлые четвертичные отложения в низовье Енисея и на Бреховских островах и установил широкое распространение подземных жильных льдов, явлений пучения и термокарста. Он первый обратил внимание на значение криогенных процессов для строительства на севере, заложив, таким образом, начало инженерного мерзлотоведения. Необходимо отметить, что сведения о наличии в Сибири постоянно мерзлых пород и о том, что в них находят бивни и сохранившиеся трупы мамонтов в работах 1720-1730-х гг. приводил В.Н.Татищев. Позже Л.А.Ячевский в работе 1889 г. “О вечно мерзлой почве Сибири” писал о практическом значении исследования мерзлых пород при строительстве железных дорог. На авторской карте распространения многолетнемерзлых пород показана их южная граница. В дальнейшем проблемы научно обоснованного освоения криолитозоны России еще в дореволюционное время разрабатывались С.А.Подьяконовым, В.А.Обручевым, Б.Б.Полыновым, В.Н.Сукачевым и др. Рассматривались и вопросы агропроизводства в криолитозоне. Эта тема вообще чрезвычайно широко будировалась в России. Д.И.Менделеев (1834-1907), известный как гениальный химик, был широко эрудированным ученым и достойным сыном своей Родины. Еще в 1866 г. он предложил разрабатывать научные основы отечественной агрономии, а в течение последующих трех лет поставил и провел полевые опыты по изучению влияния глубины вспашки и действия удобрений в различных географических условиях на примере Петербургской, Московской, Смоленской и Симбирской губерний. По отзыву К.А.Тимирязева, это была система опытных полей - несомненно первая когда-либо осуществленная в России. Основываясь на полученных результатах, Д.И.Менделеев пропагандировал необходимость известкования кислых почв, применение размолотых фосфоритов, суперфосфата, азотных и калийных удобрений, совместное внесение органических и минеральных удобрений. При этом он писал: "Я восстаю против тех, кто печатно и устно проповедует, что все дело в удобрении, что, хорошо удобряя, можно и кое-как пахать". Ученый поддерживал экспедиции В.В.Докучаева, направленные на улучшение ситуации в земледелии, и активно работал над проблемами развития производительных сил России. 10

Следует отметить, что научные исследования в области агрономии в ХIХ веке в России проводились большой группой ученых, среди которых можно выделить А.В.Советова (1826-1901), пропагандировавшего плодопеременную систему земледелия, которая хорошо зарекомедовала себя во многих странах Европы. П.А.Костычев (1845-1895) в книге "Учение об удобрении" (1884) подчеркивал, что плодородие зависит не только от количества питательных веществ в почве, но и от ее структуры и других физических свойств. Характер структуры почвы, считал он, в первую очередь определяется содержанием перегноя. К.К.Гедройц (1872-1932) установил виды поглотительной способности почв, выяснил, что в явлениях обмена в системе почва -растение участвуют гумус, детрит, минеральная часть почвы и микроорганизмы. Им обоснована необходимость известкования и гипсования почв. К.Д.Глинка (1867-1927) очень много сделал для становления и развития генетического почвоведения. Под его руководством составлена первая отечественная карта почв мира. Но вернемся к концу ХIХ века. В 1891 году небывалый по масштабам голод поразил Россию из-за жесточайшей засухи и суховеев в черноземном поясе страны. Можно было бы сетовать на климат. Но масштабы бедствия не были бы столь катастрофическими, если бы землепользование и растениеводство того времени могли опираться на науку. Голод и страдания крестьян были своего рода набатом для русской интеллигенции. Многие ученые, которые так или иначе были связаны с проблемой плодородия отечественных земель, выступили с предложениями по улучшению ситуации в сельском хозяйстве. А.И.Воейков (1842-1916) - климатолог с мировым именем - в тяжелом для России 1891 году писал в статье "Климат и народное хозяйство", что бороться с засухой, с неурожаями, с голодом надо путем степного лесоразведения, путем устройства прудов и водоемов. Ученый сделал даже расчеты размеров необходимой сети лесополос. Изучив гидромелиоративную сеть Полесья и особенности ее влияния на ландшафты, А.И. Воейков заключил, что осушение болот не может ослабить атмосферный перенос влаги от переувлажненных территорий к засушливым. Идея проведения в России земельных улучшений плодотворно разрабатывалась ученым на протяжении многих лет. А.И.Воейков считал главной задачей географии изучение взаимодействия человека и природы. В.В.Докучаев (1846-1903) - геолог по образованию и геоэколог по эрудиции и вкладу в науку - опубликовал в 1892 г. книгу "Наши степи прежде и теперь". В ней он указал на необходимость максимального приближения агроландшафтов черноземной зоны России к природному состоянию, что повысит их устойчивость к засухам. Среди мер защиты от неурожаев он назвал лесомелиорации, накопление влаги на полях (снегозадержание) и в прудах, селекцию сортов культурных растений и организацию опытных хозяйств. Правильность своих идей В.В.Докучаев доказал на созданном им стационаре "Каменная степь" в Воронежской области. Изучая природные условия и приемы земледелия в разных регионах России, Василий Васильевич и его ученики и единомышленники пришли к твердому убеждению, что человек, работающий на земле, всегда и всюду имеет дело не с отдельными природными телами и явлениями, а с их сложным комплексом, целостной системой воспроизводства агроресурсов и агросреды. И отсюда зародилась идея о необходимости науки, по словам В.В.Докучаева, о “многосложных и многообразных соотношениях и взаимодействиях, а равно и о законах, управляющих вековыми изменениями их, кото11

рые существуют между так называемой живой и мертвой природой, между: а) поверхностными горными породами, b) пластикой Земли, c) почвами, d) наземными и грунтовыми водами, e) климатом страны, f) растительными и g) животными организмами… и человеком, гордым венцом творения” (Николаев, 1992, с.5). Эта наука (позже ее назовут ландшафтоведением) есть сущность познания естества…, лучшая и высшая прелесть естествознания. Так характеризовал ее В.В.Докучаев. За работы в области почвоведения, в частности книгу "Русский чернозем" (1883), В.В.Докучаев признан родоначальником этой науки совместно с американцем Е.Гильгардом (1833-1916). Перу последнего также принадлежат основополагающие труды по почвоведению. Г.Ф.Морозов (1867-1920) - ученик В.В.Докучаева - развивал отечественное лесоведение, используя ландшафтный подход. Конец ХIХ века в России знаменателен тем, что тогда была впервые реализована идея полной охраны природы участка дикой природы. В 1898 г. Ф.Э.Фальц-Фейн образовал в своем имении степной заповедник Аскания-Нова около города Каховка. Были созданы и другие частные охраняемые территории. Чтобы сделанное преломить в государственную политику, в 1908 году директор Зоологического музея МГУ Г.А.Кожевников (1866-1933) на Всероссийском юбилейном акклиматизационном съезде выступил с докладом "О необходимости устройства заповедных участков для охраны русской природы". Инициатива получила широкий резонанс. Эту же идею отстаивал вице-президент Российской Академии Наук, биолог И.П.Бородин (1847-1930), организовавший в 1912 г. Постоянную природоохранительную комиссию под эгидой Императорского русского географического общества. В комиссию входили представители различных ведомств, министр земледелия А.С.Ермолов был председателем, а И.П.Бородин - его заместителем и фактическим руководителем (Вайнер, 1991). Следует отметить, что в прошлом веке геологи и геохимики объединяли атмосферу, гидросферу и литосферу в единую оболочку - земную кору. Поэтому идея П.И.Броунова о единстве трех внешних геосфер, "к которым присоединяется еще и четвертая - биосфера", высказанная в 1910 г., шла в ногу со временем и развивала геосферный подход к изучению Земли. П.И.Броунов полагал, что изучение взаимодействия всех оболочек, включая биотическую, есть предмет физической географии. Между тем, разработанные и проверенные на практике В.В.Докучаевым принципы управления агроландшафтами в дальнейшем послужили основой для развития сельскохозяйственных наук в России и одновременно стали основой для разработки ландшафтного подхода в географии его единомышленниками и последователями (А.Н.Краснов, А.И.Воейков, Г.И.Танфильев, П.А.Костычев, А.А.Измаильский, Л.Г.Раменский и др.). Например, Г.Н.Высоцкий в 1904 г. писал о необходимости изучения и картографирования природных территориальных единств, а А.А.Борзов в 1914 г. использовал вслед за Л.С.Бергом слово "ландшафты" применительно к "органическим комплексам". Л.С.Берг (1876-1950) использовал в 1913 г. целый ряд терминов (фация, урочище, геохора), а под географическим ландшафтом или аспектом он понимал некоторое органичное целое, получающееся от взаимодействия всех участвующих факторов - материнской породы, почвы, климата, рельефа, гидрологического режима, органического мира и т.д. А.Е.Ферсман (1883-1945) в журнале "Природа" в 1912 г. прозорливо написал о проблеме геохимического воздействия человека на природные равновесия. Горы пустой 12

породы вблизи шахт, долины, засыпанные шлаками, тысячи фабричных труб, выдыхающих в атмосферу угольную кислоту, - все это, увиденное им в Бельгии и Германии, дало импульс для развития в послереволюционной России нового научного направления - геохимии техногенеза. Начавшаяся в 1914 г. первая мировая война, помимо всех бед, нанесла огромный урон дикой природе. В России в связи с трудностями у правительства в вопросах снабжения военной промышленности стратегическим сырьем в 1915 г. по инициативе В.И.Вернадского (1863-1945) была создана постоянная Комиссия по изучению естественных производительных сил (КЕПС), работавшая под эгидой Академии наук. В состав КЕПС вошли все ведущие ученые в области естественных, инженернотехнических, а отчасти математических и гуманитарных наук. Избранный тайным голосованием ее председатель - В.И.Вернадский разработал блистательную междисциплинарную программу работ. Ее энергичная реализация уже в 1916 г. дала большой положительный эффект (Мочалов, 1981). В 1930 г. КЕПС была преобразована в Совет по изучению производительных сил (СОПС), который в 1960 г. вошел в состав Госплана СССР. Таким образом, в России начиная с ХVIII в. и до 1917 г. ростки будущей геоэкологии проявляются в форме развития и разработок: - начал гидрогеологии, мерзлотоведения, горного дела (М.В.Ломоносов, Д.И.Соколов, М.И.Сумгин и др.); - по агрохимии, земледелию и почвоведению (Д.И.Менделеев, А.В.Советов, В.В.Докучаев, К.Д.Глинка и др.); - учения о природном комплексе и агроприродных ландшафтах, а также законе географической зональности (В.В.Докучаев, Л.С.Берг и др.); - заповедного дела (И.П.Бородин, Г.А.Кожевников, Ф.Э.Фальц-Фейн); по ресурсовелдению (В.И.Вернадский и др.). 1.4. Разворот исследований за рубежом в 1930-1980-х гг. Знаменательным в естествознании стало введение в 1935 г. английским экологом А.Тенсли понятия “экосистема”, хотя немец К.Мебиус еще в 1877 г. писал о сообществе организмов на коралловом рифе как о биоценозе. Для выражения такой холистической, по выражению Ю.Одума (1975), точки зрения ранее использовались и другие термины, среди которых следует назвать природный комплекс В.В.Докучаева, ландшафт Л.С.Берга, биокосная система В.И.Вернадского. Экосистема объединяет компоненты в функциональное целое. Позже стали выделять микроэкосистемы, мезоэкосистемы и макроэкосистемы, хотя понимание объема этих подразделений может быть неодинаковым у разных исследователей. Яркую и своеобразную книгу о биосфере и ноосфере написал французский палеонтолог П.Тейяр де Шарден (1881-1955). Его “Феномен человека” опубликовали посмертно, так как автор повиновался запрету Ордена иезуитов. По мнению представителей Ордена в книге были допущены значительные отклонения от представлений церкви о природе человека. Между тем, ученый достаточно идеалистически представлял мир, когда писал, что…“с гоминизацией начинается.эжхз-0 новая эра. Земля “меняет кожу”. Более того, она меняет душу” (Тейяр де Шарден, 1987, с.149). По некоторым данным, слово “ноосфера” впервые в 1925 г. употребил лично знакомый с В.И.Вернадским слушатель его лекций Тейяр де Шарден. По представлениям французского ученого, ноосфера - это “новый покров на Земле - “мыслящий пласт”, который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается с тех пор над миром растений и животных - вне биосферы и над ней (там же, с.149). 13

Большую роль в развитии учения о биосфере сыграла книга “Биосфера и место в ней человека” (авторы П.Дювеньо и М.Танг). На русском языке она вышла в 1968 г., а в 1972 г. так же в нашей стране переведена не менее важная коллективная работа американских исследователей “Биосфера”. В обеих книгах отображено глубокое проникновение человека в функциональные структуры биосферы и показана непредсказуемость последствий некоторых наиболее мощных антропогенных воздействий. Переключаясь от общих идей к конкретным событиям, укажем на природноантропогенные катаклизмы на Великих равнинах США в начале 1930-х гг., за которыми последовали решительные противодействия. Но сначала о первых. Пыльные бури нанесли огромный ущерб почвенному покрову и фермерскому хозяйству региона юга Великих равнин. Они стали последним предупреждением американцам по поводу бедственного состояния почвенного покрова США. Поэтому в 1935 г. на федеральном уровне была организована Служба охраны почв, которую возглавил выдающийся специалист в области почвоведения Х.Беннет. Обследование, проведенное в этот период, показало, что необходимы общенациональные меры для спасения почвенного плодородия. От 25 до 75% верхнего слоя почвы было уничтожено на площади 256 млн. га. Были разработаны различные почвоохранные меры, которые в несколько усовершенствованном виде применяются и поныне. В частности, была разработана методика определения интенсивности плоскостного смыва почв на пашне (универсальная формула эрозии), а затем и приемы подсчета ветровой эрозии почв (дефляции). Измерение водной и ветровой денудации почвенного покрова стало возможным благодаря параметризации главных природных и антропогенных характеристик пахотных ландшафтов. Методика в доработанном российскими учеными виде используется сейчас и в нашей стране. Книга Х.Беннета “Охрана почв” издана в 1939 г. и переведена на русский язык в 1951 г. После 2-й Мировой войны американцы одни из первых столкнулись с проблемами загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов. Химизация сельского хозяйства привела не только к ухудшению качества продуктов, но и к опасному загрязнению подземных и поверхностных вод, к уничтожению птиц, защищавших поля от вредителей. Промышленность и транспорт отравили воздух в больших городах и в еще большей мере ухудшили состояние водных объектов. Кислотные осадки на востоке США, захватывая и прилежащую часть Канады, нанесли огромный ущерб лесам, почвам и водным экосистемам. На западе США печальную известность приобрел смог Лос-Анджелеса, покрывающий временами не только огромный город у подножия Сьерры-Невады, но и проникающий далеко в лесные долины этого хребта. В Аризоне и Калифорнии в районах орошаемого земледелия из-за избыточных откачек подземных вод происходили столь впечатляющие техногенные опускания местности, что они приобрели не меньшую известность, чем аналогичное оседание в соседней стране столичного Мехико. Американская публика была ошарашена многочисленными предсказаниями грозящего экологического кризиса. Появилось направление в науке - энвайронментализм, который отличала широта научных подходов. В частности, и в такой форме американское общество сравнительно быстро отреагировало на экоцид в собственной стране. Начался широкий выпуск книг о сложившейся ситуации, обращенных к общественности. Некоторые из них переведены на русский язык. Таковы: Ж.Дорсет (1968) “До того как умрет природа”, Р.Парсон (1968) “Природа предъявляет счет”, Г.Уайт (1973) “Водные ресурсы США: проблемы использования”, О.Оуэн (1977) “Охрана природных ресурсов”, Б.Коммонер (1974) “Замыкающийся круг. Природа, человек, технология”. 14

сурсов”, Б.Коммонер (1974) “Замыкающийся круг. Природа, человек, технология”. Эти и другие подобные работы содержат строго научные и одновременно общедоступные описания и выводы, касающиеся покорения природы и разграбления ландшафта в США, а также общедоступную информацию, направленную на формирование экологического сознания у населения. Так, в частности, Б.Коммонер максимально просто сформулировал четыре правила экологии: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться; 3) природа “знает” лучше; 4) ничто не дается даром. Американские ученые сумели укоротить руки промышленному лобби, для которого прибыль важнее защиты среды обитания. Благодаря этому в США в 1970 г. было учреждено специальное правительственное ведомство - Агентство по охране окружающей среды (ЕРА). В функции этого высшего исполнительно-распорядительного органа правительства США входят: разработка мероприятий по улучшению качества окружающей среды, анализ тенденций изменений экологического равновесия, разработка мероприятий по охране важнейших природных объектов, утверждение актов экологической экспертизы. Разработка ЕРА стандартов качества природных сред, нормативов выбросов загрязнений и контроль за их соблюдением стали основными приемами улучшения экологических условий в США (Лисицин, 1987). Важным регулирующим средством охраны окружающей среды являются и, так называемые, “заявления о воздействии на окружающую среду”, представляющие предварительные экспертные оценки возможного воздействия хозяйственной деятельности на все компоненты природы с учетом перспективы развития объекта воздействия. Учитывая комплексный характер природоохранных проблем, кроме ЕРА, в их решении принимают участие и другие правительственные ведомства. Высшим координационным органом программ охраны окружающей среды в США является Президентский совет по качеству окружающей среды. В Конгрессе действуют более 20 комитетов, анализирующих и подготавливающих предложения по экологическому регулированию. Важный государственный документ - ежегодный отчет “Качество окружающей среды в США” фиксирует достижения и недостатки в сфере энвайронментальной деятельности Правительства. Он широко распространяется и в США его может купить любой человек. Понеся огромный экономический, экологический и социальный ущерб из-за игнорирования и недопонимания проблем взаимодействия общества и природы, американцы сделали так, чтобы экологическое знание стало достоянием широкой общественности и приняли законы, позволяющие пресекать экологически опасные проекты в том числе и под давлением общественности. Кроме того, американцы организовали научно-исследовательские институты, которые ведут слежение за состоянием природно-ресурсного потенциала и окружающей среды в глобальном масштабе. Таковы, например, Институт слежения за миром (A Worldwatch Institute) и Институт мировых ресурсов (The World Resources Institute) в Вашингтоне. Принятая в США структура охраны природы и использования природных ресурсов в некоторых своих чертах повторяется и в других странах. Как в США, так в отдельных странах Европы большое значение придается учету бассейново-речной структуры их территорий. Так, в Великобритании принят закон, обязывающий местные органы власти путем консультаций и сотрудничества координировать свою деятельность с бассейновыми инспекциями, подготавливать совместные планы использования и управления качеством воды в бассейнах рек (Лисицин, 1987). Между тем, в США бассейновым 15

управлениям иногда удается координировать всю хозяйственную деятельность в том или ином речном бассейне, что свидетельствует о понимании администрациями штатов необходимости подчинять административно-территориальные интересы интересам научно обоснованного природопользования, осуществляемого в единых биосферных подразделениях. Примером может служить Управление долиной Теннесси. Несомненно, американский опыт экстенсивного природопользования, неудачи и успехи в деле охраны окружающей среды, начиная с мер по охране почв в 1930-х, - все это оказало влияние на развитие геоэкологической мысли в России. Одним из примеров может служить становление отечественного эрозиоведения. Вместе с тем, нельзя не отметить и взаимное обогащение идеями в области геоэкологии российской и немецкой школ ландшафтоведения. Так в 1967 г. в Германской Демократической Республике была опубликована книга Э.Неефа “Теоретические основы ландшафтоведения” (на русском языке вышла в свет в 1974 г.). Эта работа, а также исследования в области экологии ландшафта (геоэкологии) К.Троля и культуры ландшафта Г.Рихтера весьма четко определили задачи и подходы к исследованию природных комплексов и их антропогенных модификаций. Тем самым, отечественное антропогенное ландшафтоведение получило дополнительный импульс для развития благодаря познанию опыта и теоретических разработок немецких ученых. 1.5. Геоэкологические разработки в довоенной России. После двух революций 1917 г. в России проблема охраны природы и управления окружающей средой стала еще актуальней из-за необходимости ускоренного развития экономики. Вставший во главе Советской России В.И.Ленин (1870-1924) стремился направить потенциал отечественной науки на цели природопользования. Летом 1917г., находясь на квартире у М.В.Фофановой, В.И.Ленин прочитал немало книг по земледелию, биологии и сельскому хозяйству, которые имелись в ее библиотеке. Труд В.Н.Сукачева "Болота: их образование, развитие и свойства" (СПб, 1914) вождь изучил особенно внимательно и, узнав, что Россия обладает колоссальными запасами торфа, вероятно, наметил ставший впоследствии знаменитым план ГОЭЛРО. Во всяком случае В.И.Ленин возбужденно говорил М.В.Фофановой о возможностях использования дешевого топлива - торфа для электрификации народного хозяйства (Вайнер, 1991). В 1919 г. В.И.Ленин предложил агроному Н.Н.Подъяпольскому подготовить проект декрета об охране природы. После вылеживания на отзыве у астронома (!) П.К.Штернберга - заведующего научным отделом Народного Комитета Просвещения (Наркомпрос), - в сентябре 1921 г. декрет "Об охране памятников природы, садов и парков" был подписан В.И.Лениным. Однако еще в 1919 г. при Наркомпросе был организован Государственный комитет по охране памятников природы. В целом же вопросы регулирования природопользования находились в ведении отраслевых управленческих структур - Наркомзема, Наркомлеса и т.п. “В январе 1920 г. В.И.Ленин выдвинул идею: "Примерно в 10(5?) лет построим 20 30 (30 - 50) станций, чтобы всю страну усеять центрами на 400 (или 200, если не осилим больше) верст радиуса" и "через 10 (20) лет сделаем Россию электрической” (В.И. Ленин. Полн. собр. соч. Т.40, с. 62). К концу года эта идея воплотилась в план ГОЭЛРО. В подготовленном вождем проекте резолюции съезда Советов, который был призван одобрить план ГОЭЛРО, говорилось: "Съезд выражает непреклонную уверенность, что все советские учреждения, все Совдепы, все рабочие и трудящиеся крестьяне 16

напрягут все свои силы и не остановятся ни перед какими жертвами для осуществления плана электрификации России во чтобы то ни стало вопреки всем препятствиям”. И.В.Сталин, со своей стороны, заявил, что нельзя "терять больше ни одной минуты на болтовню о плане". Принцип "не останавливаться ни перед какими жертвами" во чтобы то ни стало", "вопреки всем препятствиям" стремиться к осуществлению руководящей идеи неуклонно проводился в жизнь властвующими политиками с уже далеких от нас лет разрушения "буржуазно-помещичьего" строя до наших дней построения капитализма. План ГОЭЛРО и почти все последовавшие за ним государственные проекты имеют целый ряд общих черт Для них типичны: а) безальтернативность, б) директивность, в) нацеленность на подчинение человека и природы, г) односторонность избранного подхода к решению проблем, д) максимализм в масштабах и сроках, е) стандартизация методов, ж) невнимание к негативным последствиям” (Ретеюм, 1997, с. 242-243). Период 1920-х, 1930-х и частично 1940-х гг. примечателен появлением бессмертных произведений по проблемам биосферы и человечества крупнейшего ученого ХХ века Владимира Ивановича Вернадского. И хотя, ссылками на его творчество пронизана вся наша книга, следует остановиться особо на важнейших результатах его научных исканий и немного сказать об человеческих качествах этого замечательного гражданина России. В. И. Вернадский: о личности и творчестве. Знакомство с идеями В.И.Вернадского, с феноменом его личности необходимо каждому. Без этого немыслима полноценная экологическая и нравственная культура человека, правильная оценка важнейших событий нашей эпохи. Среди мировой элиты ученых трудно найти кого-либо еще, кто в своем творчестве смог бы так профессионально и одновременно выразительно представить цельную картину мира, в том числе черты предстоящих изменений в системе биосфера - цивилизация. "Многие выводы его - писал о Вернадском в 1945 г. Х.С.Каштоянц, - перекликаются с наукой Будущего". Что в трудах Владимира Ивановича самое главное? Ответ, правда, в самой общей форме лежит на поверхности. Это необычайно широкая постановка и охват проблем естествознания и при этом максимально возможная глубина их проработки при сохранении строго научного подхода. Какие качества ученого способствовали достижению таких результатов? "Редкое сочетание ума и сердца..." Во время обучения на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета Вернадский уже твердо верил, что "задача человека заключается в доставлении наивозможной пользы окружающим". Для себя будущий ученый поставил в этом отношении широкие цели и чтобы достичь их, в своем дневнике наметил следующую стратегию: "...я, например, нахожу, что наибольшей возможностью ставить жизнь по своему или, вернее сказать, быть в ней самостоятельным (во вне зависимости от других) - я буду обладать тогда, когда буду возможно могущественнее умом, знаниями, талантами, когда мой ум будет наивозможно разнообразно занят, когда я буду иметь наивозможно больше власти и значения среди окружающих меня людей. Итак, необходимо приобрести знания, развить ум, до17

биться власти. Затем есть две цели - 1) развитие науки... и 2) развитие человечества..." (Комсомольская Правда от 10.03. 1988 г., с. 4). Позже эти две линии программы жизни Вернадский сделает предметом научных исканий и это поможет ему сформулировать представление о ноосфере. А в дневнике он намечает для себя, кроме того, "необходимость выработки характера и речи, а также образования ума путем знакомства с философией, математикой, музыкой и искусствами." Владея четырнадцатью языками, обладая огромными памятью и желанием познания, Владимир Иванович не мог не стать ученым с мировым именем. Он написал более шестисот научных работ и одновременно был выдающимся организатором науки: по его предложениям было организовано несколько научно-исследовательских академических институтов в нашей стране. Вернадский умел великолепно распределять свое время между творческой и административной работой, хотя первой он занимался практически ежедневно, не признавая выходных. Жена его - Наталья Егоровна Старицкая, с которой Владимир Иванович прожил в любви и согласии 57 лет вплоть до ее кончины, была верным другом и помощником в работе, в частности, переводчицей трудов мужа. Видение нужд и интересов друзей, знакомых и сотрудников у Владимира Ивновича было абсолютным. Многим он помогал материально, как, например, вышедшему из Бериевских застенков профессору Б.Л.Личкову, который был другом и соподвижником ученого. В ходатайстве об освобождении своего сотрудника Зильберминца, сам рискуя оказаться жертвой репрессий, Вернадский писал в 1937 г. в НКВД: "Почему крупнейший ученый - гидрогеолог, исследующий историю земной коры, в вашем ведомстве занят рытьем канала?" Заметим, что ученый не понаслышке был знаком с репрессивными органами. Осенью 1921 г. Владимира Ивановича по нелепому обвинению забрали и более суток держали в тюрьме. К счастью, его ученик и большой друг А.Е.Ферсман смог найти в Петроградском ЧК знакомого и тот дал команду освободить академика. "Редкое сочетание ума и сердца" - так характеризовали Вернадского авторы телефильма, который был выпущен в честь 125-летия со дня рождения ученого. Стремление быть полезным России и мировому сообществу присутствовало во всех его поступках и делах, было мощным импульсом в научных исканиях. Творческий процесс не прекращался и во время отдыха, который специально строился так, чтобы помогать поискам истины. Источник вдохновения или нечто большее? Атору этих строк довелось участвовать в радиопередаче "Вернадский и музыка" главным образом на правах предложившего тему. А говорила в основном Валентина Сергеевна Неаполитанская - помощница ученого в поздний период его жизни. Это было прямо таки "фотографическое" совпадение с догадками автора. Да, гениальный натуралист и философ больше всего любил произведения Баха и Бетховена. В волновавшей его музыке он находил отклик и даже развитие своих творческих находок. Так, в 1943 г. он пишет внучке: "Я пережил не раз, слушая хорошую музыку, глубокое влияние на мою мысль. Некоторые из основных моих идей, как идея о значении жизни в Космосе, стали мне ясными во время слушания хорошей музыки. Слушая ее, я переживал глубокие изменения в моем понимании окружающего" (Мочалов, 1982, с.381). В поздних работах ученого, адресованных не столько современникам, сколько потомкам, то есть и нам, слышится что-то торжественное и величественное. 18

Своеобразный и весьма выразительный язык, яркие, точные, прямо таки чеканные фразы, величайшего значения выводы - все это напоминает когда-то услышанную неповторимую музыку Баха и Бетховена. Те же высочайшего напряжения темы, такая же красота переходов от одной к другой, то же ювелирное владение бесконечным разноголосьем, отражающим беспредельность восприятия и познания мира. Мастерски развивая ту или иную тему, Вернадский приходит к блистательным озарениям, подобно гениальному композитору, у которого слияние почти знакомых всем нескольких мелодий вдруг превращается в редчайший по красоте и силе звучания музыкальный финал. Так с некоторых пор пишущий эти строки стал воспринимать поздние труды Владимира Ивановича. Были ли музыкальные шедевры для него лишь источником вдохновения или ученый впитывал с ними нечто большее - некие образы мироздания, запечатленные композиторами прошлого и переданные ими потомкам? Думаю, что слушая волновавшую его музыку, Владимир Иванович ощущал и то, что особенно остро чувствует каждая большая творческая личность, - ограниченность жизненного пути и необходимости внести в золотой фонд человечества нечто особенно яркое и значительное. Вернадский сделал свой бессмертный вклад в виде учения о живом веществе, биосфере и ноосфере, которое оформилось и было в основном завершено в последние 25 лет его жизни. Оно и стало своего рода мощным музыкальным финалом научного наследия гениального представителя мировой науки ХХ столетия. "Биосфера в Космосе..."Именно при прочтении одноименного раздела в книге Вернадского "Биосфера" (М., 1967) у автора этих строк впервые возникло ощущение звучания оркестра. Само словосочетание "Биосфера в Космосе" чрезвычайно образное и необычное, как будто выводит читателя в космическое пространство, откуда он видит как: "Космические излучения вечно и непрерывно льют на Лик Земли мощный поток сил, придающий совершенно особый, новый характер частям планеты, граничащим с космическим пространством. Благодаря космическим излучениям биосфера получает во всем своем строении новые, необычные и неизвестные для земного вещества свойства, и отражающий ее в космической среде Лик Земли выявляет в этой среде новую, измененную космическими силами картину земной поверхности. Вещество биосферы благодаря им проникнуто энергией, оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию в земной среде свободную, способную производить работу. Образованная им земная поверхностная оболочка не может, таким образом, рассматриваться как область только вещества; это область энергии, источник изменения планеты внешними космическими силами. Лик Земли ими меняется, ими в значительной мере лепится. Он не есть только отражение нашей планеты, проявление ее вещества и энергии, он одновременно является и созданием вещества внешних сил Космоса"(с. 227). Звучный, наполненный огромной интеллектуальной силой текст одновременно хрестоматийно понятен. Так мог писать только Вернадский! И далее: "Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайности"( с. 227). И вот, наконец, следует вывод огромной важности для всего естествознания. "Жизнь не является, таким образом, внешним случайным явлением на земной поверхности. Она теснейшим образом связана со строением земной коры, входит в ее механизм и в этом механизме исполняет величайшей важности функции, без которых он не мог бы существовать"(стр. 242). 19

Сразу подчеркнем, что многие ученые первой половины ХХ века, включая и Вернадского, земной корой называли систему трех внешних геосфер (атмосфера - гидросфера - литосфера). Итак, эта гигантская трехслойная супергеосфера, в которой находится наш мир и все мы, управляется космическими силами в первую очередь через посредство живого вещества в ходе проявления его планетарных - биогеохимических, по Вернадскому, функций. Возможно, удобнее называть эти функции экологическими, ибо к тем явлениям, которые известны сейчас, в равной мере приложимо наименование "биофизические функции". По Вернадскому, главной функциональной частью супергеосферы является биосфера. Ей, помимо всего, присуща организованность - свойство сохранять геофизические и геохимические параметры среды в некотором узком диапазоне, что, главным образом, и обеспечило непрерывное существование и эволюцию жизни на Земле на протяжении почти 4 млрд. лет. Однако не только "давление жизни" (выражение Владимира Ивановича) в течение указанного времени преобразовывало Лик Земли, поддерживало приемлемые для организмов условия в биосфере. Возможности для такого развития событий обеспечивались также состоянием космической среды. Об этом втором Вернадский писал только в общей форме. Теперь мы знаем, например, что космические зимы и соответствовавшие им в геологической истории гляциоэры не были абсолютно губительными для биосферы. Отметим, что мы живем в Ледниковый период, относящийся к Лавразийской гляциоэре. А катастрофы, связанные с падением крупных космических тел на Землю? Они имели место неоднократно, но масштабы бедствий не были столь велики, чтобы уничтожить хотя бы высшие организмы на планете и отбросить назад эволюцию жизни. Подробнее мы пишем об этом в главе 15. Гениальный Вернадский соединил Космос, супергеосферу, биосферу, живое вещество и человека в единую систему и в общем виде представленная им картина мира выглядит более убедительно, чем разработки других авторов. Бытует мнение, что широко известная концепция "Гея" начала 1980-х годов Г.Лавлока во многом похожа на учение о биосфере Вернадского, хотя последователь не был знаком с трудами Владимира Ивановича. Суть представлений английского ученого обсуждается в главе 15. Вернадский писал о космической организованности, в которой, по его выражению, нет случайности. Человечество и цивилизацию он считал закономерным результатом развития Космоса, проявлением его организованности и поэтому верил в возможность установления баланса между природой и человеком. "Мы входим в ноосферу..." Необычность этапа развития Земли с момента появления на ней людей ученые начали понимать давно и это хорошо знал Вернадский. Так он указывал на почти одновременное введение в 1915-1920-х годах терминов "антропогенная эра" российским геологом А.П.Павловым и "психозойская эра" американцами К.Шухертом и Ле Контом. Однако слово "ноосфера" (noos - по-гречески - разум) предложил французский ученый Ле Руа в 1926 г. В это время Вернадский жил у французского коллеги в его квартире и читал цикл лекций о биосфере в Парижском университете. Термин "родился" в совместной беседе. Ле Руа ноосферой назвал современное состояние биосферы, но Вернадский вложил в него несколько иной смысл. Еще в начале 1900-х годов Владимир Иванович углубился в изучение истории познания. Позже он не раз подчеркивал, что именно развитие научной мысли и основанного на ней труда, превратило человечество в крупнейшую геологическую силу. 20

Зная опасные последствия антропогенного вторжения в природу, Вернадский в течении последних двадцати лет жизни вел разработку новой научной проблемы. Он искал ответа на вопрос о том, к чему ведет столкновение несогласующихся между собой основных сил планеты - механизма саморегулирования биосферы, с одной стороны, и стремительно растущего нарушения природных равновесий технически вооруженной цивилизацией, с другой. Видение этой грандиозной коллизии, разворачивающейся в изученной Вернадским супергеосфере, привело его к разработке ноосферной концепции. Вернадский не разделял взглядов Т.Мальтуса, когда писал о возможности автотрофности человечества. Но ограниченность ресурсного потенциала Земли не осталась вне его поля зрения. Возможность выживания человечества Владимир Иванович считал одним из прямых следствий вхождения Земли в систему космической организованности. Но лучше об этом говорить языком самого ученого. "... история человечества должна иметь направленность в зависимости от своего геологического субстрата, от человеческой воли независимого" (Вернадский, 1988, с.205). "Биосфера ХХ столетия превращается в ноосферу, создаваемую прежде всего ростом науки, научного понимания и основанного на ней социального труда человечества"(там же, с. 44). Итак, Вернадский обращает внимание на то, что ограниченность ресурсного потенциала Земли станет фактором определенного по своему характеру развития цивилизации, что именно сочетание труда и науки ведет человечество в ноосферу. "... создание ноосферы из биосферы есть природное явление, более глубокое и мощное в своей основе, чем человеческая история. Оно требует проявления человечества как единого целого."(Из журнала "Природа", 1973, N 6, с.32). Владимир Иванович предрекает необходимость появления, если так можно сказать, Экологического Интернационала, сила которого будет больше, чем история с ее мозаичной раздробленностью мира на государства. В ноосферной концепции важнейшее место занимает идея, которая позже реализовалась в форме "Прав Человека". "Нет... ничего, требующего большего бережения и уважения, как свободная человеческая личность" (Вернадский, 1922, с. 2). И еще: "Человеческая личность есть драгоценнейшая величайшая ценность, существующая на планете. Она не появляется на ней случайно и, раз исчезнувши, никогда не может быть восстановлена..." (Мочалов, 1982, с. 254). Симптоматично, что представление о ноосфере воспринято неоднозначно. К сожалению, некоторые авторы, ссылаясь на Вернадского, отождествляют современность с ноосферой. Между тем, геохимик К.П.Флоренский, предупреждал, что понятия, вложенные его учителем "...в определенные слова, часто имеют очень широкое, более широкое, чем это обычно принято, значение... В ряде случаев внимательное чтение текста прямо убеждает, что терминология В.И. идет вразрез с общепринятым толкованием. Поэтому цитировать, и особенно интерпретировать с критической оценкой отдельных выражений надо с большой осторожностью, чтобы не подменить мысль собственными домыслами".(Из книги В.И.Вернадского "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения". От редактора, 1987, с.6). В справедливости этих слов мы сейчас убедимся. Читаем заключительные фразы одной из ключевых и последних статей Вернадского "Несколько слов о ноосфере": "Сейчас мы переживаем новое геологическое эволюционное изменение биосферы. Мы 21

входим в ноосферу. Мы вступаем в нее - в новый стихийный геологический процесс - в грозное время, в эпоху разрушительной мировой войны. Но важен для нас факт, что идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, отвечают ноосфере. Можно смотреть поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках. Мы его не выпустим"(Вернадский,1987, c. 304). Отметим уверенность ученого в созвучности демократического устройства мира со стихийным (обратите на это внимание) преобразованием биосферы в ноосферу. И еще: ноосфера - новый стихийный геологический процесс. Как это понять? На той же странице читаем: "Ноосфера - последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории - состояние наших дней. Ход этого процесса только начинает нам выясняться из изучения ее (биосферы - С.Г.) геологического прошлого...". Теперь ясно, что имел в виду К.П.Флоренский, говоря о широкой смысловой нагрузке некоторых терминов, использовавшихся Вернадским. Процесс трансформации биосферы в ноосферу ученый для краткости иногда называет ноосферой. Сейчас для этого используется термин "ноосферогенез". В других случаях термин "ноосфера" обозначает будущую биосферу. Все же иногда о ноосфере он пишет как о биосфере с момента выделения в ней человека из мира животных. Часто тут же следует ссылка на Ле Руа и Тейяра де Шардена, и скорее всего это дань уважения коллегам, а не противоречивость представлений Вернадского. Владимир Иванович полагал, что время ноосферы не за горами. В его "Философских мыслях натуралиста" читаем: "Движение повернуто быть не может, но оно носит характер жестокой борьбы, которая, однако, опирается на глубокие корни стихийного геологического процесса, который может длиться 2-3 поколения, может быть и больше, что едва ли вероятно, судя по темпу эволюции за последнее тысячелетие" (с. 150). "...новое состояние жизни на нашей планете, о котором мечтали утописты, станет реальностью, когда войны - т.е. организованные убийства, когда голод и недоедание могут сравнительно быстро исчезнуть с нашей планеты"(там же, с. 205). Но для этого необходимо, чтобы интересы народных масс окончательно возобладали над таковыми "отдельных лиц, семейств, классов, организаций..." (там же, с.205). Пишется это в 1942 г. с явным намеком на несовершенство политического устройства СССР того времени. Однако Вернадский видел, что "...отдельный индивид живого вещества людской совокупности - крупная личность - ученый, изобретатель, государственный деятель - может иметь основное, решающее и направляющее значение, проявляться как геологическая сила" (Вернадский , 1980, с. 57). Вспомним, что около сорока лет мир жил в условиях "холодной войны" и перспективы наступления в любой момент "ядерной зимы". Ее сценарий был столь впечатляющим и угрожающим, что лидеры двух великих держав Михаил Горбачев и Рональд Рейган подписали в 1987 г. исторический Договор о постепенном уничтожении ядерных арсеналов и других вооружений. Процесс сближения Востока и Запада стал реальностью также как и перспектива выживания человечества. Россия встала на трудный путь преображения. Надо сказать добрые слова в адрес Михаила Сергеевича, не раз опиравшегося на представления Вернадского в своей деятельности. Что это случайность или закономерность - движение судьбоносной информации из глубин веков вверх по спирали развития? Немецкие гении музыкального творчества помогают представить картину мироздания величайшему натуралисту и мыслителю ХХ века, а он передает свои озарения крупнейшему политику нашей эпохи, одним из 22

важнейших результатов деяний которого стало крушение Берлинской стены и воссоединение немецкой нации. Закончим эту тему, хотя мы и выходим за хронологические рамки периода жизни Вернадского. Конечно, многое другое, а не только идеи ученого, помогли Михаилу Горбачеву принять судьбоносные решения. И все же нельзя не увидеть поразительного свойства творчества гениев разных времен и народов. Интегрируясь, оно работает в долговременной перспективе на все человечество и на страны, давшие гениев. Движение к ноосфере происходит трудно. М.С.Горбачеву, ой как, было нелегко угробить парадигму революции мирового пролетариата, которую исповедовали большинство из его окружения. И теперь, когда в России, то и дело взрываются склады с боеприпасами, когда от разного рода оборонных объектов вдруг распространяются неопознанные болезнетворные загрязнения, когда в таких местах вдруг рождаются детикалеки, даже скептики начинают понимать в какую бездну катились Россия и ее оппоненты, а с ними и весь мир в условиях гонки вооружений и какой неоценимый шанс получила наша цивилизация и вся биосфера, чтобы предвидение Вернадского о возможности создания ноосферы стало более реальным. Закономерно, что мощный импульс в движении к ноосфере возник, когда власть в СССР получил лидер, уверенный в необходимости демократических преобразований в стране и интеграции с мировым сообществом. Из этого можно заключить: - достижение человечеством ноосферы невозможно без правильного распределения властных функций на Земле и без хорошо разработанной системы выбора тех, кому доверяются рычаги управления обществом и природой, а также системы контроля над ними; - к становлению ноосферы причастны не только наука и основанный на ней труд, но также искусство и все другие виды деятельности, пробуждающие в людях осознание ответственности за будущее биосферы и человечества, а значит и своей страны, сограждан, друзей, родственников и близких. Послесловие. В июне 1943 г. горный инженер М.И.Евдокимов-Рокотовский послал Владимиру Ивановичу "Анкету" с просьбой ответить на вопросы в ней. Был среди них и такой: "Что наиболее характерного и наиболее ценного усматриваете Вы в организации Вами Вашего труда...?" "Я думаю, что скорее всего - систематичность и стремление понять окружающее. Кроме того, я придаю огромное значение вопросам этики" - сообщал составителю запроса восьмидесятилетний ученый (Мочалов, 1982, с.474). Даже в этих двух фразах - огромный потенциал для будущего. Систематичность в поисках пути устойчивого развития цивилизации и этика в политической, экономической, социальной и экологической сферах - это то, что должно обеспечить выживание человечества. Мы не случайно начали разговор о Вернадском цитатой: "Многие выводы его ...перекликаются с наукой Будущего" (Х.С.Каштоянц). Ведь, и сам Владимир Иванович жил идеями о Будущем. Это был человек ноосферы! В 1998 году юбилей 135 лет со дня рождения Вернадского. Другие геоэкологические разработки. В 1922 г. выдающийся геохимик и минералог А.Е.Ферсман (1883-1945) ввел понятие "техногенез", под которым он подразумевал "совокупность химических и технических процессов, производимых деятельностью человека и приводящих к перераспределению химических масс земной коры. Техногенез есть результат воздействия промышленности человека" (Ферсман, 1955, с.715). 23

Подчеркнем одну очень важную особенность определения. В нем речь идет о геохимическом изучении преобразуемой человеком супергеосферы - системы: атмосфера гидросфера -литосфера, так как термин "земная кора" использован в его широком понимании, как это имеет место в трудах американского геохимика Ф.Кларка (18471931), В.И.Вернадского и др. В работах 1930-х годов ученый указывал на огромную преобразующую силу таких процессов как накопление громадных масс промышленных отходов, рассеивание различных продуктов техногенеза, в первую очередь, металлов, загрязнение воздуха сернистым ангидридом и углекислым газом, вынос биогенных элементов из почвы с урожаем, вспашку как фактор взаимодействия почвенного материала с газами атмосферы, изменение свойств грунтов под влиянием ирригации. Относительно антропогенного нарушения круговорота углерода А.Е.Ферсман писал, что "мы присутствовали бы при грандиозном изменении хода геологических процессов, если бы действительно осуществилось удвоение СО2 в воздухе...(там же, с. 723). Ученый подчеркивал, что "хозяйственная и промышленная деятельность человека по своему масштабу и значению сделалась сравнимой с процессами самой природы. Вещество и энергия не беспредельны в сравнении с растущими потребностями человечества; природные геохимические законы распределения и концентрации элементов сравнимы с законами технохимии, т.е. с химическими преобразованиями, вносимыми промышленностью и народным хозяйством. Человек геохимически переделывает мир" (там же, с. 716). Так А.Е.Ферсман широко, сегодня мы бы сказали, с позиций геоэкологии оценил значение различных типов хозяйственной деятельности человека, обратив внимание на растущие масштабы рассеяния различных элементов в природной среде, т.е. на загрязнение, проблема которого ныне необычайно остро стоит перед человечеством, хотя в ее решении и сделаны успехи главным образом в развитых странах. А.Е.Ферсман еще в начале 1930-х годов выдвинул и обосновал концепцию комплексного использования минерального сырья. Он указал на ее широкое экономическое содержание, предусматривающее не только максимальную выгоду от извлечения сырья, но совершенствование технологий и, следовательно, достижение наиболее возможной культуры взаимодействия человека с литосферой. Кроме того, такой подход в наибольшей степени должен способствовать развитию производительных сил России. Таким образом, ученый однозначно выступал против экстенсивного природопользования. А.Е.Ферсман организовал и лично руководил геологическими изысканиями на севере Кольского полуострова. Открытие им в Хибинах крупного месторождения апатитов и нефелиновых сиенитов позволило построить в районе месторождения крупный комбинат по разработке и обогащению апатитовой руды, а также города Кировск и Апатиты. Тем самым академик А.Е.Ферсман оказал неоценимую услугу отечественному агропроизводству. С не меньшей энергией и отдачей работал на эту отрасль в довоенный период и другой академик, то же ученый с мировым именем, биолог, географ и селекционер Н.И.Вавилов (1887-1943). Его основные достижения: - установлены основные очаги происхождения культур-ных растений; - собрана крупнейшая в мире коллекция их семян; - обосновано учение об иммунитете растений; - выработаны правила испытания полевых культур; - открыт закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. 24

Вклад ученого в науку очень велик. Но был бы гораздо значительнее, если бы Николай Иванович не был схвачен бериевскими подручными 6 августа 1940 г. После этого он 904 дня подвергался ужасным издевательствам и лишениям сначала в застенках НКВД, затем в Бутырской тюрьме и позже в таком же саратовском казенном доме, где умер от дистрофии. Между тем, в 1937 г. А.А.Григорьев (1883-1968) предложил выделять особую физико-географическую оболочку Земли. Позже ее назовут географической. По его мнению, от других геосфер она отличается такими признаками: 1) глубоким взаимопроникновением и взаимодействием литосферы, атмосферы и гидросферы, 2) проникновением и трансформацией солнечной энергии, составляющей основу физико-географических процессов, 3) наличием органической жизни. По А.А.Григорьеву, изучение структуры географической оболочки на основе территориального подхода есть предмет физической географии. Он проницательно увидел, что грядет время исследований структурных единиц биосферы. Идею А.А.Григорьева приветствовали С.В.Калесник, Д.Л.Арманд, А.Е.Криволуцкий, Ю.К.Ефремов и другие, хотя возникла дискуссия о границах оболочки. Много позже во "Введении в физическую географию" К.К.Маркова, О.П.Добродеева, Ю.Г.Симонова и др. о географической оболочке сказано как о синониме биосферы. Учитывая невозможность существования примерно в одном и том же пространстве двух различных систем, следует полностью согласиться с таким заключением. В.Н.Сукачев (1880-1977), много работавший в области лесоведения, в особенности над типологией лесов, ввел в 1942 г. понятие “биогеоценоз”. Под лесным биогеоценозом он понимал всякий участок леса, однородный на известном протяжении по составу и характеру слагающих его компонентов и по взаимодействиям, взаимоотношениям между ними, т.е. однородный по растительному покрову, по животному миру и по почвенно-грунтовым, гидрологическим и атмосферным условиям. Отечественное почвоведение развивалось в довоенный период благодаря работам В.Р.Вильямса, Д.Н.Прянишникова, Б.Б.Полынова, Л.И.Прасолова и других. В.Р.Вильямс (1863-1939) разработал учение о факторах земледелия. Согласно первому закону земледелия, ни один из факторов жизни растений не может быть заменен другим. И, кроме того, все факторы жизни растений, безусловно, равнозначимы (второй закон). Выделим его важную идею о том, что почва - это результат взаимодействия малого - биологического и большого - геологического круговорота вещества. Д.Н.Прянишникову (1865-1948) принадлежит выдающаяся роль в разработке отечественной агрохимии. Л.И.Прасолов (1875-1954) внес большой вклад в изучение генезиса почв и их картографирования. Б.Б.Полынов (1877-1952) создал учение о коре выветривания и геохимии ландшафта. Следует отметить, что, в довоенной России получили развитие гидрогеология, грунтоведение и инженерная геология. Труд В.И.Вернадского “История природных вод”, опубликованный в 1933-1936 гг., справедливо считается уникальным по глубине и широте охвата гидрогеологических проблем. При этом автор опирался на труды предшественников И.В.Мушкетова, С.Н.Никитина, А.Ф.Лебедева, П.В.Отоцкого, А.П.Герасимова, А.М.Овчинникова и др., которые были опубликованы в конце ХIХ и первой трети ХХ веков. 25

Грунтоведение и инженерная геология появились в стране в 1930-х гг. благодаря работам М.М.Филатова, Ф.П.Саваренского, Г.Н.Каменского, Н.Н.Маслова, В.А.Приклонского, И.В.Попова и др. С выходом в свет капитальной монографии М.И.Сумгина “Вечная мерзлота почвы в пределах СССР” в 1927 г. связывается становление мерзлотоведения как самостоятельной научной дисциплины. Во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг., несмотря на то, что вся страна работала на нужды фронта, были приняты ряд постановлений об охране лесов, о сохранении и улучшении плодородия почв, были созданы новые заповедники. Таким образом, в довоенной России были разработаны или окончательно оформились: - учение о живом веществе, биосфере и ноосфере (В.И.Вернадский); - концепция техногенеза (А.Е.Ферсман); - представление о географической оболочке (А.А.Григорьев) и биогноценозе (В.Н.Сукачев); - основы геохимии ландшафта (Б.Б.Полынов); - ряд новых идей в области растениеводства, агрохимии и почвоведения; - гидрогеология, грунтоведение, инженерная геология и мерзлотоведение. 1.6. Послевоенный период в России. Историческим шагом можно считать внедрение, так называемого, “Сталинского плана преобразования природы”, утвержденного в 1948 г. План предусматривал широкомасштабное создание полезащитных лесополос в засушливой зоне страны. Несомненно, это был отклик вождя СССР на такую же инициативу американского президента Франклина Рузвельта, по предложению которого в 1930-х гг. на Великих равнинах была создана сеть полезащитных лесополос, дабы предотвратить распространение в засушливых регионах юга США катастрофическую дефляцию почв. Тем самым и Рузвельт, и Сталин настояли на проведении таких мер, необходимость которых была доказана А.И.Воейковым и В.В.Докучаевым в 1890-х гг. При этом последний их эффективность тогда же продемонстрировал на стационаре “Каменная степь” в Воронежской области. Все же, послевоенное развитие СССР стало самым тяжелым испытанием для природы страны. Цензура запрещала публиковать негативные данные о влиянии хозяйства на природу, а лживые публицисты что есть мочи орали об ужасных экологических нарушениях в капиталистическом мире и о том, как чудесны все преобразования природной среды в СССР. Один исследователь даже назвал экономику СССР ноосферным хозяйственным комплексом. На этом фоне подлинным прорывом стала выпущенная в 1967 г. брошюра министра геологии СССР, академика А.В.Сидоренко (1917-1982) “Человек, Техника, Земля”, к сожалению, тиражом всего 6 тыс. экземпляров. Только персона такого уровня получила право написать, что изучение процессов, вызываемых деятельностью человека в литосфере и на ее поверхности, - задача не менее важная, чем освоение Космоса. И далее следовали примеры антропогенного ускорения развевания песков в Каракумах, разрушения черноморского побережья в связи с непониманием специфики его динамики, деградации вечной мерзлоты на Крайнем Севере, аридизации земель в районах действующих карьеров Курской магнитной аномалии и ряд других. Ученый сообщил, о правительственном запрете строить в низовьях Оби Салехардскую ГЭС, водохранилище которой покрыло бы площадь 58 000 км2 и подтопило бы и без того сильно заболоченную еще в несколько раз большую территорию. Это был бы 26

такой стресс на биосферу, который можно сопоставить разве, что с варварским освоением Амазонской сельвы. В брошюре не сказано, почему этот страшный природопокорительский план советских гидростроителй был отвергнут. Между тем, случилось это главным образом потому, что Президент Сибирского отделения АН СССР, академик М.А.Лаврентьев (19001980) имел большое влияние на Н.С.Хрущева (1894-1971). Последний благодаря контактам с академиком был хорошо осведомлен о перспективах открытия на севере Западно-Сибирской низменности крупных залежей нефти и газа. Запретив строить ГЭС в низовьях Оби, Н.С.Хрущев не только защитил биосферу, но и обеспечил возможность притока в СССР в течение последующих 25 лет огромной массы нефтедолларов. Это, к сожалению, продлило “холодную войну” между Востоком и Западом, в условиях которой управление проиродопользованием в СССР продолжало сохранять свою природопокорительскую специализацию. Между тем, А.В.Сидоренко предлагал изменить такой подход. В брошюре он писал: "Для научно обоснованного ведения народного хозяйства нужен прогноз тех геологических, а также связанных с земной корой географических условий, которые возникают в отдельных районах Земли в связи с тем или иным вмешательством человека в природные процессы. Руководитель самой мощной в мире для того времени геологической службы предлагал от стихийного использования недр 1/6 части суши перейти к их управлению. Казалось бы, что министр не выходил за рамки своей компетенции и не посягал на упомянутую им в книге географическую среду, в которой бесконтрольно владычествовали другие министерства и ведомства. Но далее читаем:"...узковедомственный подход к использованию любых природных богатств обычно приводит к хищничеству" (с. 62). И еще: "Нужен орган, отвечающий комплексно за правильность использования всех природных богатств..." (с. 63). "География должна приобрести такое же значение государственной службы, как геология, почвоведение, как служба водных ресурсов, леса и т.п. Причем эта служба будет, по-видимому, более широкой и всеобъемлющей, как и сама природа, которой занимается география" (стр. 64). Итак геология и география в сочетании с другими естественными науками должны защитить от волюнтаристского разграбления геологическую среду и ландшафты СССР - такова была главная идея министра и она остается чрезвычайно прогрессивной даже для нашего времени. Он ввел представление о геологической среде - используемой человеком части литосферы. Позже Е.М.Сергеев определит геологическую среду как верхнюю часть литосферы, представляющую собой многокомпонентную динамическую систему, которая находится под воздействием инженерно-хозяйственной деятельности человека и, в свою очередь, в известной степени определяет эту деятельность. В 1970-е и начало 1980-х гг. развитие геолого-географических наук в России происходит главным образом под воздействием их экологизации. Были разработаны концепции о биогеохимических циклах и их антропогенном нарушении (В.А.Ковда, М.А.Глазовская и др.), о геосистемах (В.Б.Сочава, Д.Л.Арманд и др.), о биокосных системах и геохимических барьерах (А.И.Перельман), о ландшафтно-геохимических системах и технобиогеомах (М.А.Глазовская), о речном бассейне как функциональной единице биосферы (Н.И.Маккавеев, Ю.Г.Симонов, Р.С.Чалов и др.), о природноантропогенных и антропогенных процессах (Ф.В.Котлов, Е.М.Сергеев, В.Т.Трофимов и др.), о закономерностях денудации суши в природных и природно-антропогенных условиях (А.П.Дедков, В.И.Мозжерин, Д.А.Тимофеев и др.), об антропогенных ландшаф27

тах (Ф.В.Мильков, Л.И.Куракова, В.А.Николаев и др.), о состояниях ландшафтов стексах (Н.Л.Беручашвили), о природно-технических системах (К.Н.Дьяконов, А.Ю.Ретеюм), о ранжировании и принципах размещения охраняемых территорий (В.Е.Соколов, Ю.Г.Пузаченко, Е.Е.Сыроечковский, Ф.Р.Штильмарк, В.В.Дежкин и др.). В.А.Николаев (1979) разработал принципы построения и предложил таксономическую шкалу ландшафтных подразделений Земли, которая нашла широкое применение в ландшафтно-геоэкологическом картографировании на глобальном, региональном и локальном уровнях. В эти же годы возникает идея более широкого слежения за состоянием окружающей среды на базе инструментальных измерений, дистанционных методов и других приемов. Появилось представление о мониторинге (Б.В.Виноградов, Ю.А.Израэль, И.П.Герасимов и др.). В 1970-80-х гг. весьма плодотворно развивалась геоэкология аридных территорий. Это научное направление поддерживалось по линии ЮНЕП в особенности Б.В.Розановым и позднее И.С.Зонном. Лидирующую роль в разработке проблем научно обоснованного природопользования на аридных территориях сыграли исследования сотрудников Института Пустынь в Ашхабаде, в частности серия монографий А.Г.Бабаева, П.И.Жумашева и др. Важное значение для развития геоэкологии имеет разработка принципов инженерно-геологического районирования (Г.А.Голодковская, В.Т.Трофимов), проблем инженерной геодинамики (Г.С.Золотарев, В.Д.Ломтадзе, А.И.Шеко и др.), геосистемного и формационного анализа в инженерной геологии (Г.К.Бондарик, Г.А.Голодковская), комплексного натурно-экспериментального метода изучения и объяснения генезиса и инженерно-геологических свойств лессовых пород (Е.М.Сергеев, А.В.Минервин, Н.Н.Комиссарова, В.Т.Трофимов). Большую роль в развитии инженерной геологии как ярко выраженной междисциплинарной и поэтому глубоко геоэкологичной области знания сыграло издание многотомной монографии “Инженерная геология СССР”. Не меньший эффект имел и выход в свет многотомников “Геокриология СССР” и “Гидрогеология СССР”. Нельзя не отметить, что необходимость комплексной оценки устойчивости природных систем в криолитозоне России при хозяйственном освоении стала причиной интеграции геокриологических, инженерно-геологических, гидрогеологических и физико-географических знаний. Такой истинно геоэкологический подход иногда сужают и называют мерзлотным ландшафтоведением, что, конечно, не отражает полностью суть такой геолого-географической интеграции. Важное значение имели работы по природносельскохозяйственному районированию СССР, выявлению пораженности земель страны эрозией и дефляцией (С.И.Сильвестров, Н.И.Маккавеев, М.Н.Заславский, Г.И.Швебс, Е.А.Миронова и др.), а также их разрушения горным производством (Т.П.Федосеева). Заметную роль сыграли работы К.П.Космачева,Т.В.Звонковой, Т.Г.Руновой, Ю.Г.Симонова в области экологической экспертизы и географического прогноза. Большой прогресс имел место в использовании самолетных и космических снимков для оценки состояния и тенденций изменения окружающей среды (Б.В.Виноградов, А.А.Григорьев, Ю.Ф.Книжников, В.И.Кравцова, Е.В.Глушко и др.). В 1970-80-х гг. отечественная наука располагала мощным арсеналом природоведческих наработок для целей управления окружающей природной средой. Был целый пакет Постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР, а также приняты отдельные законы, направленные на охрану окружающей среды. 28

В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 1 декабря 1978 г. рекомендовалось разрабатывать Территориальные Комплексные Схемы Охраны Природы (ТЕРКСОПы) для районов страны с напряженной экологической ситуацией. Ряд ТЕРКСОПов, например, для КМА, бассейна оз.Байкал и зоны БАМ были составлены. Их появление стимулировало развитие в стране экологической экспертизы, базировавшейся на междисциплинарной интеграции. К сожалению, содержание ТЕРКСОПов больше оставалось на бумаге, чем воплощалось в жизнь. Беда заключалась в том, что до 1985 г. все крупные решения по природопользованию в СССР принимались ограниченным кругом лиц верхнего эшелона центральной власти. И поэтому в стране идеально работал механизм покорения природы, чему также способствовали: - ведомственное хозяйствование; - бесплатное и расточительное использование природных ресурсов ведомствами; - экстенсивный путь развития экономики; - остаточный принцип финансирования экологических мероприятий (вначале получение продукции, потом охрана природы); - недооценка экологических ограничений развития (экологическая экспертиза часто проводилась в стадии реализации проекта); - территориальные комплексные схемы охраны природы разрабатывались как правило в рамках административных подразделений, а не для естественных территориальных или территориально-акваториальных составляющих биосферы; - осуществление ведомствами ряда гигантских проектов преобразования природы и строек (каскады водохранилищ на крупнейших равнинных реках, освоение целины, стройка века - Байкало-Амурская магистраль и др.); - развитие сверхдорогостоящего военнопромышленного комплекса и чрезмерное отторжение земель под оборонные и военнопромышленные объекты; - отсутствие гласности в стране, в частности в сфере экологии; - невозможность до 1985 г. какого-либо влияния общественности на принятие решений в сфере природопользования. Добавим к этому, что период волюнтаристского покорения природы дал стране промышленность, выпускающую преимущественно средства производства и поглощающую чрезмерно большие количества сырья и энергии. По этой причине велик выход отходов. Особенность эта сохраняется и по сей день, вследствие чего, по данным Н.Давыдовой, только в России скопилось в отвалах и хранилищах предприятий более 50 млрд.т отходов на площади свыше 250 тыс.га. Недальновидность и во многом абсурдность такого экстенсивного развития хорошо продемонстрирована в книгах М.Я.Лемешева. В 1980-х гг. страна располагала достаточно большим количеством законов и нормативных актов по охране природы. Однако сплошь и рядом они игнорировались, что впрочем частично продолжается и поныне. И это, несмотря на событие большой важности в 1988 г., когда в стране был образован Государственный комитет по охране природы (Госкомприрода СССР). Статус Госкомитета это ведомство имеет и в современной России. Последние годы существования СССР характеризовались высокой активностью общественности, требовавшей, например, приостановить загрязнение Байкала, запретить строительство Катунской ГЭС, прекратить импорт из других стран радиоактивных отходов и захоронение их на нашей территории, не производить сброс радионуклидов в Енисей с предприятий Красноярск-26 и Красноярск-45. 29

Перечисленные требования были выполнены, хотя и не в полной мере. В 1990 г. вышел в свет “Национальный доклад о состоянии окружающей среды в СССР в 1988 г.” Затем были публикации за последующие годы. И теперь ежегодно Госкомэкология публикует “Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации”. В декабре 1991 г. принят рамочный федеральный закон “Об охране окружающей природной среды”. По мнению руководителя его разработки В.В.Петрова этот документ создал общее эколого-правовое пространство для всех отраслевых законодательных актов экологической направленности и позволил связывать их в некое единство в соответствии с требованиями охраны окружающей среды. Тем самым закон ориентировал хозяйственные структуры на комплексное природопользование, что подтверждено и отчасти детализировано во “Временном положении о порядке выдачи лицензий на комплексное природопользование” (утверждено в 1993 г. приказом N 271 Минприроды России), а также в ряде других документов (Титова, 1996). В итоге определено, что комплексное природопользование - это ”пользование в определенных границах природными объектами как территориальными сочетаниями природных ресурсов (земельные участки, водоемы, леса, недра и др.), обеспечивающие рациональное использование каждого природного ресурса на данной территории” (Титова, 1996, с. 7). Это очень важные сдвиги по направлению к коэволюции общества и природы в России. Однако надо идти дальше. Г.Д.Титова пишет, что время простых решений прошло, что при комплексном природопользовании динамическую оценку состояния природных ресурсов необходимо осуществлять по интегральным показателям. Но для этого, по нашему мнению, предстоит большая работа над моделями функциональных ландшафтно-геологических систем России, особенно над теми, структура которых укладывается в границы речных бассейнов. В рамки задачи комплексного природопользования укладывается и проблема полноценного проведения ОВОС. Поразительно, но факт: в российском экологическом праве до недавнего времени не фигурировало слово ОВОС. Положение изменилось 19 июля 1995 г., когда Дума приняла закон "Об экологической экспертизе". Статья 14 этого закона содержит первое указание на "материалы оценки воздействия на окружающую природную среду хозяйственной и иной деятельности". Содержание процедуры не раскрывается. Тем не менее, положено основание для развертывания системы подзаконных актов, которое, началось де-факто еще несколько лет назад. Если, как обычно, сравнивать Россию с США, то в отношении времени юридического закрепления процедуры оценки воздействия на окружающую среду (ОВОС) наша страна отстала по крайней мере на 26 лет. Государства Европы опередили нас на 7-20 лет (Ретеюм, 1997). Вместе с тем, некоторые работы, ныне входящие в состав ОВОС, например, прогнозирование изменений и нормирование нагрузок на окружающую среду, в бывшем СССР проводились значительно раньше, чем за рубежом, и достигли несравненно больших масштабов в связи с планами индустриализации и преобразования природы. Мало аналогов и до сих пор имеет созданный еще при советской власти институт государственной экологической экспертизы. А.Ю.Ретеюм считает, что достаточно скромный и не до конца определенный статус ОВОС в России во многом обусловлен структурной инерцией общества. Наряду с Госкомэкологий, ряд других государственных структур включены в число ответственных за экологическую безопасность в России. Таковы Министерство по 30

чрезвычайным ситуациям, Госкомсанэпиднадзор, Госгортехнадзор, Госатомнадзор и др. Мощными поддерживающими организациями являются Росгидромет, Роскомзем, Роскомвод, Госкомсевер, Госкомнац и Госкомчернобыль и др. В Правительстве действуют также специализированные комиссии. Это, например, Межведомственная противопаводковая комиссия, Межведомственная комиссия по проблеме геологического обеспечения безопасности захоронения радиоактивных отходов, Правительственная комиссия по проблемам Каспийского моря, Межведомственная комиссия по обеспечению выполнения обязательств Российской Федерации по Венской конвенции об охране озонового слоя и Монреальскому протоколу по веществам, разрушающим озоновый слой и др. В коллективной монографии: К.С.Лосев, В.Г.Горшков, К.Я.Кондратьев, В.М.Котляков, М.Ч.Залиханов, В.И.Данилов-Данильян, И.Т.Гаврилов, Г.Н.Голубев, В.С.Ревякин, В.Ф.Гракович “Проблемы экологии России” (1993) по новому трактуются важнейшие геоэкологические проблемы современности и впервые достаточно детально освещены наиболее острые общие и региональные проблемы состояния окружающей среды в России и выдвинут очень конкретный экологический императив, выполнение которого необходимо для выживания человечества. Комментарии и дискуссия по нему содержатся в главе 15. К числу последних важных геоэкологических разработок также относятся: 1) урбанизация как образование среды нового типа в границах биосферы (Д.Н.Кавтарадзе); 2) эколого-геохимическая типология городов (Н.С.Касимов, А.И.Перельман); 3) урбогеоэкология Сибири (А.Н.Антипов, С.П.Елин и др.); 4) урбогеоэкология Москвы (В.И.Осипов и др.); 5) концепция кризисных природных и антропогенных экологических ситуаций (Г.В.Сдасюк, С.М.Мягков и др.); 6) развитие учения о стоке, эрозии и дефляции почв (Р.С.Чалов, Г.А.Ларионов и др.); 7) концепция устойчивости геологической среды (Т.И.Аверкиева, А.С.Герасимова, С.Б.Ершова, Д.Г.Зиллинг и др.). Значительный вклад в развитие экологической гидрогеологии, как теоретического раздела общей гидрологии внесли Н.И.Плотников, А.А.Карцев, Е.В.Пиннекер, Н.А.Маринов, В.М.Гольдберг, О.Н.Толстихин и др. Однако, как отметил С.Л.Шварцев (1996), сугубо прикладное понимание экогидрогеологии многими учеными вряд ли правильно из-за узости поставленных в этом случае задач. Между тем, они значительно шире и фундаментальнее, а их теоретические основы заложены были еще в трудах В.И.Вернадского. В связи с необходимостью включать в рамки экогидрогеологии изучение роли и значения воды в становлении литосферы, в формировании биосферы и всей окружающей среды, а также влияния техногенной деятельности человека на взаимодействие геосфер С.Л.Шварцев указывет на неизбежность междисциплинарной интеграции гидрогеологии с биологическими, географическими и почвенными науками. Фактически это означает, что экогидрогеология (по С.Л.Шварцеву) должна входить в ту обширную междисциплинарную область знаний, которую именуют геоэкологией в широком ее понимании. Укажем также на включение в геоэкологию большого спектра исследований, проводимых в рамках геокриологии. Такова, например, коллективная монография “Геоэкология Севера” (1992) под редакцией В.И.Соломатина, которой авторы дали второе название: “Введение в геокриоэкологию”. Большую роль в развитии Российско-Американского сотрудничества в области геоэкологии и экологии человека сыграли выдающиеся труды Г.Уайта, в частности выход 31

в свет его книги “География, ресурсы и окружающая среда” на русском языке в 1990 г. В дальнейшем благодаря усилиям Г.Уайта, Дж.Матера, В.М.Котлякова и Г.В.Сдасюк большим авторским коллективом американских и российских ученых был выполнен совместный проект и опубликована в 1991 г. на английском и русском языках монография “Меняющийся мир: географический подход к изучению”. В ней под единым углом зрения рассмотрены такие важные для современной геоэкологии проблемы: 1) динамика ландшафтов, 2) антропогенное изменение природной среды, 3) природные опасности и оценка риска, 4) типы и примеры региональных и глобальных трансформаций среды обитания, 5) мониторинг состояния геосистем. Серьезные достижения в области палеогляциологии и палеогеографии (А.А.Величко, М.Г.Гросвальд, В.М.Котляков и др.), а также мерзлотоведения (Э.Д.Ершов, В.Н.Конищев, Н.Н.Романовский и др.) позволяют более реалистично оценивать пределы устойчивости дестабилизированной биосферы, не впадая в чрезмерный пессимизм. И конечно, стержнем всех геоэкологических исследований остается картографирование окружающей природной среды. Большим достижением можно считать издание в 1996 г. “Эколого-географической карты России” (масштаб 1:4000 000), под редакцией Л.Ф.Январевой. На карте впервые показаны все главные антропогенные воздействия на природные ландшафты страны, отображены их природно-антропогенные и антропогенные модификации и загрязнение природных сред. Показ природных ландшафтов мира и их антропогенных модификаций осуществлен на карте “Present-day landscapes of the World” (масштаб 1:15 000 000), вышедшей в 1994 г. (авторы Б.А.Алексеев, Н.Н.Алексеева, М.А.Аршинова и др.). Методологические аспекты компьютерного картографирования раскрываются в работах А.М.Берлянта, Ю.Ф.Книжникова, А.В.Кошкарева, В.Г.Линника, А.А.Лютого, В.С.Тикунова и др. Конец 1980-х и 1990-е годы ознаменовались выходом в свет большого количества отечественных монографий и учебников, в которых традиционные аспекты глобальной энвайронментологии увязываются с вопросами охраны окружающей среды в различных отраслях хозяйства страны. Все отчетливее выявляются такие крупные области знания как урбогеоэкология, агрогеоэкология, горнопромышленная геоэкология, водохозяйственная геоэкология, лесохозяйственная геоэкология и т.п. Таким образом, ныне отечественная наука располагает огромным фондом геоэкологических разработок и задача состоит в создании системы их оптимального использования для целей управления окружающей средой. Весной 1996 г. Концепция перехода Российской Федерации к устойчивому развитию утверждена Президентом Б.Н.Ельциным. По мнению В.И.Данилова-Данильяна, ликвидация стереотипа перепотребления в развитых странах и преодоление установки на многодетную семью в развивающихся - задачи более трудные, чем реконструкция хозяйства России, воспитание деловой активности и рачительности у ее населения. В статье, опубликованной в газете “Зеленый мир” за 1996 г., N 12 он подчеркивает, что самым важным в осуществлении концепции должны быть соответствие экономики хозяйственной емкости биосферы, сохранение естественных экосистем, защита биоразнообразия. Следует подчеркнуть, что целый ряд российских ученых аргументированно выступают против господствующего в мире представления о вредности происходящего глобального потепления (А.Л.Яншин). Между тем, в 1994 г. Россия вслед за многими развитыми странами ратифицировала Рамочную Конвенцию ООН об изменении климата, 32

обязывающую их снизить выбросы парниковых газов до уровня 1990 г. В 1997 г. в Киото представитель Правительства России подписал Протокол к этой Конвенции, обязывающий нашу страну не превышать до 2012 г. уровень выбросов парниковых газов, который был зафиксирован у нас в 1990 г. 1.7. Международное сотрудничество. Следует отметить, что почти все время при проведении международной экологической политики лидирующее положение среди представителей различных наук занимали биологи. Вспомним, что уже в 1948 г. в основном их усилиями организован Международный Союз Охраны Природы (МСОП), а в 1961 г. Международный Фонд Дикой Природы (ВВФ). Список можно продолжить такими организациями как Международный Фонд по Охране Диких Животных (МФОДЖ), Международный Совет по Охоте и Охране Дичи (МСООД), Общество Охраны Фауны и Флоры (ООФФ) и др. В 1972 г. в Стокгольме при ООН была создана специальная структура United Nations Environment Programme (ЮНЕП), под эгидой которой на средства ООН разрабатывались и проводились различные международные программы по охране окружающей среды и, в частности, так осуществлялась борьба с опустыниванием в Африке и на других континентах. Большой разворот природоохранные работы на международном уровне получили и по эгидой ЮНЕСКО. В первую очередь это относится к программе Man and Biosphere (МАБ), принятой в 1970 г. Она состоит из 14 разнопрофильных проектов - биоэкологических, геоэкологических и социоэкологических. В такой последовательности можно расположить, например, проект N 8 “Сохранение природных районов и содержащегося в них генетического материала”, проект N 14 “Изучение загрязнения окружающей среды и его воздействия на биосферу” и проект N 13 “Понимание состояния окружающей среды”. Начиная с 1975 г. во многих странах стали применять оценку воздействия на окружающую среду (ОВОС). Поэтому Международный Комитет по Проблемам Окружающей Среды (СКОПЕ) выпустил специальную работу, которой в России дали рекламный заголовок: “Вторжение в природную среду” (1983). Говоря словами этой работы, “ОВОС - это процесс определения и прогнозирования результатов действия на биогеофизическую среду, на здоровье и благополучие человека, а также интерпретация и передача информации о воздействии” (с. 10). ОВОС - это составная часть планирования основных видов хозяйственной деятельности; которая разрабатывается одновременно с техническими, экономическими и социально-политическими оценками проекта. При выборе методики важно, чтобы она соответствовала смыслу действия, исходным данным и географической ситуации. Следует избегать слишком сложных или излишне простых подходов. Необходимо четко выделять участки местности, подвергаемые воздействию, как и сам характер этих воздействий в пределах данных участков. Руководящие принципы ОВОС базируются исходя из национальных целей и политики относительно природной среды; эти цели и политика должны быть четко определены и широко провозглашены. Формулируются и становятся достоянием широкой гласности мероприятия по ОВОС. Важно определить роль различных участников (лица, принимающего решение; эксперта по оценке; проектировщика; рецензента; прочих экспертов; общественности и международных групп). Нужно разработать такой порядок выполнения операций по оценке, при котором можно было бы избежать ненужных действий, а эксперт по оценке 33

и рецензент не испытывали бы давления, которое могло бы принудить их к поверхностному анализу. ОВОС составляют: 1) описание предполагаемого действия и его вариантов; 2) прогнозирование существа и интенсивности воздействий на природную среду (как положительных, так и негативных); 3) выявление степени заинтересованности людей; 4) перечень показателей воздействия и методов определения его абсолютной и относительной величин; 5) заключение о вероятных величинах показателей воздействия и воздействия в целом при внедрении предполагаемого проекта или его вариантов; 6) рекомендации для принятия, немедленного внедрения или отклонения проекта, или для одобрения одного или более вариантов; 7) рекомендации для процедур инспектирования. ОВОС включает: 1) изучение всех относящихся к делу физических, биологических, экономических и социальных факторов; 2) на самой ранней стадии инвентаризацию источников соответствующих данных и материалов технической экспертизы; 3) изучение вариантов проектов, в том числе тех, которые не будут приняты; 4) большую территорию, чем район непосредственного действия; например, при строительстве фабрики нельзя ограничиться лишь ее будущей площадью; 5) как среднесрочные, так и долгосрочные прогнозы воздействия; например, при технических проектах необходимо рассматривать следующие временные интервалы: период строительства; период непосредственно после завершения строительства; период спустя два или три десятилетия; 6) оценку по разности тех будущих состояний природной среды, какими они должны оказаться после осуществления вмешательства и при отказе от него; 7) интенсивность и серьезность воздействия на природу; ряд крупных вмешательств может мало затрагивать общество, и наоборот. В 1979 г. в Женеве подписана Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (CLRTAR). Документ стимулировал разработку пяти специализированных программ международного сотрудничества, подготовленных Рабочей группой Европейской Экономической Комиссии ООН. Среди них важнейшие - это Европейская Программа Мониторинга Переноса Воздушных Загрязнений (EMEP), Программа лесного мониторинга (ICI Forest) и Программа Интегрального мониторинга (ICP IM). Все программы призваны обеспечить достоверные оценки глобальных и региональных трансграничных воздействий. В 1982 г. Генеральная Ассамблея ООН приняла Всемирную Хартию Природы, принципы которой гласят: 1) природа должна охраняться, а основные процессы в ней не нарушаться; 2) генетическое разнообразие на Земле не должно ставиться под угрозу; 3) принципы охраны природы должны распространяться на всю Землю - и на сушу, и на океан; 4) все экосистемы и природные ресурсы должны использоваться так, чтобы сохранялась оптимальная устойчивая продуктивность; 5) природа должна быть застрахована от деградации, связанной с военными действиями. Хартия отразила стремление общества к сохранению природных равновесий, хотя их утрата во многом уже произошла, на что впервые, как отмечалось, указал Георг Марш полтора века назад. В 1983 г. в Вашингтоне прошла конференция “Мир после ядерной войны”. Доклады американских ученых К.Сагана, П.Эрлиха, С.Шнейдера, а также российского В.В.Александрова показали, что в случае такой войны и наступления вследствие ее “ядерной зимы” погибнет не только все человечество, но и почти все группы земных организмов, кроме наиболее примитивных. В России работы выполнялись по инициа34

тиве Н.Н.Моисеева, а представление о “ядерной зиме” выдвинул в конце 1970-х гг. П.Крудцен (ФРГ). Этот важнейший шаг мировой науки спас человечество и биосферу от катастрофы, так как в 1987 г. закончилась холодная война между Востоком и Западом. Нет сомнения, что подписание исторического соглашения между СССР и США на уровне глав двух великих держав Генерального секретаря ЦК КПСС М.С.Горбачева и президента Р.Рейгана было прямым следствием понимания политиками гибельности для обеих сторон и всего мира дальнейшего противоборства и гонки вооружений. Концепция “ядерной зимы” обогатила не только мировую науку, но показала также, какую огромную цену заплатили страны Варшавского договора и особенно СССР с одной стороны, а также страны НАТО с другой, за невежественную тупиковую политику противостояния на грани войны, т.е. конца света. Разрядка напряженности была жизненно нужна миру. В 1987 г. Всемирная комиссия ООН по окружающей среде и развитию поставила вопрос о необходимости поиска новой модели развития цивилизации в докладе “Наше общее будущее”, известном как доклад Г.Х.Брутланд, которая возглавляла работу. Был введен термин “устойчивое развитие”, означавший удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения без лишения такой возможности будущего населения Земли. Усилия резко улучшить ситуацию в деле охраны и управления окружающей средой на глобальном и региональном уровнях были предприняты в 1992 г. в Рио-де-Жанейро, где состоялась Конференция ООН по окружающей среде и развитию на уровне глав государств и правительств. В число трех главных приоритетов, декларированных Конференцией ООН, стали: 1) сохранение биоразнообразия, 2) противодействие потеплению климата и 3) борьба с опустыниванием. Форум призвал страны мира искать пути к переходу к устойчивому развитию. По оценкам Дениса и Донеллы Медоуз, а также Йоргена Рандерса цивилизация уже перешагнула все допустимые пределы своего роста, и без существенного уменьшения потоков материальных и энергетических ресурсов в мире в ближайшие десятилетия произойдет неконтролируемое сокращение производства энергии, промышленных изделий и продовольствия в пересчете на одного человека. Все же создание устойчивого общества пока возможно. Экономическая и технологическая основа для этого у человечества пока есть. Однако необходимы кардинальные изменения. В социальной сфере это: 1) осуждение и отход от политики и практики, способствующих росту населения и уровня потребления. 2) акцент на достаточности, равенстве и качестве жизни, а не на объеме производства. 3) повсеместное распространение морали добра, сострадания, мудрости, взаимопомощи. В сфере экономики: 1) потребление возобновимых ресурсов не должно превышать масштабов их восстановления. 2) использование невозобновимых ресурсов не должно обгонять разработку и производство заменяющих их возобновимых материалов. 3) интенсивность выбросов загрязняющих веществ не должна превышать возможности окружающей среды поглощать их. 4) все это должно быть обеспечено быстрым повышением эффективности использования сырья и энергии (Медоуз и др.,1994). Таким образом, в конце ХХ века идея баланса общества и природы облекается в конкретные предложения. Конец ХХ века можно считать временем, когда человечество осознало опасность экологической катастрофы, но еще не выработало надежной стратегии для защиты от нее. Представление об устойчивом развитии как будто бы хорошо согласуется с тем, 35

что происходит в развитых странах с низкой плотностью населения. Однако для перенаселенных стран с высоким приростом населения и к тому же с бедными природными ресурсами борьба с голодом и нищетой является важнейшим приоритетом, из-за которого в них экологические цели оставляются без внимания и реализуются только тогда, когда от этого прямо зависит развитие экономики. По-видимому, и Россия из-за экономической разрухи оказалась в числе государств, не способных радикально решать собственные экологические проблемы, не говоря уж о международных, и это при наличии пока еще сохраняющегося высокого научного потенциала страны и, пожалуй, уникальном опыте отечественного природоведения, полученным благодаря длительному преемственному развитию мощных натуроведческих школ в таких областях как геология, география, почвоведение и ряде других. 1.8. Выводы. Побывав на Луне, и проникнув с помощью летательных аппаратов на Венеру, Марс и в другие части Солнечной системы, человек не слишком преуспел в познании своего дома - Земли. Но сейчас ситуация меняется. Математическое моделирование природных и природно-антропогенных систем, внедрение фрактального подхода к их изучению, автоматизированная компьютерная обработка данных дистанционного зондирования, аналитических исследований природных сред, создание ГИС и другие методологические достижения наук о Земле последних нескольких десятилетий существенно усовершенствовали возможности научно обоснованного природопользования. Другой позитивный момент заключается в усилении интеграции наук о Земле именно тогда, когда необходимо решать проблемы управления окружающей средой в условиях чрезмерной антропогенной нагрузки на природу. И формирование такой широкой области знания как геоэкология весьма облегчает поиск решений в области управления различными подразделениями биосферы. Очевидно, большие перспективы имеют такие составляющие геоэкологии как урбогеоэкология, агрогеоэкология, горнопромышленная геоэкология, лесохозяйственная геоэкология, водохозяйственная геоэкология и др., а также более широкие - геоэкология аридных территорий, геоэкология Севера, геоэкология горных стран и др., и, наконец, планетарная геоэкология.

36

2. Геоэкология - новый уровень междисциплинарной интеграции

2.1. Происхождение термина. Первым ученым, употребившим слово "геоэкология" был немецкий географ К.Троль, а в России - написавший об этом в 1970 г. В.Б.Сочава. Наш соотечественник объяснил появление нового термина желанием К.Троля отразить экологическую направленность ландшафтоведения. В.Б.Сочава подчеркивал: типология лесов, пастбищных и других сельскохозяйственных угодий значительно выиграла бы, если бы строилась на ландшафтно-экологической основе. Таким образом, широко используемый ныне природоведами термин изначально был чисто географическим. Закономерно то, что новая наука сначала развивается в недрах ранее сложившихся, а потом обретает название. Как уже указывалось, в 1866 г. Э.Геккель выделил "экологию" благодаря работам предшественников. Идя вглубь веков, видим, что слово "геология" ввел в 1657 г. норвежец М.П.Эшольт, хотя геологические знания люди накапливали с глубокой древности. Это же можно отнести и к термину "география", которому "повезло родиться" 22 века назад с помощью греческого ученого Эратосфена Киренского. Зная алгоритм: сначала наработки - потом название науки, позволительно считать, что геоэкологические знания накапливались в течение всего исторического времени, ибо строительство поселений, ирригация, проходка колодцев, добыча руд из карьеров и подземных выработок - все это человек делал в течение почти всего голоцена. С античного времени началось накопление информации по природопользованию, о чем сказано выше. Но в основном геоэкологический опыт извлекался в процессе покорения природы. И только в эпоху Научно-Технической революции (НТР) ученые стали высказывать тревогу по поводу емкости среды обитания и масштабов негативного воздействия человека на природу. Мы видели, что это был в конце ХVIII в. Т.Мальтус, во второй половине ХIХ в. Г.Марш, Ф.Энгельс, Ж.Реклю. В России геоэкологические по своей сути исследования проводят М.В.Ломоносов, Д.И.Менделеев, А.В.Воейков, В.В.Докучаев, В.И.Вернадский, А.Е.Ферсман и многие другие. Заметим, что с какой бы ветвью знания не была связана большая часть научного творчества каждого из них, всем им приходилось много работать на стыке наук. Так в разных ветвях знания формировалось некая новая наука, название которой появится позже. В период экологического алармизма, начавшегося с 1950-х гг., все проблемы взаимодействия технически вооруженного человечества с окружающей средой относят к области экологии. Правда, по Ю.Одуму (1975), это большая экология, по Ф.Рамаду (1981), - прикладная экология. Однако оказалось чрезвычайно неудобным заставить слово "экология" вести двойную жизнь, т.е. с одной стороны обозначать научное направление, названное Э.Геккелем, а с другой стороны - науку о взаимодействии общества и природы. В отношении второй его функции это вообще неверно, ибо научные корни так называемой большой экологии преимущественно формировались за пределами биологии. Термин “геоэкология” стал утверждаться особенно быстро по этим причинам и отчасти благодаря усилиям ученого-энциклопедиста Н.Ф.Реймерса. Он предложил классическую экологию называть биоэкологией, дабы отличать ее от социальной экологии и геоэкологии. 37

Наряду с традиционными проблемами, к преимущественно биоэкологическим следует отнести и такие как охрана редких и вымирающих видов, формирование и расширение фонда охраняемых территорий, защита от разрушения экосистем влажнотропических лесов, мангровых побережий, коралловых рифов и т.п. К биоэкологическим принадлежат также биологическое тестирование и мониторинг природных сред по биотестам, а также проблемы интродукции видов и устойчивости экосистем, в частности измененных или созданных человеком. Геоэкологические проблемы также очень разнообразны. Например, огромное поле для исследований представляет собой геоэкологическое картографирование на ландшафтной основе. Пример разработки дан в главе 12. Термин “геоэкология” с 1980-х гг. появился в названиях некоторых кафедр и даже факультетов российских вузов, на обложках книг, журналов, а также в названиях лекционных курсов. Однако смысл слова "геоэкология" все еще трактуемая по разному. 2.2. Узкое толкование. В книге с весьма обязывающим названием: "Геоэкология: основы природопользования" автор - К.М.Петров (1994) рассматривает пространство, в котором находятся во взаимодействии гео-, эко- и социосистемы, в качестве объекта геоэкологических исследований. Следовательно, заключает он, геоэкология - это наука о взаимодействии географических, биологических и социально-производственных систем. К.М.Петров, как и в ранее опубликованной интернациональной монографии: "Геоэкологические принципы проектирования природно-технических систем" (1987), отстаивает идею К.Троля: геоэкология - это экологизированная география, а проще говоря, наука о приспособлении хозяйства к ландшафту, учитывающая законы классической экологии. Это же отмечено, хотя и с оговоркой в словаре-справочнике Н.Ф.Реймерса (1990) "Природопользование", где читаем: "Геоэкология - раздел экологии (по другим воззрениям - географии), исследующий экосистемы (геосистемы) высоких иерархических уровней - до биосферы включительно" (с. 95). Очень важно в цитате то, что изучение геосистем, в особенности регионального и глобального уровня, есть прерогатива геоэкологии. Это означает, что две крупные ветви современного естествознания - география и геология могут претендовать на роль базовых геоэкологических дисциплин, так как первая занимается геосистемами земной поверхности - территориальными и аквальными, а вторая - геосистемами литосферы. Уже поэтому попытка втиснуть геоэкологию в рамки географических дисциплин, добавив в качестве косметики некоторые наработки биоэкологии, не может быть успешной. Помимо всего, в этом случае вне геоэкологии остаются такие исконно необходимые хозяйству ветви знаний как инженерная геология, гидрогеология, мерзлотоведение, литология, четвертичная геология, горное дело, геофизика, лесоведение, почвоведение, землеустройство, агрономия и ряд других. Вглядываясь даже в этот неполный перечень, можно заметить, что всесторонняя эколого-хозяйственная оценка геосистем обязана быть междисциплинарной. Но часто таковая заменяется комплексными географическими наработками, которые соответственно именуются экологогеографической экспертизой. В.Т.Трофимов и Д.Г.Зилинг обосновывают существование экологической геологии и, наряду с ней экологической географии и экологического почвоведения, как интегральных составляющих геоэкологии. Это разделение ставит многое на свои места, хотя есть мнение, что приставка "экологическая" ничего не дает, ибо ее можно добавлять к любой науке. 38

2.3. Противоречивая трактовка. Так, к сожалению, приходится оценить главные выводы интересной и весьма информативной книги С.В.Клубова, Л.Л.Прозорова (1993). Авторы пишут, что "геоэкология - это наука, изучающая законы взаимодействия литосферы и биосферы, с учетом специфики человека и его деятельности (с. 60). Определение таково, что необходимо сообщить: биосфера трактуется ими по В.И.Вернадскому, т.е. как область, охваченная активной жизнью, к которой относятся нижняя атмосфера, вся гидросфера и верхняя литосфера. Попробуем понять, можно ли использовать столь необычную трактовку "геоэкологии". Речь идет о взаимодействии литосферы с системой верхняя литосфера - гидросфера - нижняя атмосфера. Так где же два объекта взаимодействия? Мы видим, что литосфера (1-й объект) своей верхней частью образует и нижний этаж биосферы. Следовательно, часть 2-го объекта одновременно есть и доля 1-го. Получается парадокс, как если бы было необходимо изучить взаимодействие всадника и коня, но при этом вместо них был бы кентавр. Это комментарий к первому определению "геоэкологии" упомянутыми авторами. Но есть и второе. Читаем на с. 60, что геоэкология "является междисциплинарной геологической наукой, нацеленной на решение экологических проблем разного уровня и масштаба, проявляющихся в литосфере или в процессах, обусловленных взаимодействием литосферы с глубинными сферами Земли, в частности с астеносферой". Определение "междисциплинарная" здесь явно неуместно, ибо когда в исследованиях объединяются только разные ветви геологических знаний, то таковым не пользуются. Иначе мерзлотоведам, грунтоведам, гидрогеологам пришлось бы постоянно упоминать о своей междисциплинарности. Но можно ли сказать, что геоэкология есть наука только геологическая. Да, если согласиться со вторым определением. Но было же первое с включением в объект изучения всей биосферы. И оно при всей его одиозности явно вытягивает геоэкологию на междисциплинарный уровень. Говоря кратко, по С.В.Клубову и Л.Л.Прозорову, геоэкология изучает взаимодействие литосферы и биосферы для решения экологических проблем, связанных либо с использованием первой, (т.е. земной тверди - С.Г.), либо - с взаимодействием литосферы с более глубокими недрами. Поэтому основной объект геоэкологических исследований - это даже не вся литосфера, а лишь часть ее - геологическя среда, каковой может быть "каждая территория на Земле, представленная сложной совокупностью горных пород и создающая геологические условия жизни растительного и животного мира (в том числе человека), с ее рельефом, процессами и явлениями, возникающими и меняющимися во взаимодействии с атмосферой, гидросферой, биосферой и внутренними сферами Земли, а также под воздействием антропогенных (техногенных) процессов" ( с. 83-84). Хотя определение содержит те же терминологические накладки, в нем в своеобразной форме повторяются высказывания Аристотеля ("в Космосе нет ничего бессвязного") и Барри Коммонера ("все связано со всем") и, кроме того, проясняется: геоэкология - наука геологическая, ибо изучение взаимодействия всех геосфер следует вести только через призму геологической среды. Но у этого цехового подхода есть оппоненты. 2.4. Широкое понимание. Поразительно то, что смысл, который приобрело слово "геоэкология" ныне, был в основном вложен в другой термин, так и не закрепившийся в науке, и это произошло даже чуть раньше появления публикации В.Б.Сочавы. Вот, что писал министр геологии А.В.Сидоренко в 1967 г. в брошюре "Человек, Техника , Земля". "Для научно обоснованного ведения народного хозяйства нужен прогноз тех геологических, а также свя39

занных с земной корой географических условий, которые возникают в отдельных районах Земли в связи с тем или иным вмешательством человека в природные процессы. Техническая геология ... должна синтезировать знания по геологии (во всей широте этой науки), геоморфологии, почвоведению, физической географии в связи с влиянием человека на земную кору. Эта наука должна также широко применять экономический анализ геологической деятельности человека на Земле. Техническая геология должна иметь и географический аспект, поскольку она должна быть тесно увязана с природными физико-географическими элементами и охватывать те или иные территории Земли” (с. 51-52). Таким образом, А.В.Сидоренко настаивал на интеграции знаний для целей управления природопользованием. Заметим, что очень близко к пониманию предмета исследования геоэкологии подошел В.С.Жекулин, писавший, что эта наука интегрирует знания о природе, хозяйстве и населении. К сожалению, социальные потрясения последнего десятилетия не позволили реализовать рекомендации конца 1960-х годов, хотя частично это произошло в конце 1980-х с появлением Госкомприроды СССР, формировании и реализации в системе Миннауки России и Комитета по геологии научных программ по геоэкологии. Но как это отразилось в понимании предмета науки? В коллективной монографии "Основы геоэкологии" (1994) читаем: "Геоэкология - наука, изучающая необратимые процессы и явления в природной среде и биосфере, возникающие в результате интенсивного антропогенного воздействия, а также близкие и отдаленные во времени последствия этих воздействий". Судя по всему, здесь речь идет о природе вообще и живой природе (биосфера в понимании Э.Зюсса) - в частности. Таким образом, геоэкология понимается как наука об антропогенных изменениях в живой и неживой природе. Однако лучше было бы сказать: геоэкология - это наука о природной среде в связи с ее антропогенными изменениями. Но это полбеды. А вот разделение объекта антропогенного воздействия на природную среду и биосферу показывает, что автор определения не знаком с учением о биосфере В.И.Вернадского. Между тем, последнее, по нашему мнению, как раз и является важнейшей частью современной геоэкологии. Нельзя замыкать геоэкологию только на проблемах природопользования, хотя она и служит ему. Но если посмотреть на проблему шире, то геоэкологию можно отнести к числу наиболее важных областей знания, призванных обеспечить выживание человечества. В частности, геоэкологическая проблема устойчивости биосферы не может быть решена без привлечения геоисторических данных, включая палеогляциологические сведения. И такого рода никак не связанные с природопользованием научные направления тоже подпитывают геоэкологию. Исходя из приоритета географии и геологии в становлении геоэкологии, автор называл ее наукой о современных ландшафтах (естественных, преобразованных и созданных человеком), а также о геологической среде, о способах и возможностях использования природных ресурсов и экологических ограничениях при социальноэкономическом развитии. Часто геоэкологию рассматривают как некую рецептивную дисциплину, дающую научное обоснование и рекомендации для приспособления хозяйства к природным условиям. В этом случае предметом геоэкологии можно считать проблему макроорганизации биосферы, вопросы иерархического соподчинения ее макросистем в связи с необходимостью научно обоснованного использования естественных ресурсов и охраны природы (Горшков, 1992). 40

Близка к нашей и точка зрения В.И.Осипова (1993). Он пишет: 1) геоэкологические проблемы носят комплексный характер, 2) геоэкология зарождается внутри уже существующих дисциплин, 3) конечная цель геоэкологии - сохранение жизнеобеспечивающей среды и жизни на Земле и в этом отношении она тесно переплетается с наукой о биосфере, 4) наука - геоэкология существует как новое междисциплинарное направление, объединяющее знания об экологических проблемах геосфер. Четвертое положение о геосферах расширяет нашу трактовку и с ним необходимо согласиться. За широкое понимание термина "геоэкология" выступают В.Т.Трофимов, Д.Г.Зилинг, Т.И.Аверкина. Они рассматривают ее как интегральную науку экологической направленности, изучающую закономерности функционирования антропогенно измененных экосистем высоких уровней организации. Нацеленность геоэкологии на исследование достаточно крупных геосистем, так или иначе связанных с деятельностью человека, являет собой несомненное ядро данной науки, что и подчеркнуто соавторами. В.М.Шестаков видит естественно-научное содержание геоэкологии в изучении процессов в природно-технической системе “геосферы - биосфера" при хозяйственной деятельности человека. Геолого-географические подходы, по его мнению, есть главные в геоэкологии. Это представление хорошо увязывается с большинством ранее приведенных. Н.С.Касимов, Э.П.Романова считают геоэкологию результатом современного развития и синтеза целого ряда географических, геологических, почвенных и других наук. Современная геоэкология опирается на большую группу концепций, раскрывающих структуру и динамику природных и природно-антропогенных геосистем главным образом высокого ранга вплоть до системы “атмосфера - гидросфера - литосфера” с ее центральным блоком биосферой. 2.5. Выводы. Итак, можно заключить, что геоэкология: - интегрирует данные многих, но в особенности геолого-географических дисциплин с целью более глубокого понимания законов функционирования природных и природно-антропогенных систем; - новый уровень взаимопроникновения оформившихся ранее интегральных наук, исследующих геосистемы различных, но в особенности высоких рангов; - будет касаться и проблем, связанных с серьезно затронутой человеческой деятельностью частью Космоса; - следовательно, - это наука об организованности биосферы, вмещающей ее супергеосферы и околоземного Космоса, об их антропогенном изменении, способах управления для целей выживания и устойчивого развития цивилизации; - наука о механизме и архитектуре окружающей среды, при необходимости использующая ретроспективы и прогнозирование. Формирующаяся геоэкология во многом по другому начинает раскрывать известные ранее законы природы и подошла к открытию новых. Тем самым она оказывает мощное воздействие на развитие общества. Геоэкология будет одной из главных наук в следующем столетии. 3. Живое вещество 15 сентября 1906 г. В.И.Вернадский на отдельном листка записывает: "Какое значение имеет весь организованный мир, взятый в целом, в общей схеме химических реак41

ций Земли? Изменялся ли характер его влияния в течение всей геологической истории и в какую сторону? Без организмов не было бы химических процессов на Земле? Во все циклы входят неизбежно организмы?"(Мочалов, 1982, с. 168-169) . Многогранный ум В.И.Вернадского все больше нацеливается на разработку биогеохимических проблем. 9 июля 1906 г. в письме к Я.В.Самойлову он сообщает: "Много в последнее время обдумываю в связи с вопросом о количестве живого вещества... Читаю по биологическим наукам. Масса для меня любопытного. Получаемые выводы заставляют меня задумываться. Между прочим выясняется, что количество живого вещества в земной коре, есть величина неизменная. Тогда жизнь есть такая же вечная часть Космоса, как энергия и материя? В сущности, ведь все рассуждения о приносе "зародышей" на Землю с других небесных тел в основе своей имеют то же предположение о вечности жизни?" (Страницы автобиографии В.И.Вернадского, 1981, с.221). 3.1. Общие сведения. Живому веществу свойственна высокая резистентность. Так некоторые бактерии могут существовать в атомных реакторах в условиях высоких, температур и жесткой проникающей радиации. Кислая или щелочная среда не помеха для микроорганизмов. Некоторые бактерии живут в водах, у которых рН = 1. На примере бактерий, населяющих верхние горизонты литосферы, установлено: жизнедеятельность некоторых из них протекает при температурах в 75-80О .Однако они могут выдерживать температуру и свыше 100ОС, если находятся в условиях повышенного давления. Перегретая жидкая вода обнаружена до глубин 10,5 км. Следовательно, бактерии могут быть найдены в литосфере даже на такой глубине. В гидротермах дна океана, на глубинах 3 км бактериихемосинтетики существуют при давлении 300 атмосфер и температуре 250ОС. Вообще же давление выше 1000 атмосфер далеко не предел для существования некоторых бактерий, осуществляющих редукцию сульфатов. Ограничивает проникновение микроорганизмов в литосферу высокая минерализация (до 300 г на литр) подземных рассолов, либо такие температуры, при которых происходит вскипание менее насыщенных солями вод. Мир организмов включает два надцарства: 1) доядерные организмы - прокариоты подразделяются на царства бактерий и цианобионтов) и 2) ядерные организмы - эукариоты включают царства грибов, растений и животных. Количество видов в живой природе составляет несколько миллионов, а возможно и больше. Это так называемое биоразнообразие, которое достигает максимума во влажнотропических лесах и больше всего снижается в околополярных районах, пустынях и высокогорьях. Существуют сотни тысяч биоорганических веществ (Перельман, 1989). 3.2. Планетарная константа геологической истории. В работе "Биосфера в Космосе" В.И.Вернадским сформулированы ряд положений, важных для понимания эволюции трех внешних геосфер. Рассмотрим их: 1) в течение всех геологических периодов не было и нет никаких следов абиогенеза (т.е. непосредственного создания живого организма из мертвой, косной материи). Развивая это положение в другой работе, ученый писал: "Говоря о появлении жизни на Земле с образованием биосферы, должно считать незыблемым принцип Реди - то великое эмпирическое обобщение, которое было установлено в 17 в. и которое неизменно подтверждается научным опытом и наблюдением. Его выражают: "Все живое происходит от живого" (Вернадский, 1980, с.279). Франческо Реди. (1626-1697) - натуралист, врач и поэт из Флоренции. В 1668 г. поставил знаменитый эксперимент. Он поместил по куску свежего сырого мяса в восемь 42

сосудов, причем четыре из них запечатал, а остальные оставил открытыми. Мухи могли садиться на мясо только в открытых сосудах и именно там появились "черви" - личинки мух. Повторив эксперимент в несколько измененном виде и получив тот же результат, Реди заключил, что личинки возникают не сами по себе, а развиваются из яичек, которые откладывают мухи. За утверждение, что живое может развиваться только от живого, Реди был обвинен в ереси, ибо его вывод противоречил не только воззрениям Аристотеля, но и расходился с одним из фрагментов "Священного писания", в котором упоминалось о самозарождении пчелиного роя из туши издохшего льва (Лапо, 1987). В.И.Вернадский (1980) подчеркивал, что принцип Реди “не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не. принятых во внимание при научном определении этой формы организованности земной оболочки"(с.179). Таким образом, он признавал возможность зарождения жизни, но отрицал это применительно к известным ему условиям биосферы, для которых такое феноменальное событие нигде и никогда не удалось ни наблюдать, ни воспроизвести. Поэтому не лишено смысла предположение о возможности заноса на Землю примитивных организмов, возникших вне ее. Занос мог иметь место, например, в составе ледяных метеоритов, когда Земля не была окутана плотным покровом атмосферы. Однако недавно было сообщение о находках фоссилизованных микроорганизмов в метеоритах, относящихся к углистым хондритам. 2) никогда в течение всего геологического времени не наблюдались азойные (т.е. лишенные жизни) геологические эпохи. Представление о том, что жизнь - это планетарная константа Земли - краеугольный камень в построениях Вернадского. И оно хорошо аргументируется. Так, известный американский ученый С.Поннамперума на XXVII Международном Геологическом Конгрессе в 1984 в Москве, говорил почти это же, что как бы далеко мы не уходили вглубь истории Земли, всюду, видимо, существовала жизнь. По заключению немецкого исследователя Пфлюга, породы с возрастом 4 млрд. лет уже содержат структурированное органическое вещество, а приемлемые условия для жизни на планете появились 4,2-4,3 млрд. лет назад, т.е. за сравнительно короткое время после возникновения Земли как планетного тела (4,55 млрд. лет назад). Самые древние ископаемые остатки прокариот с возрастом 3,8 млрд. лет найдены в свите Исуа в Гренландии. Прокариоты-бактерии оставили после себя продукты жизнедеятельности: железорудные формации, фосфориты, графит и др. Продукты жизнедеятельности цианобионтов сохранились в виде известковых образований, строматолитов и онколитов. Прокариоты обитали не только в водной среде, но и на суше. Важно, что с момента появления продукты жизнедеятельности и отмирания организмов включаются в состав литосферы, гидросферы и атмосферы. Это будем обсуждать еще не раз. 3) современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых эпох и в течение всего этого времени условия земной среды были доступны для его существования, т.е. непрерывно были близки к современным. В 1973 г. А.В.Сидоренко и Св.А.Сидоренко писали о существовании принципиально сходных геохимических факторов гипергенеза на всем протяжении геологической истории Земли. Главнейшими из этих факторов являются вода, живое вещество и продукты его жизнедеятельности, отмирания и преобразования, газовый состав и, прежде всего, свободный кислород атмосферы и химизм поверхностных вод. Опираясь на данные многих исследователей, аргументы в пользу сходства древнейшей атмосферы Земли привел А.А.Ярошевский. По его мнению, анализ распределе43

ния органического углерода и изотопного состава углерода в метаморфизованных осадочных породах докембрия дает основание считать, что распределение углерода между карбонатной и органической формами было почти постоянным в течение всей доступной для изучения геологической истории. Это означает, что накопление свободного кислорода с динамикой близкой к современной должно было начаться одновременно с возникновением фотосинтеза, т.е. на заре геологической истории. Следовательно, содержание кислорода в атмосфере, близкое к современному было достигнуто уже в древнем архее. Развенчание мифа о длительном существовании на Земле почти бескислородной атмосферы имеет большое значение для утверждения идей В.И.Вернадского. 4) все время на земной поверхности шли те же процессы выветривания, т.е. в общем наблюдался тот же средний химический состав живого вещества и земной коры, какой мы и ныне набюдаем. Это положение выведено В.И.Вернадским, исходя из тезиса о постоянстве химизма живого вещества, и первостепенности его роли в химической жизни Земли на всем протяжении геологической истории. Химический состав живого вещества, как подчеркивал В.И.Вернадский, совершенно оригинален. В нем господствуют легкие атомы. Это 12 легких химических элементов: Н, C, N, O, Nа, Мg, А1, Si, Р, S, Сl, К, Са, и один тяжелый - Fе. В настоящее время признано целесообразным различать несколько главнейших групп организмов, для которых определен элементный состав живого вещества. Таблица 1. Содержание основных химических элементов в организмах, в мг/100 г. сухого вещества (из книги В.В.Ковальского “Геохимическая экология”, М., 1974). Элементы

Наземные растения Углерод 45 400 Кисло- 41 000 род Азот 3000 Кальций 1800

Морские водоросли 34 500 47 000

Морские животные 40 000 40 000

Наземные животные 46 500 18 600

1500 1000

10 000 9600 20-8500 510

Магний Натрий

320 120

520 3300

Калий

1400

5200

Фосфор

230

350

Сера

340

1200

Хлор

200

470

7500 1502000 500 4004800 5003000 4001800 5001900 5009000 7-100

Кремний 20-500

150-

Бактерии 54 000 23 000

100 400

700 460

740

10007000 3000

17004400 500

530

280

230

12-600

18

44

Железо

14

2000 70

40

16

25

Из данных табл.1 следует, что содержание даже главнейших элементов жизни - углерода, кислорода, азота, фосфора и серы существенно колеблется в крупнейших группах организмов. Однако поскольку наземные растения господствуют по массе в составе живого вещества (об этом подробнее сказано ниже), цифру 45,4% - содержание углерода в сухом органическом веществе наземной растительности - следует запомнить, ибо часто данные по биомассе приводят в пересчете на углерод. В организмах присутствуют также и микроэлементы. Если взять данные по наземным растениям, то можно выстроить такой ряд в порядке убывания концентраций: Zn 100 мкг/г, B - 50; Sr - 26; Rb - 20; Br - 15; Ba - 14; Cu - 14; Ni - 3; Pb - 2,7; V - 1,6; Ti - 1; Mo - 0,9; Cd - 0,6; Co - 0,5; Cr - 0,23; As - 0,2; Cs - 0,2; Li - 0,1 и т.д. Как отмечает А.И.Перельман, в живом веществе присутствует почти вся таблица Д.И.Менделеева. Американец Э.Диви младший предложил простую формулу живого вещества H2960O1480C1480N16P1,8S (Биосфера, 1972). Очень удобно для некоторых расчетов. 5) не было больших изменений в количестве живого вещества. В период научного творчества В.И.Вернадского оценки планетарной биомассы были неточны и он исходил из представления о преобладании по весу океанического живого вещества над континентальным. Отсюда им было сформулировано, как мы теперь знаем, это ошибочное положение. В действительности колебания планетарной биомассы были значительны, даже в течение последнего, геологически очень короткого четвертичного периода, когда в ледниковые эпохи резко снижалась лесистость континентов, а, следовательно, и масса живого вещества в целом. Потенциальная фитомасса суши, т.е. без учета ее антропогенного уменьшения, подсчитана Н.И..Базилевич, Л.Е.Родиным и Н.Н.Розовым. Их результат - 2400 млрд. т. в пересчете на сухое органическое вещество или 1080 млрд. т. в углеродном эквиваленте. Не исключено, что эта оценка занижена. К такому выводу пришли О.П.Добродеев и И.А.Суетова. Они произвели ревизию данных о размерах площадей географических поясов. Собрав также сведения о зоомассе суши, зоо- и фитомассе океана, эти ученые получили цифру потенциальной биомассы живого вещества Земли (табл.2). Для условий ненарушенной биосферы подсчитана также чистая первичная продукция (нетто-продуктивность), которая почти вся рано или поздно потребляется гетеротрофными организмами. На суше ежегодно могло бы создаваться фотосинтетиками 180 млрд. т органического вещества, а в океане 80 млрд. т в пересчете на его сухой вес. Таблица 2. Потенциальная масса живого вещества Земли: сырой и сухой вес, млрд. т (по О.П.Добродееву и И.А.Суетовой) СУША Фитомасса Зоомасса ОКЕАН Фитопланктон Фитобентос Зоопланктон Зообентос

6506 6500 6,0 29,9 0,9 0,2 21,2 6,6

2602 2600 2,0 7,05 0,18 0,04 4,2 2,4 45

Нектон ЗЕМЛЯ

1,0 6535,9

0,23 2609,05

Истинные размеры потенциальной продуктивности океана и реальной, продолжают быть темой дисскуссий. Биологи Д.Крупаткина, Б.Берлан и С.Маэстрини в начале 1980х годов обнаружили в тропических и субтропических морях пикопланктон. Это мельчайшие (0,4-1,0 мкм) фотосинтезирующие организмы, среди которых преобладают цианобактерии, усваивающие молекулярный азот. Пикопланктон способен осуществлять фотосинтез при очень низкой интенсивности солнечного света и, следовательно, зоной его функционирования может быть достаточно значительная толща воды. Из этого сделан предварительный вывод, что от 30 до 80% первичной продукции океана может приходиться на долю пикопланктана. Однако получение достоверной цифры первичной продуктивности океана требует дальнейших исследований. Какова же величина современной биомассы Земли? Надо сказать, что точные оценки изменения количества живого вещества в океане пока не получены. По данным В.Г.Горшкова (1996), биологическая продуктивность океана многократно возросла под влиянием избыточного поглощения антропогенного СО2. Утверждение это не кажется бесспорным, ибо тогда заметно улучшилось бы состояние биологических ресурсов мировой акватории, хотя бы там, где их использование не превышает уровень естественного воспроизводства. Тревожная ситуация отмечается применительно к суше. Оценки для середины 1970х гг. настораживают. Масса растительности, по данным Хемпайка, уменьшена человеком на 41,5%, а почвенного гумуса - на 18,0%. Современная чистая первичная продуктивность растительности суши по расчетам на начало 1970-х годов составляла 52,6 млрд.т в пересчете на углерод (примерно 115 млрд.т сухого органического вещества). Главную работу по поддержанию жизни на суше выполняют леса: 68% продукции растительности, причем соотношение продуктивности тропических лесов и лесов умеренно-холодной зоны составляет примерно 2:1. 6) в чем бы явления жизни не состояли, энергия, выделяемая организмами - в основном или целиком - лучистая энергия Солнца. Через посредство организмов она регулирует химические проявления земной коры. В.И.Вернадский в другой своей работе обращает внимание на необходимость познания энергетических свойств биоты. Он видит в этом ключ к расшифровке законов функционирования внешних геосфер. “Не только в климатологии и метеорологии, но и в геохимии и минералогии явления изменений - химические процессы - связаны не с энергией глубоких слоев земной коры или Земли, а вызываются энергией Солнца, космической энергией, приходимой на Землю извне. Источником изменений является богатая жизнью поверхностная пленка планеты. Аккумулятором космической энергии, распределителем ее в минералогических и геохимических процессах является сосредоточенное в ней живое вещество. Очевидно, чем больше и точнее мы будем знать его энергетические свойства, тем яснее станет нам весь процесс химических изменений земной коры, доступных нашему изучению" (Вернадский, 1970, с.99). Раскрытие энергетическай роли живого вещества в природной среде требует обстоятельного разговора и о других его функциях. 3.3. Экологические функции живого вещества. В.И.Вернадский выделил девять биогеохимических функций живого вещества. К ним относятся: а)газовая; б) кислородная; в) окислительная; г) кальциевая; д) восстано46

вительная; е) концентрационная; ж) функция разрушения органических соединений; з) функция восстановительного разложения; и) функция метаболизма и дыхания организмов. Позже А.И.Перельман, А.В.Лапо, А.А.Ярошевский и другие авторы развили учение В.И.Вернадского о функциях живого вещества. К их числу были отнесены также энергетическая (Лапо) и продукционная (Ярошевский) функции. Весь набор результатов работы планетарной биоты, видимо, можно назвать экологическими функциями живого вещества, поскольку все они так или иначе необходимы для поддержания и оптимизации его среды обитания. Энергетическая функция. Живое вещество суши и океана многообразно влияет на энергетику Земли. Неверно ограничивать его энергетическую функцию рамками фотосинтеза и хемосинтеза, как это иногда делают. Опосредствованное энергетическое воздействие планетарной биоты на биосферу огромно. Начнем с некоторых исходных данных. От 12⋅1033 Дж/год - величины светимости Солнца -.Земля перехватывает ничтожную долю, а именно чуть меньше четверти одной миллиардной ее, т.е. 3,6⋅1024 Дж. Спектр электромагнитного излучения Солнца имеет следующий состав: - ультракоротковолновая радиация (менее 0,1027 мкм) проникает в атмосферу Земли до высот 100-200 км и вызывает ионизацию молекул; - такая же радиация, но с длиной волн 0,1027-0,2424 мкм доходит до высот 70-80 км и возбуждает молекулярные реакции с образованием ионов-радикалов; - далекое ультрафиолетовое излучение (0,2424-0,2900 мкм) практически полностью поглощается в ненарушенном озоновом слое на высотах 15-25 км. Волны этой части спектра - основная причина образования ионосферы и озоносферы; - близкое ультрафиолетовое излучение (0,29-0,40 мкм), видимый свет (0,40-0,76 мкм) и близкое инфракрасное излучение (0,76-2,4 мкм) поступают в нижние слои атмосферы и на земную поверхность. На ультракоротковолновую радиацию и УФР приходится 8% от общего потока поступающей энергии, на видимую часть спектра - 56% и на ближнюю инфракрасную область - 36%. Атмосфера и земная поверхность отражают 28% солнечной радиации в коротковолновой форме. Это альбедо Земли. Этим звучным словом обозначается потеря в Космос солнечной энергии, не совершившей никакой работы. Остальные 72% нагревают Землю и излучаются ею в длинноволновой (4-96 мкм) форме. Но сразу в Космос уходит небольшая доля этой радиации, а основная часть отражается атмосферой снова к земной поверхности, и так происходит неоднократно. Почему? Парниковый эффект. Он почти целиком создается из-за отражения к Земле парниковыми газами и парами воды уходящего длинноволнового излучения. Ныне среднеглобальная температура близка к 15ОС, а могла бы быть -18ОС, если бы планету не подогревали: пары воды на 20,6ОК, СО2 на 7,2ОК, N2O на 1,4ОК, СН4 на 0,8ОК, О3 на 2,4ОК и фреоны на 0,8ОК. Температуры даются по шкале Кельвина, по которой неслучайно отсчет ведется от абсолютного нуля или от -273ОС. Этим подчеркивается, что нашу планету в основном нагревает коротковолновая солнечная радиация, условно говоря, от абсолютного нуля до -18ОС, а дообогревает ее, так называемое, противоизлучение атмосферы. Такой вариант определения величины парникового эффекта газообразных примесей атмосферы, равный 33,2ОК разработан К.Я.Кондратьевым и Н.И.Москаленко (1987). Существуют и другие оценки. Например, глава Метеорологической службы Великобритании Дж.Хоутон в своей книге “Глобальное потепление: всеобъемлющий диагноз” (Houghton, 1994) пишет, что, 47

если бы земная атмосфера состояла только из оптически прозрачных N2 и О2, то средняя температура воздуха у ее поверхности была бы не +15ОС, а -6ОС. Между тем, ученый был научным редактором издания на английском языке книги “Глобальный климат”, в которой была опубликована упомянутая разработка двух россиян. И все же Дж.Хоутон определил парниковый эффект в 21ОС, а не 33,2ОС. Заметим, что К.Я.Кондратьев (1995) откликнулся рецензией на книгу Дж.Хоутона, но не коснулся противоречия между своими и его цифрами. Зато в журнале “Амбио” шведский профессор Хёниг Роде в совместной статье с Р.Чарльсоном и Э.Крауфорд (Rodhe et al.,1997) приводит самую высокую оценку парникового эффекта, равную 37ОС. Современная среднеглобальная температура, указанная ими, равна 14ОС. Разброд в оценках - свидетельство невозможности при современном уровне знаний с удовлетворительной точностью вычислить окончательную “температурную цену газообразной шубы Земли”. Радиационно-активными примесями атмосферы в основном не задерживается длинноволновое излучение в диапазоне 8-13 мкм. Через это окно прозрачности и еще небольшие щелочки в газово-паровом экране Земли в Космос вырывается даже чуть больше тепла, чем поглощается извне. Это и обеспечивает в конце концов почти точный баланс прихода и расхода тепла на Земле. Астрономы считают, что в раннем архее Солнце по отношению к Земле было скупее из-за более низкой светимости. Тем не менее, тогда наша планета была даже слегка похожа на Венеру из-за обилия углекислого газа и метана, а соответственно и паров воды в первичной атмосфере. Мощный парниковый эффект с лихвой перекрывал дефицит прямого нагревания Земли Солнцем. Прокариоты-хемосинтетики, приспособленные к высоким температурам, прекрасно чувствовали себя при среднеглобальных температурах порядка 70-120О С. Однако около 3 млрд. лет назад количество атмосферной углекислоты стало убывать из-за связывания ее в карбонатных породах. Парниковый эффект снизился ко времени 2,8 млрд. лет так сильно, что возникло материковое оледенение. Это была первая (?) гляциоэра в истории Земли. Среднеглобальная температура, по В.А.Зубакову, не превышала тогда 4-10ОС. В дальнейшем светимость Солнца повысилась, а парниковый эффект радиационно-активных газов и газообразных веществ атмосферы стал убывать, но процесс этот шел скачками. Необходимо иметь в виду, что точность оценок как парникового эффекта в целом, так и его составляющих все еще не является абсолютной. Неясно, например, как можно безошибочно учесть парниковую роль паров воды, которые при возникновении облаков становятся мощным фактором повышения альбедо Земли. Стратосферный озон является не столько парниковым, сколько антипарниковым газом, так как отражает примерно 3% приходящей солнечной радиации. Пыль и другие аэрозоли, в особенности соединения серы, ослабляют нагревание земной поверхности и нижней атмосферы, хотя для теплового баланса пустынных территорий они выступают в обратной роли. Иногда эволюцию климата Земли пытаются представить только как изменение парникового эффекта атмосферы, что уже само по себе ошибочно. Живое вещество существенно влияет на содержание парниковых газов и паров воды в атмосфере. Эмиссия углекислого газа, метана и окиси азота за счет биогенных процессов ныне существенно превосходит их поступление в атмосферу в составе газового дыхания Земли. Значит, парниковый эффект прямо зависит от явлений в живой природе. Однако есть все основания считать, что процессы в неорганической природе в от48

дельные отрезки геологической истории сильнее влияли на состояние парникового экрана атмосферы. Об этом мы пишем в главе 15. Альбедо Земли. Живое вещество повышает поглощение солнечной радиации земной поверхностью, уменьшая альбедо не только суши, но и океана. Растительность суши, как известно, существенно снижает отражение коротковолновой солнечной радиации в Космос. Альбедо леса, луга, поля не превышает 25%, но чаще определяется цифрами от 10% до 20%. Меньше альбедо лишь у гладкой водной поверхности при прямой радиации и у влажного чернозема (порядка 5%), Однако оголенная иссушенная почва или покрытая снегом земля отражают всегда гораздо больше солнечной радиации, чем когда они защищены растительностью. Разница может достигать несколько десятков процентов. Так сухой снег отражает 85-95% солнечной радиации, а лес при наличии устойчивого снежного покрова - только 40-45%. Живое вещество океана, как оказывается, также "работает" на максимальное поглощение тепла водной средой. Проблема эта совершенно не изучена. Однако можно предполагать, что благодаря быстрому очищению воды от взвесей гидробионтами (ниже сказано об этом подробнее) области замутнения воды не бывают слишком большими. А ведь, если бы водные объекты, в первую очередь океан, были у поверхности насыщены наносами, их отражательная способность стала бы другой. Океан тогда бы прогревался только вблизи поверхности, а фотосинтез в мутной воде был бы подавлен. Организмы, очищающие воду от взвесей - их называют биофильтраторами - настоящее чудо природы. Мы в этом еще убедимся. Транспирaция. Это мощный процесс связывания энергии. Транспирация как бы обслуживает фотосинтез. При этом на переход воды в пар затрачивается не только лучистая энергия Солнца, но и тепло нагретых воздушных масс - так называемое адвективное тепло. Геоэкологическое значение транспирации только начинает выявляться. В.И.Вернадский (1987) подчеркивал, что испаряя влагу, растения оказывают громадное воздействие на процессы в биосфере, в частности, на круговорот воды, а следовательно, и на баланс энергии. Каковы энергозатраты на транспирацию? По оценке Х.Пенмэна (Биосфера, 1972), при синтезе 1 т сырой биомассы через корни растений проходит 100 т воды. Скрытая теплота парообразования составляет 2500 Дж/г. Значит энергетическая цена тонны сырой фитопродукции 25⋅1010 Дж, а сухой примерно в 4 раза больше, т.е. 1012 Дж. Подтвердим эту цифру примерами. На создание тонны сухого органического вещества, входящего в наземную биомассу букового древостоя затрачивается 6,7⋅1011 Дж. Для того же в еловых посадках потребляется 8,0⋅1011 Дж, в дубравах 8,5⋅1011 а в луговых сообществах - 2,1⋅1012 Дж. Все цифры, как видим, лишь немного больше или меньше средней Пенмэна. Верность последней позволяет подсчитать затраты энергии на транспирацию в современных условиях. Ежегодно в пределах всей суши на нее затрачивается около 1,15⋅1023 Дж, т.е. около 38% радиационного баланса суши. Рассмотрим влияние транспирации на энергетику биосферы. Важно учитывать, что с лесных земель планеты в верхнюю часть тропосферы приходят в скрытой форме в виде водяного пара большие количества тепла. На суше самым мощным насосом, перераспределяющим влагу и тепло в атмосфере по вертикали вверх, являются влажнотропические леса. В их пределах, на площади немногим более 11% от размеров всей суши поглощается почти 30% тепла, затрачиваемого на испарение. 49

А.Н.Кренке и А.Н.Золоткрылин, осуществившие этот расчет, называют области суши, продуцирующие большие потоки тепла в атмосферу, термоактивными зонами. Таковы леса - источники повышенного количества скрытого тепла, и пустыни - области мощного восходящего турбулентого потока тепла в его, если можно так сказать, натуральном выражении. Насыщение атмосферы влагой над лесными, как впрочем и любыми другими территориями противодействует ее быстрому выхолаживанию с образованием плотных антициклональных масс. Последнее как раз и происходит с сухим, пусть даже нагретым воздухом над пустынями. Таким образом, энергия, затраченная на транспирацию, расходуется на повышение динамичности атмосферы, если таковой считать увеличение роли циклональных обстановок. Кроме того, наземный растительный покров, в особенности леса, дополнительно насыщают атмосферу водяным паром, который играет регуляторную роль в термическом режиме биосферы. Защита атмосферы от запыления. Роль этого вида влияния живого вещества на энергетику биосферы не оценена, но о ней нельзя забывать. В последнюю ледниковую эпоху запыленность воздуха над Антарктидой была в 8-30 раз выше, чем ныне, а над северо-центральными Андами даже в 200 раз. Среднепланетарная температура тогда была на 5ОС ниже современной, и, вероятно, не последнюю роль в похолодании играло обилие атмосферной пыли из-за сильной разреженности, угнетенности и отсутствия на больших площадях растительности. Фотосинтез. Это главный процесс возобновления в организмах живой субстанции из неорганических веществ по крайней мере на поздних этапах геологической истории. Хлорофилл растений способен поглощать только фотосинтетически активную радиацию (0,38-0,71 мкм), сокращенно - ФАР. Таким образом, в первичной продукции фотосинтетиков и зоомассе использующих ее консументов, а также во всех остальных звеньях трофической пирамиды перераспределяется в соответствии с правилом 10% то, что удалось взять растениям главным образом из видимой части спектра солнечной радиации. Много ли они берут? Удельное энергосодержание в сухой фитомассе суши обычно считают равным 17,8 кДж/г, а таковое в сухой фитомассе океана - 19,7 кДж/г. Тогда запас энергии в растительных организмах суши и океана будут соответственно 2,3⋅1022 и 4,3⋅1018 Дж, а в чистой годовой первичной продукции 2,5⋅1021 и 1,6⋅1021Дж. Необходимо учитывать, что валовая продукция (бруттопродукция) растительности суши очень приблизительно может считаться вдвое большей, чем чистая (неттопродукция), поскольку около половины создаваемой растением органической массы окисляется при дыхании. Поэтому полные затраты ФАР на фотосинтез на суше близки к 5,0⋅1021 Дж. Кроме того, в продукцию не включается пыльца (глобальная масса оценена Л.Г.Бондаревым в 16 млн.т в год) и различные выделения растительных организмов, например, фитонциды. Но если бы эти проявления живой природы были оценены, то вряд ли вышеприведенные цифры стали заметно больше. Итак, живое вещество суши и океана не только аккумулирует биогеохимическую энергию, но и оказывает биогеофизическое воздействие на атмосферу и поверхностные воды. Вот как выглядит соотношение важнейших показателей энергетики Земли: - приход лучистой энергии Солнца в атмосферу и к земной поверхности 3600⋅1021 Дж/год; - потеря ее в форме отраженного коротковолнового излучения (альбедо) 1000⋅1021 Дж/год 50

- поглощение ее атмосферой 900⋅1021 Дж/год - поглощение ее земной поверхностью 1700⋅1021 Дж/год; в том числе затраты: на транспирацию 115⋅1021 Дж/год; на синтез валовой первичной продукции суши 5,0⋅1021 Дж/год; на синтез чистой первичной продукции океана 1,6⋅1021 Дж/год; - производство человечеством первичной энергии 0,47⋅1021 Дж/год; - кондуктивный тепловой поток из недр Земли 0,8⋅1021 Дж/год. Из сравниваемых цифр видно, что энергетическая мощь цивилизации все еще, слава Богу, на несколько порядков ниже той части лучистой энергии Солнца, которая поглощается земной поверхностью. Таким образом, энергообеспеченность, а, следовательно, и эффект действия природных процессов в атмосфере, гидросфере и поверхностной части литосферы должен быть гораздо больше, чем результаты процессов антропогенных. Специфика энергетической функции живого вещества выражается также в том, что часть мертвого органического вещества длительное время сохраняется в различных подразделениях биосферы, в своего рода природных резервуарах, которые еще называют депонирующими средами. Главные промежуточные резервуары мертвого органического вещества - это почва, поверхностные и подземные воды суши, океан, донные илы. Есть оно и в атмосфере, снеге, льдах и ледниках. Обновление запасов органического вещества по крайней. мере в главных его резервуарах (гумус, почвы, воды океана, подземные воды) идет в течение тысячелетий, а в донных осадках еще дольше. Вовлечение биогеохимической энергии в процессы большого геологического круговорота оказывается весьма незначительным. Так, ежегодное возобновление гумуса, по М.А.Кононовой и И.В.Александровой, оценивается в 1-2 млрд.т. Восстановление ресурсов мертвого органического вещества океана также происходит со скоростью около 1 млрд. т в год. Это примерно соответствует его массе, приносимой с суши. Однако оно в основном, вероятно, разлагается бактериями, а в резерв переходит органическое вещество океанических экосистем. Масштабы фоссилизации органического вещества в донных илах океана для голоцена Е.А.Романкевичем определены в 22 млн.т/год СОРГ. Эти цифры хорошо сопоставляются. Можно считать, что в состав горных пород переходит лишь n⋅0,01% от той энергии, которая связывается в биологической продукции. Ну, а в конечном итоге органическое вещество в рассеянном виде захороняется в горных породах или формирует его скопления - торф, горючие сланцы, каменный и бурый уголь, а также нефть и природный газ. Однако биогенное происхождение нефтегазовых залежей оспаривается сторонниками гипотезы неорганического их происхождения. Между тем, В.И.Вернадский твердо стоял на позиции биогенного происхождения нефти. Эта точка зрения лучше аргументирована. Так, И.Е.Лейфман, ссылаясь на результаты исследований, проведенных в разных странах, подчеркивает, что весьма значительная часть соединений нефти представлена сохранившимися или в разной степени трансформированными биомолекулами. Сохраняемая ими информация позволяет восстановить предысторию нефти от биомолекул, созданных водорослями, высшими растениями и другими организмами палеобиоценозов (источник органического вещества будущих нефтематеринских отложений), до процессов формирования вещества нефти в осадочных породах, приводящих к появлению этого уникального горючего ископаемого. 51

Обратимся однако к оценкам энергии, заключенной в мертвом органическом веществе биосферы (табл. 3) О чем говорят приведенные цифры? Всего в мертвом органическом веществе почвы, вод, ледников и донных осадков "захоронено" примерно на порядок больше энергии, чем в современной биомассе Земли. Факты не слишком большого превышения содержания энергии в мертвом органическом веществе по сравнению с ее наличием в планетарной биомассе, а также данные о медленной возобновляемости ресурсов мертвого органического вещества в его главных резервуарах - свидетельство быстрого потребления основной доли биогеохимической энергии, непосредственно в наземных и водных биогеоценозах. Перераспределение энергии органического вещества биосферы в горные породы в форме наиболее устойчивых по составу его составляющих оказывается значительным лишь в масштабе геологического времени. Так, в осадочных породах планеты его захоронено 11 800 000 млрд.т в пересчете на углерод (Будыко, Ронов, Яншин, 1985). Примем среднее содержание СОРГ. в глинисто-алевритовых породах за 0,75%, а в песчаных и карбонатных - по 0,2%. Тогда количество захороненной солнечной энергии только за счет присутствия органического вещества будет в глинисто-алевритовых породах 315 Дж/г, а в песчаниках, известняках и доломитах 88 Дж/г . Таблица 3. Запасы органического вещества (ОВ) и аккумулированной в нем энергии в важнейших природных резервуарах Природные резервуары Почвенная подстилка Почвенный гумус Почвенные воды Болотные воды Реки, озера, водохранилища Мировой океан Подземные воды Ледники и подземные льды Донные осадки океана Итого Биомасса Земли

ОВ, сухой вес, 109 т 202

Энергия, 1021 Дж 4,2

2846

59,8

66

1,4

46 4

1,0 0,8

3660 5000 51

76,9 105,0 1,1

445

9,3

12 320 1300

259,5 23

Рассеянное органическое вещество осадочных пород - это лишь одна из форм захоронения солнечной энергии в литосфере. Есть еще по крайней мере, два способа аккумуляции солнечной энергии в геологических телах стратисферы. Это захоронение ее в форме поверхностной энергии частиц. В глинах ее запас может составлять от 21 до 52

1068 Дж/г. Минимальное количество поверхностной энергии у каолинитовых, среднее у гидрослюдистых и максимальное у монтмориллонитовых глин. Зато каолинит содержит еще запасенную солнечную энергию в кристаллохимической решетке. Когда корни растений выделяют протоны водорода в почву, из нее взамен в них поступают катионы металлов, например, калия. Последний может вытеснятся водородом из решетки калишпата. В итоге такого биогеохимического выветривания образуется каолинит - минерал, который при наличии щелочи калия и кремнезема по экзотермической реакции перейдет в калишпат. Кристаллографы Н.В.Белов и В.И.Лебедев рассматривали каолинит как носитель законсервированной солнечной энергии в недра Земли. Идея о проникновении запасенной в осадочных горных породах солнечной энергии в недра Земли, где она расходуется на процессы их метаморфизма и переплавления, т.е. участвует в глубинной жизни планеты, принадлежит В.И.Вернадскому. Мы вернемся к ней ниже. Итак, энергетическая функция живого вещества выражается следующим образом: 1) транспирация; 2) поддержание затемненной с низким альбедо поверхности растительного покрова; 3) то же по отношению к поверхности акваторий благодаря удалению взвесей при биофильтрации; 4) продуцирование парниковых газов; 5) подавление запыления атмосферы наземной растительностью; 6) фотосинтез; 7) перераспределение с потоками вещества мертвого органической субстанции, а также аккумулированной в других формах биогеохимической энергии между биокосными телами; 8) депонирование в них, в особенности в литосфере в различных формах биогеохимической энергии. Газовая функция. Один из последователей В.И.Вернадского - геохимик А.А.Ярошевский утверждает, что точнее говорить о кислородной, а не газовой функции живого вещества, так как другие газы присутствуют в биосфере как производные дегазации мантии. Вряд ли можно с этим согласиться. Интересно проследить за ходом рассуждений самого В.И.Вернадского. Он отмечал, что "связь живых существ с тропосферой - благодаря дыханию и распадению после смерти на газы - А.Буссенго и И.Дюма в 1844 г. выразили в афоризме: "Жизнь может быть рассматриваема как придаток атмосферы. Из нее она получает главную часть своего вещества и в нее в виде газов возвращается подавляющая часть вещества организмов после ее смерти". (Вернадский, 1980, с.38-39). А далее следует блестящее озарение самого В.И.Вернадского: "Жизнь, несомненно, однако, больше, чем придаток атмосферы. Она активно меняет тропосферу, строит ее вещество, охватывает всю ее химию" (там же, с.39). Эти изменения, безусловно, гораздо шире и многообразнее, чем функция продуцирования кислорода. Однако сначала о ней. В современных условиях основной источник кислорода - фотосинтез автотрофных растений. Геохимические данные, как отмечалось ранее, свидетельствуют, что так и было на протяжении практически всей геологической истории. Однако есть и отличное мнение. По В.И.Бгатову, атмосферный кислород накапливается в основном за счет действия двух источников примерно одинаковой мощности. Первый из них - это фотосинтез, второй - подводный базальтоидный магматизм. Некоторое очень небольшое количество кислорода образуется при фотодиссации воды в атмосфере и ее радиолизе в литосфере. В обоснование новой точки зрения В.И.Бгатов указывает на то, что по содержанию свободного кислорода океанические воды близки к насыщению, а иногда в рифтовых зонах дна океана - и к пересыщению. В глубинных и промежуточных водах океана рас53

творено около 1013 т кислорода, тогда как в атмосфере он содержится в количестве 20,946% объемн., что примерно оценено в 120х1013 т. Главный аргумент В.И.Бгатова - несоответствие соотношения легкого (16О) и наиболее тяжелого (18О) изотопов кислорода в современной атмосфере и в непосредственно выделяемой их смеси при фотосинтезе. Кислород нашего воздуха на 2,3% тяжелее фотосинтетического. Между тем, с увеличением глубины в океане наблюдается прирост количества 18О. Использовав эти данные, В.И.Бгатов подсчитал, что кислород современной атмосферы может содержать 30% образованного при фотосинтезе и 70% выделившегося из глубин Земли через дно океана. Конечно, пока это только гипотеза и цифры, приводимые В.И.Бгатовым, могут еще сильно измениться. Пока же все балансовые расчеты строятся на сведениях о количестве захороненного в литосфере биогенного углерода. Так, уже отмечалось, что только в осадочной оболочке находится 11 800 000 млрд.т СОРГ. в рассеянной форме. Это свидетельствует о высвобождении при фото- и хемосинтезе 31 400 000 млрд. т О2, что в двадцать шесть раз больше массы современного кислорода атмосферы. Необходимо учесть, что в первично-осадочных породах гранитнометаморфического слоя находится еще очень большое количество биогенного углерода, соизмеримое с таковым в осадочной оболочке. Значит, большая часть кислорода, прошедшего через атмосферу, ныне захоронена в форме окислов и производных от них соединений, входящих в состав горных пород, как это и отмечают многие геохимики. Замечательно, что использование кислорода в окислительных процессах во многом связано с деятельностью, так называемых, литотрофных микроорганизмов. Одни представители живой природы снабжают кислородом воздух и воды биосферы, а другие фоссилизуют его. Возможно, это также полезная функция, ведь кислород не может накапливаться в атмосфере выше некоторой предельной концентрации, иначе горимость наземной растительности будет слишком высокой. Огромное влияние живое вещество оказывает на содержание в воздухе углекислого газа. Об этом уже частично упоминалось. Хочется добавить, что и углекислота, растворенная в океане, входит в состав, так называемой, карбонатной системы. Углекислотный резерв мировой акватории примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. Углекислота извлекается в основном организмами и от их деятельности зависит скорость накопления карбонатного материала в донных осадках. В основном "усилия" океанических экосистем направлены на поддержание стабильности карбонатной системы океана. Судя по палеогеохимическим данным, ее относительно стабильное состояние сохранялось едва ли не на протяжении всей геологической истории. Значит, и колебания содержания СО2 в воздухе не должны были быть слишком большие. Все же, согласно М.И.Будыко, А.Б.Ронову, А.Л.Яншину (1985), на протяжении по крайней мере последних 570 млн. лет изменения концентрации атмосферного СО2 имели место, причем в раннем карбоне углекислоты в воздухе было в 10 раз больше, чем в конце доиндустриального времени. Воздействие живого вещества на баланс азота в атмосфере не является слишком значительным, но без него нельзя себе представить современную биосферу. Азот является фактором жизнедеятельности для значительной группы микроорганизмов: клубеньковых бактерий, азотобактеров, актиномицетов, сине-зеленых водорослей. Усваивая молекулярный азот, они после отмирания и минерализации обеспечивают корни высших растений доступными формами этого элемента (Сытник и др., 1987). 54

О масштабах вовлечения азота в биологический круговорот можно судить по следующим цифрам. Из 2,9х1015 т атмосферного азота (78,084% объемн.) ежегодно в современных условиях 6,9 млрд.т азота связывается в первичной валовой продукции биоты на суше и, вероятно, 1,2 млрд.т в первичной чистой продукции океана. Таким образом, ежегодно в планетарной биоте аккумулируется немногим менее 0,0003% массы азота воздуха. Для сравнения укажем: только на суше ежегодно в валовой первичной продукции биоты связывается 13% углекислого газа атмосферы. Несмотря на столь относительно скромное потребление азота планетарной биотой, она оказывает заметное влияние на баланс газов-примесей в атмосфере. При биологической деструкции опада и других органических остатков в почве образуется аммиак, который довольно быстро нитрофицируется микроорганизмами до нитритов и нитратов, а также побочного продукта нитрификации N2О. Следующей стадией является биологическое или химическое восстановление нитритов и нитратов, т.е. их денитрификация. В результате возникает целый спектр газов, в числе которых присутствует N2O, NO и N2 . Биологический механизм играет главную, но не единственную роль в снабжении атмосферы окислами азота и возвращении в нее молекулярного азота. Окислы азота возникают также под воздействием грозовых разрядов и при пожарах, в том числе подземных. Из-за нарушения цикла азота человеком концентрация N2O в атмосфере в начале 1990-х годов достигла 310 частей на млрд. Прирост происходит со скоростью 2 части на млрд. в год. Скорость поступления NОX в атмосферу порядка 40 млн.т в год. Какова же судьба окислов азота? Часть из них вымывается из нижних слоев атмосферы снова на земную поверхность, а другая, поднимаясь в стратосферу, распадается, участвуя в реакциях разрушения озона по азотному циклу. Микроорганизмы постоянно подпитывают атмосферу такими газами как водород и метан. Оба, кроме того, попадают в воздух из глубин Земли, в частности, при вулканизме. Водород, как известно, является газом, который диссипирует в мировое пространство, а оттуда может поступать в газовую оболочку Земли с солнечным ветром. Метан продуцируется в анаэробных условиях в почвах, илах и торфяниках метанообразующими бактериями, которые используют для этого СО2. Например, на рисовых чеках при температуре 30ОС образуется за сутки от 0,07 до 0,2 г СН4 в 100 г почвы в пересчете на сухое вещество. Огромное количество метана выделяют животные, перерабатывающие клетчатку. При процессах кишечной ферментации одна овца или коза выделяет 15 г/сутки этого газа, а лошадь или корова 100-200 г/сутки. Термиты - одни из главных продуцентов газа-утеплителя. В.Е.Зайденварг и А.Т.Айруни приводят такие оценки эмиссии СН4 из биогенных источников (млн.т): - болота, тундры, торфяники, топи, илы - 110-130; - рисовые поля - 110-115; - термиты - 40-50; - домашние животные - 60-100; - океан и пресные воды 14-40; - дикие животные - 3-4; - брожение и гниение твердых и жидких отходов - 25-70. Метан и другие углеводороды выделяются также из глубинных источников как из природных (вулканы, гейзеры, фумаролы, разломы, так и из природно-антропогенных 55

(разработка метаноносных, угольных и прочих месторождений). Небиогенные источники дают не более 5-10% от общих выбросов. Содержание метана в атмосфере в начале 1990-х гг. достигло почти 1,75 частей на млн. Ежегодный прирост массы 40-70 млн. т при выбросе порядка 550 млн.т. Принципиально по иному влияют на газовый состав атмосферы высшие растения. Леса выполняют важнейшую работу по сохранению высокого качества воздуха. Кислород, вырабатываемый ими, отличается от продуцируемого планктоном морей и океанов. Первый насыщен ионами отрицательного заряда, благоприятно влияющими на организм людей. Леса не только обогащают атмосферу кислородом, но и очищают ее от пыли. Но об этом подробнее в посвященной им главе 10. В 1928 г. россиянин Б.П.Токин открыл фитонциды - различные биологически активные органические соединения, выделяемые высшими растениями. Последние обладают бактерицидными и протистоцидными свойствами; играют важную роль в иммунитете растений и взаимоотношениях организмов в биоценозах. Большие количества летучих фракций фитонцидов выделяются в атмосферу в лесу: в лиственном около 2 кг с каждого га в год, в сосновом около 5. Можжевеловые насаждения продуцируют до 30 кг. В одном кубометре лесного воздуха содержится не более 500 патогенных бактерий, тогда как в городе почти на два порядка больше. Многие фитонциды вредны для одних организмов, но полезны или даже необходимы для других. Многообразие газовой функции живого вещества неоспоримо, хотя в ее познании еще существует много “белых пятен". Однако нет сомнений в том, что атмосфера, наш воздух - это, как говорил В.И.Вернадский, "создание жизни". Конечно же, он имел в виду огромное значение организмов как фактора, контролирующего состав и физические свойства атмосферы. Почвенно-элювиальная функция. Заслуга выделения почвы как самостоятельного природного тела, ярко запечатляющего в себе взаимодействие живой и неживой (косной) материи, принадлежит В.В.Докучаеву. Его ученик В.И.Вернадский относил почву к числу именно таких сложных систем, которые называл биокосными. Современное почвоведение причисляет к почвам широкий ряд поверхностных образований, начиная от биогенных торфяников болот и тучных черноземов степей с одной стороны, и кончая каменистыми развалами, дресвяниками и песками районов с экстремально жаркими или холодными условиями. Для понимания общих особенностей преобразующей роли организмов в пределах литосферы удобно использовать понятие "кора выветривания", которое часто употреблял В.И.Вернадский. По этому поводу в его работе находим: "Под почвами и подпочвами в биосфере лежат горные породы, которые резко различаются по своему генезису в разных участках биосферы. Нередко верхнюю покрышку суши, в которую входят почвы, подпочвы, живое вещество и верхние части подстилающих пород, называют корой выветривания. Это понятие удобно сохранить, так как эта область явлений механически и физически резко отграничивается от лежащих ниже ее "свежих" нетронутых горных пород и обладает рыхлой или легко проницаемой для воды и газов структурой" (Вернадский, 1987, с. 68). С изложенным подходом в принципе согласуются воззрения как раз тех почвоведов, которым пришлось столкнуться с одновременным изучением почв и кор выветривания. В.М.Фридланд, занимавшийся изучением поверхностных почвенно-элювиальных образований влажных тропиков отмечал, что почва, представляя собой самостоятельное природное тело, в то же время может рассматриваться как верхняя часть коры выветри56

вания, специфической особенностью которой является активное участие в биологическом крувороте веществ. Почвенно-элювиальный чехол всюду, где в его формировании принимают активное участие высшие растения, представляет собой важный резервуар мертвого органического вещества, в первую очередь гумуса, а также тонкодисперсного глинистого материала, залегающего вместе с более грубыми частицами. Наиболее благоприятные условия для накопления гумуса в почве имеются в областях с достаточным, но переменным в течении года увлажнением и значительными термическими ресурсами. Черные почвы переменновлажных тропиков и субтропиков, а также черноземы степей и лесостепей умеренного пояса содержат соответственно 300 и 500 т/га гумуса в верхнем метровом слое. Мало гумуса (40 т/га) в пустынных сероземах. В почвенном гумусе аккумулируется ряд важных питательных веществ, используемых растениями. Кроме того, он выполняет роль стимулятора их роста. Разложение гумусовых веществ - процесс длительный, протекающий с участием многих видов микроорганизмов. Глинистое вещество, накапливающееся в профиле коры выветривания, преимущественно в верхней ее части, активизирует микробиологические процессы и тем самым способствует образованию гумуса. Наряду с этим, глинистые частички служат хорошими адсорбентами, препятствующими вымыванию гумусовых веществ. Ежегодно в почвах мира возобновляется 1-2 млрд. т гумуса в пересчете на углерод. Эта не слишком много, если учесть, что его общие запасы ( в углероде) ныне не должны быть меньше 1400 млрд. т. Время возобновления гумуса в среднем оценивается в 1000 лет. Наличие в почвенном слое больших запасов органического вещества в виде подстилки и гумуса - причина сосредоточения в нем разнообразных. организмов. "Одних обитателей увидеть несложно. Это дождевые черви, многоножки, личинки насекомых, мелкие клещи, бескрылые насекомые. В тончайших клетках воды, которые обволакивают почвенные частицы, снуют коловратки, жгутиконосцы, ползают амебы , извиваются круглые черви. Другой мир недоступен невооруженному глазу. Но в тайны его проникают с помощью микроскопа. Именно благодаря ему мы знакомимся с микроорганизмами - невидимыми тружениками, проделывающими титаническую работу", - пишут М.С.Гиляров и Д.А.Криволуцкий (1985, с.3). Далее они указывают на наличие третьего живого "компонента" почвы - корни высших растений. Почвенные организмы перераспределяют органическое вещество вглубь, вырабатывают более стойкие его модификации, создают фонд минерального питания растений, преобразуют и поддерживают рыхло-пористую водоемкую структуру почвы. Беспрецедентную по своим масштабам и значению работу проводят дождевые черви. Под Москвой, например, на поле многолетних трав в дерновосреднеподзолистой почве содержится 180 червей на каждый квадратный метр. В этих условиях ежегодно черви образуют около 53 т на гектар копролитов в пересчете на сухой вес. Копролиты представляют собой высокопрочные органо-минеральные агрегаты, склеенные слизистыми выделениями из стенок кишечника червей. Эти удивительные зоогенные образования обладают высокой стойкостью к размыву и, будучи достаточно крупными, слагают устойчивую к выдуванию, т.е. к дефляции фракцию почвы. Одновремено они ценны как питательный субстрат, ибо зерна минералов материнских почвообразующих пород могут разрушаться, проходя через кишечник червей. 57

Благодаря этому в копролитах бывает больше растворимых фосфора, калия, магния, чем в почвенных частицах иного генезиса. Если обилие органического вещества в почве создает предпосылки для формирования неповторимых ее свойств, связанных с деятельностью самых различных представителей почвенной биоты, то вынос в составе инфильтрационных вод биогенных веществ во многом является причиной развития микробной жизни в подпочвенной части коры выветривания. Геохимические особенности и мощность покрова коры выветривания суши хорошо увязывается с особенностями зональной структуры ее ландшафтов. Наиболее мощные фераллитные и аллитные коры выветривания (латериты) приурочены к влажным тропикам и возникают только на хорошо дренируемых приподнятых массивах. Там же, где дренаж хуже, развивается сиаллитная каолинитовая кора выветривания. Ранее указывалось на то, что в образовании чехла глинистой коры выветривания активно участвует высшая растительность. Однако, быть может еще большее значение в процессах корообразования имеют микроорганизмы. Исследования Ю.Ю.Бугельского показали, в частности, что в глинистых корах выветривания широко распространены тионовые и нитрофицирующие бактерии, использующие для питания восстановленные соединения серы и азота. Тионовые бактерии добывают пищу преимущественно в самих горных породах, тогда как органические соединения азота поступают с поверхности вследствие инфильтрации поверхностных вод. Жизнедеятельность бактерий - причина понижения кислотности подземных вод от рН = 3,0-4.7 до 2,4. Это делает биогеохимическое выветривание чрезвычайно интенсивным. И все же скорость образования площадной глинистой коры выветривания достаточно мала: 0,02-0,03 мм/год. Для линейных кор выветривания она может быть несколько больше. Возраст открытой, т.е. залегающей на поверхности и продолжающей формироваться площадной коры выветривания в жарком поясе может достигать миллионов лет. При резком дефиците влаги в жарких пустынях в результате капиллярного поднятия богатых кремнием вод возникают кремнистые аккумулятивные коры - силькреты. При несколько лучшем увлажнении в полупустынях, в сухой саванне формируются аккумулятивные карбонатные коры - каличе. В аридных и семиаридных условиях возникают часто также гипсовые коры - гажа. Отсутствие промывного режима, низкое содержание в подземных водах биогенных веществ, а также высокая минерализация самих вод служат непреодолимым барьером для сколько-нибудь значительного развития биогеохимического выветривания в аридных зонах. С переходом из областей с жарким влажным климатом в умеренный пояс и далее в холодный наблюдается сокращение масштабов биогеохимического выветривания и наращивание интенсивности физического, в том числе морозного разрушения горных пород. Происходит как бы наложение зон биогеохимического и физического выветривания одна на другую, а в особенно суровых условиях и практически полное вытеснение первого вторым. Почвенно-элювиальный чехол непрерывно разрушается и возобновляется. Процессы движения грунтовых масс, смыв и удаление ветром (механическая денудация) действуют интенсивно в районах, где земная поверхность слабо защищена растительностью. Однако там, где почвенно-элювиальный чехол хорошо предохраняется ею от непосредственного воздействия ветра, дождя и струй воды, а также от чрезмерных колебаний 58

температуры и влажности, обычно механическая денудация оказывается подавлена и снос в большей мере происходит в форме выноса растворенных соединений (биогеохимическая денудация). Даже в условиях горного рельефа биогеохимическая денудация протекает медленно. Цифры, которыми характеризуется полный снос (механический и геохимический) во влажных тропиках таковы: для равнин 0,4-0,5 т/га⋅год, для гор 1,8-2,0 т/га⋅год. Это не идет ни в какое сравнение с эрозией окультуренных почв в тропиках, измеряемой десятками, иногда сотнями т/га⋅год. Смыв, стимулированный человеком, обеспечивается огромным количеством осадков (2000 мм в год и более) и обычной для стран с гумидным жарким климатом невысокой противоэрозионной устойчивостью почв. Почвенно-элювиальная функция живого вещества как бы переплетается с действием деструкционных сил Земли, причем не только внешних - экзогенных (колебания температур и влажности, промерзание и протаивание, пучение и просадки, промывание и выщелачивание, капиллярное подтягивание влаги к поверхности и засоление, дефлюкция, солифлюкция, десерпция и другие виды движения масс под уклон), но и внутренних сил. С их проявлением связаны возникновение трещин отдельности горных пород, поступление обломочного материала на поверхность коры выветривания при вулканических извержениях, сейсмогравитационные подвижки поверхностных масс. И все же главная роль в создании почвенно-элювиального чехла принадлежит биоте. Биогеохимическим путем создается основная масса глинистого вещества и, как следствие этого, в составе осадочной оболочки Земли преобладают глинистые породы. Будучи первым звеном в биогеохимической переработке литосферы, почвенноэлювиальный слой оказывается не только главным базисом биоценозов суши, но и являет собой важнейшую составляющую механизма преобразования трех внешних геосфер. В нем происходит связывание в осадочном материале солнечной энергии и дифференциация некоторых важнейших элементов литосферы. С геохимическим стоком выносятся K, Na, Mg, Сa, Fe, Mn и происходит остаточное накопление Al, Si, O, H в коре выветривания, на что указывал еще В.М.Синицин. Почвенно-элювиальный чехол служит также одним из важнейших резервуаров и восстановителей качества природных вод. Водоочистная функция. Живое вещество прямо и косвенно участвует в воссоздании качества водных ресурсов Земли. Деятельность животных-гидробионтов, называемая биофильтрацией, имеет планетарное значение. На это обратил внимание А.П.Лисицин. По его данным, в течение года океанический зоопланктон отфильтровывает от взвесей 18 млн. кубокилометров воды. Видимо, это минимальная оценка. А.В.Лапо (1987) полагает, что весь Мировой океан профильтровывается зоопланктоном всего за полгода. Это конечно требует специальных доказательств. В чем заключается механизм биофильтрации? Проходя сквозь пищевой канал биофильтратора, взвесь, имеющая размерность глинистой и илистой фракции (0,3-0,5 мкм) связывается в пеллеты - пищевые комки алеврито-песчаной размерности, иногда до 2-3 мм. В итоге агрегированные более тяжелые терригенные частицы быстро осаждаются на дно. Скорость их нисходящего движения колеблется от 50 до 950 м в сутки вместо 1,5-2 см за то же время у глинистых и илистых частичек. 3оопланктон фильтрует в основном верхний слой воды до глубины в 500 м. При прохождении через водную толщу пеллеты повторно многократно используются в качестве пищи более глубоководными организмами, в том числе активно плавающими, т.е. относящимися к группе нектона. Довершают работу по водоочистке донные орга59

низмы. Согласно А.В.Лапо (1987), все мидии Черного моря профильтровывают объем воды этой акватории за 1 год и 5 месяцев. Может возникнуть вопрос, а не уничтожается ли при формировании пеллет поверхностная энергия высокодисперсных частиц? Нет, поскольку гранулометрическое исследование глин и глинисто-алевритовых накоплений водоемов показывает присутствие не комков, а преимущественно исходных тонких частиц. Следовательно, переход в крупнообломочное состояние при биофильтрации - явление эфемерное, положительно влияющее на качество воды. Очевидно, органические пленки, склеивающие частички, быстро уничтожаются микрорганизмами уже при начальном диагенезе осадков. Однако биофильтрация не является единственным механизмом выпадения тонких частиц в океане и морях. Частицы, имеющие размер глинистой фракции и близкий к тому (2-5 мкм) могут быстро оседать на дно вследствие коагуляции при смешении речной и морской воды. Из зоны контакта река - море, осадочный материал затем может неоднократно переотлагаться при перемещении на шельф, материковый склон и даже в абиссальную зону. В менее явной форме водоочистная функция живого вещества проявляется на суше. Здесь, как известно, огромную роль играет наличие сомкнутого растительного покрова, а точнее действие системы растительность - почва - рыхлый подпочвенный субстрат. Не каждый, по-видимому, знает, что самая чистая от солей и других примесей вода приходит к нам не с дождем, а из водоносных горизонтов. Под землей находится лучшая природная "лаборатория" по очистке вод. Ей не уступают лишь уникальные водные объекты, например, вода оз.Байкал. Состояние последнего, как мы знаем, зависит от режима работы рачка эпишуры, профильтровывающего байкальскую воду, и от структурно-литологического положения водоема в пределах активно развивающейся рифтовой впадины, заложившейся в кристаллических породах. Немаловажную роль играет и высокая облесенность водосборов бассейнов рек, текущих в Байкал. Когда гидролог Г.В.Лопатин проанализировал роль различных природных факторов в формировании мутности рек, то он констатировал, что не почвенно-геологические условия (устойчивость грунтов по отношению к размыву) и не геоморфологические условия (крутизна склонов и глубина расчлененности), а прежде всего состояние растительного покрова оказывает решающее влияние на формирование твердого стока рек. Полностью согласен с таким выводом Л.Г.Бондарев, справедливо утверждающий что, лес резко ослабляет механическую денудацию суши. Однако дело не только в чисто буферной функции лесной и, сомкнутой травянистой растительности, которые гасят ударную силу дождевых капель и блокируют размывающий эффект растекающихся по поверхности мелких струй. Важно также, что на защищенных растительностью водосборах задержка поверхностного стока сочетается с его переводом в подповерхностный и более глубокий подземный сток. Это ведет в свою очередь к тому, что вода попадает в "тиски" созданных природой физикомеханических, химических и биологических фильтров, коими являются почвенный покров, водопроницаемые, в первую очередь, рыхлые горные породы и подземные микроорганизмы. Судить о том, как сильно меняются качества верховодки, проходящей лишь через небольшие полосы лесных насаждений, можно по следующим примерам. В равнинных условиях полоса леса шириной в 30 м почти полностью задерживает продукты твердого стока, поступающие с безлесного пахотного склона длиной 190 м и крутизной ЗО. 60

Так, если на пашне мутность потока составляла 14-19 мг/л, то ниже указанной лесной полосы она падала до 0,08-0,12 мг/л. У воды, прошедшей через лесные насаждения, уменьшается мутность и цветность, увеличивается прозрачность, улучшается вкус и запах Содержание нитратного и аммиачного азота в водах, прошедших через лесные насаждения, уменьшается на 25-60%. Лесные насаждения очищают поверхностные воды от пестицидов. Концентрация гексахлорана в воде, прошедшей через лесные насаждения, уменьшается в среднем на 80%, хлорофоса - на 50%. Наибольшим очистительным эффектом обладают сосновые и кленово-липовые ассоциации. Велика разница в бактериальном эагрязнении воды, дренирующей лесные и нелесные земли, например, пастбища. В 1 л воды, поступающей в водохранилища с выгона обнаружено 920 кишечных палочек (коли-индекс), тогда как вода из сосновых насаждений их содержала в 18 раз, а из смешанного дубового леса в 23 раза меньше (Побединский, 1979). Количество кишечных палочек (бактерий) в воде, проходящей через лесную полосу шириной в 30-45 м в 2-2,5 раза меньше, чем в стекающей с открытых площадей. Водоочистная функция ненарушенных высокопродуктивных ландшафтов давно известна и успешно используется в практике. Водорегулирующая функция. Эффект водорегулирования заключается в том, что система растительный покров - почва - подпочвенный грунт представляет собой единый емкий резервуар влаги. Через поверхностный, но главным образом, подземный сток из этого коллектора влаги подпитываются ручьи, реки и другие водные объекты. Поэтому на реках лесных территорий паводки ниже и более растянуты, чем в безлесных районах с таким же количеством осадков. Зато в сухие периоды водность рек лесных районов всегда больше. Зимой на лесных землях скапливается больше снега, чем на безлесных. Объясняется это тем, что незащищенные от ветра снежные массы чаще сдуваются, поднимаются в воздух и сублимируют. Кроме того, летом наличие нагретых и сухих воздушных масс над открытой обширной территорией служит определенным противодействием для выпадения осадков. Насыщенные влагой воздушные потоки могут как бы рассасываться в нагретом и сухом воздухе. Поэтому, несмотря на значительные потери влаги на транспирацию, речной сток с залесенной площади может нередко быть выше, чем с открытой. Например, многолетние наблюдения в бассейне р. Кокшага (левый приток Волги) показали, что сток с залесенных водосборов был на 89 м3/га⋅год больше, чем с выгоревших. Специалисты полагают, что с увеличением лесистости бассейнов рек на каждые 10% средний годовой слой стока с них увеличивается на 10-15 мм.

61

Однако так бывает не всегда. Если потеря лесистости не ведет к уменьшению осадков и запасов влаги на водосборах, то наблюдается обратная картина, ибо функционирование лесных ландшафтов связано со значительными затратами влаги на транспирацию и сопутствующее ей испарение с крон деревьев. Например, во влажных тропиках потери стока за счет перехвата осадков пологом леса и транспирации в сумме имеют Рис. 1. Динамика транспирации и порядок несколько мм в сутки. физического испарения при восста- Характерное время возвращеновлении лесов через хвойные (А) и ния воды при перехвате осадлиственные (Б) породы после сплош- ков пологом леса составляет ных рубок в подзоне южной тайги Ев- несколько часов, а характерное ропейской территории России Ход время возвращения воды из почвы имеет порядок месяца. Согласно А.Н.Кренке и А.Н.Золотокрылину, 10-20% от суммы осадков возвращается в атмосферу в виде испарения с почвы, остальные 80-90% транспирируются растительностью или же испаряются с зеленого полога леса. Лесная и луговая растительность выступает в виде наиболее совершенного природного насоса. Учитывая быстроту, с какой леса возвращают влагу в атмосферу, и одновременно их водоаккумулирующий эффект в течение года, можно говорить, что высокая залесенность территории - надежная гарантия достаточно регулярного снабжения ее осадками в вегетационный период. Такого мнения придерживались В.В.Докучаев, В.Р.Вильямс и ряд других ученых, указывая на необходимость сохранения лесов во всех зонах, где они произрастают. Они призывали к широким лесомлиоративным мероприятиям там, где леса были сведены в чрезмерных масштабах. Для понимания особенностей водорегулирующей функции леса большое значение имеет вывод О.И.Крестовского (1986) о том, что составляющие суммарного испарения подчиняются физиологическим фазам развития лесов. На примере лесов южной подзоны тайги он установил, что при сплошной рубке леса транспирационная составляющая испарения почти перестает действовать и в этот момент суммарное испарение снижается на 20-40% по сравнению с тем, какое имеет место в спелых лесах (рис. 1). Происходит увеличение речного стока. Однако рубки, как известно, ухудшают режим стока. В межень реки сильно мелеют и несут меньше воды, чем до сведения леса, несмотря на практически полную ликвидацию его насосной функции. При восстановлении лесов лишь в первые 20 лет с занятых ими водосборов испаряется меньше влаги, чем с участков со зрелым лесом 100-летнего возраста. Затем масса и прирост леса становятся таковыми, что воды в атмосферу уходит больше, чем на участках со 100-летним лесом, особенно в период от 20 до 50 лет, когда величина транспирации непрерывно увеличивается, а сток снижается. После 50 лет роста наблюдается плавное снижение масштабов транспирации, которое прослеживается во все стадии развития леса вплоть до 160-летнего возраста. Данных наблюдений над более старым лесом О.И.Крестовский не приводит. Помимо всего, им было подтверждено, что амплитуда масштабов транспирации в зависимости от возраста у лиственных лесов больше, чем у хвойных. Это согласуется с цифрами удельного расхода воды различными породами деревьев на создание фито62

массы. Так, еловые насаждения испаряют всего 85 куб. м, сосновые - 190, осиновые 450 и березовые - 500 куб. м при создании 1 т органического вещества (Крестовский, 1986). Насосная функция растений может ослабляться или усиливаться в зависимости от условий внешней среды. Открытием чрезвычайной важности было установление антитранспирационного эффекта СО2. Этому явлению, которое несомненно должно иметь как положительные, так и серьезные теневые стороны, пока уделяется слишком мало внимания. Опыты с пшеницей и кукурузой показали, что при повышении концентрации СО2 с 300 до 600 частей на млн. транспирация у этих культур снижалась соответственно на 5 и 20%. Оказалось также, что по увеличению эффективности использования воды в условиях дополнительной подкормки углекислотой кукуруза превосходит хлопчатник. С помощью специальной аппаратуры была установлена причина указанного явления. Оказалось, что рост концентрации СО2 в воздухе вызывает снижение устьичной проводимости и повышает эффективность использования воды у всех растений, подвергающихся опытам (рис.2). Устьица - это маленькие отверстия на поверхности листьев, обычно около 10 мкм длиной и от 2 до 7 мкм шириной. Через них растения осуществляют газообмен с атмосферой. Пока еще трудно сказать, как мемгCO2/1гH2O няется водорегулирующая функция живого вещества суши в условиях современного стремительного увеличения содержания атмосферного СО2 . Однако ясно, что роль его в этом процессе в целом велика и что оно весьма активно посредством водорегулирующей функции участвует в круговороте воды. Это отмечено В.И.Вернадским. “Можно скаРис.2. Изменение эффективно- зать, что весь растительный покров сти использования (мгCO2/1гH2O) геохор (природных зон - С.Г.) закопри различных концентрациях номерно связан прежде всего с атмосферного CO2 Science. 1983. влажностью воздуха, с газообразным V. 220. N 4595. P. 428. и жидким состоянием молекул воды, с парами и каплями. Растительность своими корнями высасывает воду из подземных частей почвы и подпочвы, понижает уровень грунтовых вод и играет основную роль в круговороте воды нашей планеты. Трудно исчислить следствие из этого явления первостепенного значения в истории планеты (Вернадский, 1987, с. 230). Концентрационная функция. Под ней Владимир Иванович подразумевал способность организмов к избирательному выбору из окружающей среды определенных химических элементов, которые благодаря этому накапливаются в живом веществе. Концентрация элементов происходит по ряду причин, но чаще в связи с физиологическими потребностями организмов, или вследствие сильного роста содержания какого-либо вещества в окружающей среде, что и приводит к его биогенному извлечению. Второй механизм может быть полезным или, наоборот, вредным для человека. С одной стороны, организмы извлекают из окружающей среды многие загрязняющие вещества и тем самым улучшают ее состояние. Так, из воздуха растения поглощают многие загрязняющие его газы (фтористый водород, двуокись серы, хлор, двуокись азота, озон, 63

окись углерода и др.). В частности, растения обладают способностью довольно существенно понижать содержание SО2 в воздухе. Другой пример биогенной концентрации - создание известкового скелета многими организмами. В этом случае содержание кальция и углерода, входящих в СаСО3 скелета, оказывается значительно выше, чем в окружающей среде, как наземной, так и водной. Способность извлекать различные ингредиенты из весьма разбавленных растворов и накапливать в биомассе в концентрированной форме также свойственна для живого вещества. Организмы заимствуют из водной среды углекислые соли кальция, магния и стронция, кремнезем, фосфаты, йод, фтор и другие компоненты. Их работа носит избирательный характер. Так, в морской воде содержание магния достигает 1350 мг/л, кальция - 400, а кремния - единицы миллиграммов. Все же гидробионты строят свой скелет преимущественно из соединений кальция и кремния, а не магния. От степени солености морской воды в то же время в значительной мере зависит интенсивность концентрации в организмах микроэлементов (Лапо, 1987). Минеральные образования, которые обособляются в организмах, называют биоминералами. Таковы, например, некоторые минеральные включения в тканях высших растений. К числу их относят фитолиты кремния в хвое деревьев. Это тончайшие, размером в микрон, частички кремнезема. В клетках некоторых бактерий присутствует элементарная сера. Коралловые постройки сложены в основном кальцитом. В продуктах жизнедеятельности некоторых видов микроорганизмов по сравнению с окружающей средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа в 650 000 раз, ванадия - в 420 000 раз, серебра - в 240 000 раз. Эту особенность живого вещества, ведущую к образованию залежей многих полезных ископаемых, образно охарактеризовал А.В.Хабаков: “Бактерии не самовластные творцы месторождений, а их природные технологи-обогатители” (Лапо, 1987, с. 117). По Р.А.Амосову и С.Л.Васину (1995), все химические элементы по их значению для микроорганизмов делятся на три группы: 1) существенные для питания и жизни клеток (Mg, K, P, Mn, Zn, S…); 2) несущественные, но обычно используемые в функциях клеток (Ca, Na, Cl…); 3) токсичные (Hg, As, Cd, Pb, Ag, Bi…). Рассматривая различные формы биогенного золота, эти авторы пишут: “Биохимическое значение золота для микроорганизмов не выяснено. Судя по разнообразию биоформ в золотых микрофоссилиях, золотая литификация, точнее золотая металлофильность не является свойством определенных биологических видов, а скорее приобретается ими вследствие мутаций (с. 75). И далее: “…можно предполагать, что именно избыточная концентрация токсичной ртути вызывает появление “золотолюбивых” штаммов, которые покрываясь золотым чехлом, защищаются от проникновения ртути в клетку”. Интересное объяснение. Выступая в качестве санитаров в окружающей среде, организмы сами могут становиться для человека опасными источниками токсичных веществ. Это происходит в особенности тогда, когда при передаче по ступенькам трофической пирамиды поллютантов, их концентрация в биомассе быстро растет. Увеличение содержания загрязняющего вещества в каком-либо звене трофической цепи по сравнению с концентрацией в окружающей среде называется коэффициентом накопления. Например, по К.К.Врочинскому, коэффициент накопления ДДТ для фитопланктона может достигать 8000, для планктоноядных рыб - 40 200, для хищных рыб - 134 500, для чаек 2 510 000. В переводе на фактические концентрации это означает, что при содержании ДДТ в воде, равном 0,02 мг/л, в тканях хищных рыб его было бы 2,7 г на килограмм сырого веса. 64

Можно утверждать, что и при биофильтрации гидробионты выступают в качестве концентраторов осадочного материала. Ведь огромные количества пеллет превращаются в те самые осадочные толщи, которые окаймляют подводные окраины континентов и в конце концов заполняют отрицательные тектонические структуры переходных зон континент - океан, иначе называемых современными геосинклинальными поясами. В конечном итоге осадочная призма геосинклиналей в основном оказывается сложена продуктами, испытавшими биогенное воздействие, причем в некоторых случаях многократное. Таковы карбонатные и кремнистые осадочные породы, таковы глинистые и большая часть песчаных пород. Лишь соленосные - эвапоритовые пласты нельзя поставить в этот же ряд. Транспортная функция. В 1889 г. с берегов Северной Африки через Красное море в Аравию перелетела гигантская туча саранчи. Движение насекомых длилось целый день, а их масса составила 44 млн. т. Этот факт В.И.Вернадский расценивал как свидетельство огромной силы живого вещества, выражение давления жизни, стремящейся к захвату всей Земли. Одновременно он видел в этом биогеохимичесикй процесс - миграцию элементов, входящих в биомассу саранчи, миграцию совершенно особую - по воздуху, на большие расстояния, не согласующуюся с обычным режимом перемещения воздушных масс в атмосфере. Можно говорить о двух видах транспортной функции биоты. Случай с “тучей” саранчи - пример активного транспорта вещества в зоомассе перемещающихся животных. Активный транспорт с зоомассой по воздуху называют анадромным переносом. Приближенные подсчеты общего веса мошки и комаров, перелетающих с низинных участков в леса на возвышенных территориях, в переводе на микроэлементы обнаруживает интереснейшую закономерность. Оказывается, что анадромный перенос примерно компенсирует потерю микроэлементов в результате выноса их со стоком. Другим видом транспортной функции можно считать пассивное передвижение биомассы с потоками воздуха, воды или грунтовых масс. Например, в степях и полупустынях перенос больших масс отмерших трав (кермек, качим и др.) в форме перекати-поле. При созревании семян хорошо разветвленные и изогнутые кустистые растения отламываются у корня, и шароподобные массы сухой травы катятся на многие километры, движимые ветром. Происходит разнос семян, а большие массы мертвого органического вещества скапливаются в понижениях, в руслах рек, в каналах, от чего может сильно ухудшаться качество воды в них. Крупные потоки биогенных веществ возникают при ветровом разносе пыльцы. С речным стоком каждый год переносится громадное количество растительного детрита и организмов. Однако оценки такой миграции, как и биогенного транспорта в целом отсутствуют. Деструктивная функция. Биогенная деструкция, т.е. способность организмов к разложению вещества в процесса жизнедеятельности, во многих случаях как бы выступает составляющей других, уже рассмотренных экологических функций живого вещества. Например, при разрушении органического вещества микроорганизмами выделяются различные газы (СН4, Н2S, NХO и др.), т.е. осуществляется газовая функция. Гифы лишайников расчленяют первичные минералы при проникновении в них по плоскостям спаянности на глубину 1-2 мм. Так начинается биофизическая дезинтеграция плотных пород. Распространяются по трещинам корни высших растений. При этом давление, оказываемое корнями на вмещающие образования, может достигать 10-15 кг/cм2. Такое нарушение плотного подпочвенного субстрата - одно из выражений почвенно-элювиальной функции биоты. 65

Однако существуют такие ситуации, когда организмы действуют как факторы деструкции в чистом виде. Например, на карбонатных породах в водоемах встречаются сверлящие цианобактерии и водоросли, которые выполняют важную функцию по возвращению в биологический круговорот не только кальция, а также магния и фосфора (Лапо, 1987). Большую роль в разрушении грубообломочных наносов играет микробиологическое выветривание, происходящее в субаквальных условиях. Глыбы, валуны, галька окатываются и истираются гораздо быстрее, когда из слагающих их минералов микроорганизмы извлекают кремнезем. В современных условиях деструктивная функция микроорганизмов часто становится причиной большого экономического ущерба. Например, там, где в грунтовых водах содержатся соединения аммония, деятельность нитрифицирующих бактерий может привести к разрушению стен и фундаментов сооружений. Всюду, где в воду из донных илов поступает сероводород, тионовые бактерии разлагают подводные части конструкций из бетона. Дело в том, что эти деструкторы окисляют упомянутый газ и образующаяся в конечном итоге серная кислота растворяет бетон. Специфическую работу выполняют микроорганизмы внутри осадочной оболочки Земли. Здесь в анаэробных, а вблизи поверхности и в аэробных условиях их деятельность может приводить к разрушению месторождений горючих ископаемых, серы и сульфидных руд. 3.4. Выводы. Иногда говорят о существовании особой средообразующей функции живого вещества. “Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но и которая приспособлена к нему”, - писал В.И.Вернадский (1980, с. 22). Разработки его и других исследователей показывают, что все экологические функции планетарной биоты так или иначе “работают” на поддержание условий, оптимальных для биоценозов. Поэтому говорить об отдельной средообразующей функции организмов вряд ли правильно, сохранение определенных условий окружающей среды, пригодных для организмов, - это явление более широкое, чем какая-либо одна их экологическая функция. О нем и пойдет речь в следующей главе. “На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом” - писал В.И.Вернадский в 1926 г. Этими словами можно было бы закончить главу. Добавим только следующее. Биологическое движение материи меняет, а точнее организует как химические, так и физические процессы, и это все вместе взятое - есть динамика биосферы.

66

Часть 2. АНТРОПОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БИОСФЕРЫ 5. Городская среда 5.1.Общие сведения. Если деятельность человечества справедливо считают важнейшим фактором в преобразовании биосферы, то среди антропогенных воздействий на нее разрастание и функционирование городов смело можно поставить на первое место по мощности. Городская среда - это пространство, в котором постоянно живет немногим более половины человечества, а почти все остальные жители Земли посещают города в качестве визитеров. Между тем, города вряд ли занимают более сотой части площади всех стран мира. Поэтому они являются своеобразными горячими точками на поверхности планеты, хотя бы потому, что на урбанизированных территориях расходуется основная доля вырабатываемой человеком энергии и осуществляется самый широкий комплекс хозяйственных и культурно-общественных мероприятий. Городская среда не может не быть загрязнена. Загрязнение, которое воспринимается как следствие технологического несовершенства цивилизации, в действительности являет собой закономерный атрибут концентрации хозяйства и людей. В наиболее сильной форме им поражены крупные города. Потоки загрязняющих веществ распространяются от городов во всех направлениях, включая и подземное пространство. Города - это типичные антропогенные системы. Хорошее управление их функциональными составляющими смягчает негативные воздействия на городских обитателей и на фрагментарно распространенную внутригородскую живую природу. При этом почти всегда урбосистемы наносят вред сопредельным, а нередко и отдаленным продуктивным ландшафтам. Многое в городах приспособлено к природным условиям. Наряду с этим, большая часть их инфраструктуры подавляет природные связи и потоки вещества и выступает как генератор совершенно особых природно-антропогенных и антропогенных процессов. Города помогают человеку выдвинуться в той или иной сфере жизни общества. Однако какие бы блага не давала урбоинфраструктура своему обитателю, сильное желание вырваться из “каменного мешка” на лоно природы всегда живет в горожанине. Определение. Понятие "город" имеет ряд определений. По Р.Мерфи, территорию со сплошной застройкой, включающую юридический город и примыкающую к нему внешнюю зону называют "реальным городом", "городом из кирпича и цемента", "физическим городом" или "географическим городом". По Г'.Н.Озеровой и В.В.Покшишевскому, город - это крупный населенный пункт, выполняющий промышленные, организационно-хозяйственные, управленческие, культурные, транспортные и другие (но не сельскохозяйственные) функции; соответственно большая часть его населения занята вне сельского хозяйства. Сложный комплекс города с пригородами, где находятся и сельские населенные пункты, представляет собой агломерацию. Несколько близко расположенных агломераций именуются мегалополисом. Внешними чертами города служат хотя бы частичная многоэтажность застройки, широкое развитие общественного транспорта и каналов связи, превышение застроенной и замощенной части территории над садово-парковыми пространствами, концентрация стоков и различных загрязнителей. 67

В различных странах городские и сельские поселения делят по разным критериям. Поэтому точной статистики городов мира не существует, хотя ООН предлагает считать городами поселения с 20 тыс. жителей или больше. Между тем, часто городами называют и поселения с меньшим числом жителей, иногда всего с несколькими тысячами людей. Согласно Н.Ф.Реймерсу, малыми городами считают населенные пункты с численностью в 10-50 тыс. жителей, средние города - это вместилища 50-100 тыс., крупные - 100-500 тыс. и крупнейшие - более 500 тыс. человек. Возраст. Города появились еще в VI тысячелетии до н.э. в долинах рек Хуанхэ, Меконг, Ганг, Инд, Тигр и Евфрат. Во втором тысячелетии до н.э. возникли Афины и Вавилон. В VII в. до н.э. в Вавилоне проживало около миллиона человек, в IV в. н.э. в Риме было до 2-х млн. жителей. В крупных древних городах действовали водопровод и канализация, были мостовые. Почти в течение всего исторического времени городское население составляло малую часть человечества. Еще в 1800 г. горожан было всего 4,7%. Однако ХХ в. стал временем стремительной урбанизации. В 1900 г. доля горожан от общего числа жителей стран мира была 19%, в 1980 г. - 49,3%, в 1996 г. - 55,1%. Можно считать, что в 2000 г. 3/5 мирового населения составят жители городов. Супергорода. Быстро растет количество городcких поселений, множатся городагиганты. Если в 1950 г. только два мегасити - Нью-Йорк (12,3 млн. жителей) и Лондон (8,7 млн.) удивляли мир чрезмерным скоплением людей, то в 1990 г. численностью свыше 8 млн. уже характеризовались 21 город, из которых 16 относились к развивающимся странам. В этих государствах города стали местами концентрации бедняков и нищих, где их доля достигает примерно четверть всех жителей. В 1995 г. список крупнейших городов мира выглядел так (табл. 4): Территория. Площадь, занимаемая городами мира, оценена приблизитепьно. В конце 1960-х гг. она достигала около 40 млн. га. Но при этом на одного горожанина вряд ли приходилось более 0,03 га территории. “Человекоемкость” современной городской застройки в среднем составляет не менее 0,04 га/чел., а в США даже порядка 0,1 га/чел. За последнюю четверть ХХ в. прирост площади городов должен составить 60-70 млн. га. Значит, по самым минимальным оценкам в 2000 г. урбанизированные территории будут занимать свыше 100 млн. га. В России общая площадь городов составляла в 1994 г. 5,5 млн.га, т.е. 0,33% сухопутной территории. В таких европейских странах, как Великобритания, Дания, Германия, Бельгия, Нидерланды урбанизированные земли занимают от 8 до 15% общей площади. Захват городами продуктивных сельскохозяйственных и лесных земель, именуемый урбанистическим вторжением,- это головная боль для стран с высокой плотностью населения и ограниченными земельными ресурсами. Всего в мире в сферу несельскохозяйственного использования, т.е. главным образом под города и коммуникации, ежегодно отводится несколько миллионов гектаров продуктивных земель. Таблица 4. Крупнейшие города мира (World Resources 1996-97, 1996). Название города Токио

Число жителей, млн. чел. 26,8

Прирост за год в % (1990-1995 гг). 1,41 68

Сан-Паулу Нью-Иорк Мехико Бомбей Шанхай Лос-Анджелес Пекин Калькутта Сеул Джакарта Буйнес-Айрес Тяньцзинь Осака Лагос Рио-де-Жанейро Дели Карачи Каир Париж Манила Москва Дакка Стамбул Лима

16,4 16,3 15,6 15,1 15,1 12,4 12,4 11,7 11,6 11,5 11,0 10,7 10,6 10,3 9,9 9,9 9,9 9,7 9,5 9,3 9,2 7,8 7,8 7,5

2,01 0,34 0,73 4,22 2,29 1,6 2,57 1,67 1,95 4,35 0,68 2,88 0,23 5,68 0,77 3,80 4,27 2,27 0,29 3,05 0,40 5,74 3,67 2,81

Вряд ли фиксируемая сейчас в ряде стран Западной Европы и США тенденция к некоторому оттоку городского населения из городских агломераций в сельскую местность, т.е. контрурбанизация, или дезурбанизация, в состоянии остановить ускоряющийся рост городской инфраструктуры. Функции. Хотя города зародились как административные центры, они сразу же стали полифункциональными. Ныне есть городские поселения с достаточно узкой специализацией, от эффективного проявления которой зависит само их существование. Это города административные, торговые, военные, энергетиков, металлургов, горняков, горнометаллургические, концентрирующие и обрабатывающие древесину, базы рыболовства, транспортные узлы. Однако, наряду с главной отраслью, в них всегда работает сфера обслуживания. Между тем, города с высокой численностью населения, около 500 тыс. жителей и выше почти всегда отличает полифункциональность. В пределы урбанизированных территорий поступают большие количества сырья и полуфабрикатов, которые превращаются в промышленную продукцию, потребляемую в местах производства и за их пределами. Вместе с тем, города непрерывно поглощают грузопотоки продовольствия и промышленных товаров для внутреннего потребления и идущие транзитом. Необходимым условием функционирования городов является их снабжение большими количествами воды и энергии. На одного городского жителя расходуется от нескольких десятков до сотен м3 воды в год. Так, в Москве почти 400 м3. Примерно 80% 69

этого количества сбрасывается в виде загрязненной воды в реки и другие водоемы, а 20% в процессе использования уходит непосредственно в атмосферу и в литосферу, либо включается в состав продукции и твердых отходов. В городах расходуется огромное количество топлива. Это означает, что горючие вещества, изъятые из недр Земли и с ее поверхности, в трансформированном виде в основном переводятся в атмосферу. Другие “дары литосферы” превращаются в застройку, транспорт, свалки и т.п. Поэтому огромные шрамы и бугры на поверхности земной тверди в виде практически незаполнимых карьеров и мульд оседания, а также терриконов и холмов-отвалов, гигантские червоточины в земной тверди в виде подземных выработок - все это в основном резонансные образования урбанизации, своего рода антигорода. В результате использования различных источников энергии, но преимущественно ископаемого топлива, в ряде агломераций количество производимой человеком энергии приблизилось, а в отдельных случаях даже сравнялось или превысило величину ее притока от Солнца. Например, в Нью-Йорке, в районе Манхэттена среднее потребление энергии на единицу площади на порядок выше ее прихода от Солнца, для г.Фербенкс на Аляске между этими категориями можно поставить знак равенства. Велико количество твердых отходов, образуюшихся в городах. В некоторых странах они используются для увеличения сухопутной, в основном городской, территории путем засыпки мелководий. Так, 1,5% территории Гонконга, т.е. 105,5 тыс.га составляют земли, отвоеванные у моря. В Японии в Токийском заливе образовано 1050 га насыпной территории, в Осакском - 650 га. В ближайшие годы в районах 10 крупнейших японских портов намечается создать насыпные территории общей площадью 1400 га. В слаборазвитых странах значительная доля отбросов просто накапливается на улицах. И все же большая часть твердых отходов, почти все коммунально-бытовые и промышленные стоки сбрасываются за пределы городов, хотя сточные воды во многих случаях подвергаются определенной очистке, нередко позволяющей осуществлять повторное использование воды. Таким образом, города являются самыми крупными антропогенными концентраторами вещества и энергии и одновременно самыми мощными источниками их выброса и рассеивания. Использование земель. Функциональную структуру современного города удобно представить на примере Москвы в границах Московской кольцевой автодороги (тыс. га): - общая территория - 99,6; - жилые кварталы - 24,0; - озелененные территории - 14,7; - промышленные, транспортные, научные (опытно-производственные) предприятия, коммунально-складские, транспортные и технические зоны - 19,9; - улично-дорожная сеть - 10,4; - водные объекты - 3,1; - свободные малоудобные земли - 7,8; - остальные территории - 19,7. В свете этих данных, взятых из “Государственного доклада о состоянии окружающей природной среды г. Москвы в 1992 г.”, столица России предстает как мощный центр промышленного производства, с вдвое меньшим озеленением, чем полагается по нормам, с явно недоразвитой улично-дорожной сетью при наличии странно высокого (27,5%) процента земель, об использовании которых в докладе, либо ничего не сказано, 70

либо упомянуто, что на малоудобьях имеют место быть несанкционированные свалки и разрастается гаражный самозахват. Впрочем, в других странах бывает сходная ситуация. Так, для США достаточно распространенным может быть такой вариант города. Жилая застройка занимает в нем 3032% от общей площади, уличные пространства - 18-20%, промышленные предприятия 5%, транспортные устройства - 4%, коммерческие объекты - 4%, рекреационные зоны 5% и различного рода неиспользуемые земли - до 30%. Соотношение земель различного использования варьирует в пределах отдельных частей города. Так, в пределах г. Милуоки (США), в одном из микрорайонов селитебной части города жилая застройка занимает 65% площади, промышленные предприятия - 5% и парки - 30%, тогда как в микрорайоне промышленной части города предприятиям принадлежит 50% площади, жилым зданиям - 45% и паркам - только 5%. Материальные элементы. В городах - это промышленные и энергетические предприятия; жилая и общественная застройка; улицы и площади; наземный городской транспорт и метрополитен; мосты, виадуки, акведуки и подземные переходы; коммунальнобытовые предприятия; стадионы и бассейны; подземные коммуникации; подземные горнодобывающие предприятия и открытые разработки; железнодорожные станции, морские и речные порты, а также пристани; аэропорты; набережные; плотины, водохранилища, гидроэлектростанции, шлюзы и каналы; трубопроводы; склады; зеленые насаждения; подсобные хозяйства и питомники; поля орошения; подземные хранилища; телерадиомачты и многое другое. Между перечисленными объектами существуют взаимосвязи, а сами они упорядочены внутри различных функциональных зон города. В качестве таковых выделяют зоны: промышленную, селитебную (жилую), коммунально-складскую, внешнего транспорта, садов и парков, а также прочих земель. Изменение климата. В городской среде существенно изменены режим температур, воздушные потоки, выпадение осадков и другие составляющие климата. По климатическим условиям урбанизированные территории значительно отличаются от прилежащих сельских мест. В городах понижена прозрачность атмосферы, выше облачность, чаще туманы и осадки, ниже относительная влажность воздуха, меньше приход солнечной радиации и скорости ветра, но выше среднегодовые температуры. Нагревание воздуха в городах за счет рассеивания тепла, используемого при различных мероприятиях (обогрев, движение транспорта, промышленное производство и др.), может быть очень значительным и в конечном итоге ведет к проявлению, так называемого, эффекта теплового острова. Например, в Москве и зимой, и летом среднесуточные температуры в центре города на 2-3О выше, чем на окраинах. В Фэрбенксе (Аляска, США) разность температур воздуха внутри города и вне его зимой достигает 14ОС. Летом в городах аномально жарко. Асфальтовое покрытие от солнечных лучей может нагреваться до 70-78ОС. Известную роль в отеплении больших городов может играть и повышенное содержание в их атмосфере СО2. Средняя концентрация этого газа в воздухе больших городов, по-видимому, уже превысила 500 частей на млн. Благодаря наличию более высоких температур по сравнению с сельской местностью в городах умеренного пояса на 10-12 дней продолжительнее безморозный период и на 5-10 дней короче период со снежным покровом. Испаряемость с урбанизированных площадей оказывается на 5-20% выше, чем на прилежаших сельских территориях. Потребляя большие объемы поверхностных и подземных вод, часто заимствуя их из сопредельных бассейнов, оттягивая на себя повы71

шенное количество осадков и также сверх нормы возвращая влагу в атмосферу, города усиливают циркуляцию атмосферных, поверхностных, а иногда и подземных вод. Например, в Москве выпадает на 11% больше осадков, чем в непосредственной близости города. Над столицей постоянно располагается воздушный тепловой купол, особенно резко выраженный в зимний и летний сезоны. Зимой чаще всего развиваются приземные инверсии температуры воздуха. 5.2. Загрязнение атмосферы. Над городами происходит существенное насыщение воздуха загрязняющими веществами. Это обусловлено огромными масштабами продуцирования и выброса антропогенных аэрозолей, кроме которых в атмосферу поступают углекислый газ и пары воды. Твердые, жидкие и газообразные аэрозоли выбрасываются предприятиями, образуются от сжигания топлива в стационарных установках и в двигателях транспорта и, кроме того, механически "вырабатываются" при его движении. К этим источникам добавляются мусоросжигательные установки и станции. Атмосферный путь поступления химически вредных веществ является ведущим в окружающей среде городов. Ингаляционным путем они поглощаются человеком наиболее интенсивно. Например, свинец, поступающий с воздухом, абсорбируется кровью до 60%, из воды - лишь 10%, а из пищи - 5% (Сает, Ревич, 1986). Показательно соотношение между главными загрязнителями атмосферы и их источниками на примере г. Москвы. Из 1,2 млн. т вредных выбросов в атмосферу столицы 77% - доля автотранспорта и 23% - стационарных источников. А вот каково соотношение между транспортными и промышленными выбросами по отдельным загрязняющим веществам: СО - 96% и 4%; NОХ - 26% и 74%; углеводороды и летучие органические соединения 75% и 25%. Подчеркнем, что преобладает по массе угарный газ - всего 730 тыс.т. Стационарные источники загрязняют атмосферу сернистым ангидридом и пылью: 0,04% и 0,02% от массы общих выбросов соответственно. Большую роль в ухудшении качества воздуха играют мощные тепловые электростанции, работающие на пылевидном низкосортном топливе. Универсальными загрязнителями атмосферного воздуха населенных мест являются домовые топки. При сжигании углей (их зольность обычно варьирует от 1 до 15%) вынос золы в воздух может достигать 80-90% от ее общего количества. В составе летучей золы преобладают кремний, кальций, магний, алюминий, а содержатся в ней почти все элементы, за исключением благородных газов. Н.С.Касимов и А.И.Перельман ввели представление о коэффициенте эмиссионной нагрузки Е, т.е. соотношении количества выбросов (Р) в атмосферу к численности горожан (N) за год (Экогеохимия…1995). Иными словами: Е=Р/N. Результаты, полученные этими учеными для городов с различными видами промышленности, позволили им по значениям Е в т/чел⋅год предложить ряд градаций, обозначенных буквенными индексами: L - до 0,3 т/чел⋅год - многие крупные и средние города с машиностроительной специализацией; М - 0,3-1 т/чел⋅год - крупные города с нефтехимической и химической промышленностью и другие промышленные центры; N - 1-2 т/чел⋅год - города с черной и цветной металлургией, тяжелым машиностроением, химической промышленностью (Липецк, Нижний Тагил, Краснотурьинск, Ангарск и др.); Р - 2-3 т/чел⋅год - четыре города: Новотроицк, Красноперекопск, 72

Череповец, Магнитогорск; R - 3-5 т/чел⋅год - только Темиртау (Е=4,4); S - >5 т/чел⋅год - уникальная нагрузка (Е=12-13). Данная разработка наилучшем образом позволяет понять сколь тяжело приходиться в моменты наихудших атмосферных условий жителям городов с максимальными коэффициентами эмиссионной нагрузки. Однако в какие-то периоды люди в некоторых городах с очень сильно загрязненной по статистике атмосферой дышат чистым воздухом. Таков, например Норильск, где сильные арктические ветры неделями не позволяют дымо-газовым эмиссиям лечь на город и они уносятся в тундру и тундролесье. Важно и то, что Норильск - компактный город. Будь он растянутым как Воркута, заводские выбросы чаще бы тревожили горожан. Однако в условиях смога в Норильске ужасно. Подробнее об этом городе рассказано в главе 13. Пыль. Частицы пыли, присутствующие в воздухе городов, обычно имеют размеры от 1-2 до 20-40 мкм. Среди мелких частиц много сульфатных, а также содержащих свинец, мышьяк, селен, кадмий, цинк. В составе пыли присутствуют частички асбеста, поскольку его применяют в тормозных устройствах и механизмах сцепления транспорта. Между тем, этот удобный для промышленного использования силикат обладает канцерогенными свойствами. Во многих городах мира содержание пыли в воздухе превышает ПДК. Например, в Рио-де-Жанейро в августе месяце ее концентрация доходит до 100 мг/м3, т.е. превышает ПДК в 600 раз. Нетоксичной пыль может считаться лишь в сельской местности, и то условно. Серьезное загрязнение воздуха пылью создает цементное производство. Угарный газ. В городах СО в большей степени продуцируется автотранспортом, хотя немалую лепту в этом отношении вносят и металлургические комбинаты. В крови СО соединяется с гемоглобином и образуется карбоксигемоглобин. Допустимое содержание последнего в крови 1-5%, но оно часто превышается и это ведет к обострению сердечно-сосудистых заболеваний, в особенности стенокардии. По другим данным, уже при содержании карбоксигемоглобина в 2,5-4% нарушаются процессы мышления, а при его концентрации в 10% ослабевают реакции водителя на сигналы для управления автомобилем. В ФРГ приняты ПДК угарного газа в воздухе при длительном контакте - 10 мг/м3, а при кратковременном - 30 мг/м3. У человека оказывается отключенным до 10% гемоглобина после восьми часов работы в тоннеле или на загрузочной площадке, где содержание СО в воздухе доходит до 70 мг/м3. Курильщик, живущий в незагрязненной местности, поглощает вдвое больше СО, чем некурящий житель территории с сильным загрязнением воздуха. Сернистый ангидрид. Этот газ выбрасывается в наибольшей степени предприятиями энергетики и промышленности при сжигании угля, нефти и мазута. В угле содержание серы обычно колеблется от 0,5 до 6%, в нефти и мазуте от 0,5 до 3%. Практически отсутствует сера в природном газе, мало ее в торфе (до 1%), который также обладает низкой зольностью (2-6%). Окислы азота. Они примерно в соотношении NO - 90% и NO2 - 10% образуются из азота и кислорода воздуха в условиях высоких температур, которые достигаются в двигателях и топках при сжигании ископаемого топлива. В воздухе значительная часть NO преобразуется в NO2 - гораздо более опасное соединение. Двуокись азота. Это газ с неприятным запахом. Даже при малых концентрациях, порядка 230 мкг/м3, примерно треть людей ощущает его присутствие. Но газ воздействует не только на обоняние, а ослабляет способность глаз адаптироваться в темноте. Кроме 73

того, присутствие двуокиси азота в количестве всего 56 мг/м3 вызывает затруднение дыхания даже у здоровых людей, а для больных астмой и эмфиземой легких опасны и более низкие концентрации. NО2 действует на кровь подобно угарному газу и усиливает восприимчивость людей к инфекциям. Полициклические ароматические углеводороды. Сокращенно их называют ПАУ. Загрязнение этими соединениями воздуха связано с работой автотранспорта, ТЭЦ, но особенно с действием таких предприятий, как нефтеперерабатывающие, металлургические, коксохимические и алюминиевые. В 1950-х годах в Японии была зафиксирована вспышка болезни, которая получила название астмы Иокогама. Причиной недуга была работа нефтеперегонного комплекса “Мицубиси-Шелл". В настоящее время серьезное загрязнение воздуха ПАУ фиксируется в ряде крупных городов России. Наибольшую опасность представляют: 1,2-бензатрацен (С18Н12), 3,4бензапирен (С20Н12), 1,2-бензапирен (С20Н12), 3,4-бензфлуорантен (С20Н14), 1,2,5,6дибензатрацен (С22Н14), коронен (С24Н14). Особенно опасен 3,4-бензапирен, называемый также бенз(а)пиреном и являющийся своего рода индикатором присутствия в смеси других канцерогенов. Попадая в дыхательные пути человека, ПАУ постепенно накапливаются до критических концентраций и стимулируют образование злокачественных опухолей. Обычным является превышение ПДК по бенз(a)пирену на крупных перекрестках и вблизи автомагистралей. ПДК бенз(a)пирена в воздухе населенных мест - 1 нг/м3, в воздухе рабочей зоны - 0,15 мкг/м3. Бенз(а)пирен - наиболее известное вещество из группы ПАУ. Он образуется при нагревании органического материала в условиях недостатка кислорода и представляет собой желтоватые пластиночки или иголки, нерастворимые в воде. Этот канцероген присутствует в отработавших газах автомобилей, особенно с дизельными двигателями. Обнаруживается в дыме коптилен, в сигаретном дыме и в мясе, обжаренном на дыму. Тяжелые металлы. Весьма опасное загрязнение воздуха создают предприятия цветной металлургии, которые, наряду с соединениями серы и азота, выбрасывают различные тяжелые металлы. Загрязнение воздуха ими в районах действия таких комбинатов, по-видимому, является самым высоким. В городах, где нет предприятий цветной металлургии, главной причиной высоких концентраций в воздухе цинка, кадмия, сурьмы и, возможно, серебра, олова и индия может быть работа мусоросжигательных заводов. Основная масса свинца выбрасывается в атмосферу автотранспортом, работающим на этилированном бензине. В развитых странах век этого ядовитого горючего заканчивается в связи с запретом выпускать и использовать марки автомашин, не оснащенные каталитическими конверторами для дожигания отработавших газов. Применение этого чудесного изобретения технически возможно только при использовании неэтилированного бензина. Цена экологически менее вредных автомобилей стала на 10% выше их грязных собратьев. Россия пока выпускает для внутреннего пользования экологически грязный автотранспорт. Имеются указания на то, что и медь в городском воздухе появляется вместе с выхлопными газами автотранспорта. Особую природу имеет цинк. Он попадает в атмосферу городов из различных источников, но несомненно, что значительная его часть поступает при изнашивании шин. В некоторых городах отмечается повышенное содержание в атмосфере кадмия, который по токсичности уступает только ртути и меди. Наибольшее количество кадмия 74

рассеивается в окружающую среду при его производстве и при переработке металлолома. Повышенные количества кадмия содержат выхлопные газы дизельных моторов. Черная металлургия. Выбросы предприятий по выплавке черных металлов, хотя и приводят к значительному загрязнению воздуха, но не являются такими токсичными. Выбрасываемая пыль на 50-90% в зависимости от производства состоит из окислов железа, на 1-10% из окислов кальция и магния; несколько процентов от общей массы пыли составляют окислы алюминия, фосфора и кремния. Выброс микроэлементов относительно невысок. Поведение загрязнителей. В атмосфере происходит трансформация многих ингредиентов антропогенных выбросов, в результате чего образуются, так называемые, вторичные аэрозоли. Характер выпадения аэрозолей на города и примыкающие к ним территории зависит от динамики воздушных масс, осадков, а также от силы выброса загрязняющих веществ (наличие высоких труб) и архитектуры города с точки зрения ее приспособленности к очищающему действию ветров. Загрязняющие вещества интенсивно удаляются ветром или осадками из воздуха городов и накапливаются в нем в безветренную погоду. Особенно плохо они рассеиваются при наличии тумана, когда концентрация поллютантов в приземном слое воздуха может многократно увеличиваться. Примерно такая же ситуация создается в условиях температурной инверсии воздуха, когда холодные воздушные массы застаиваются в крупных понижениях рельефа или на равнинных территориях. Районами с высоким потенциалом загрязнения воздуха (по метеорологическим условиям) на зарубежных территориях являются Центральная Аляска, северо-восток Великих равнин, Калифорнийское побережье, приокеанические пустыни Атакама, Намиб, Западная Сахара. В России - почти вся Восточная Сибирь, Саяны, Алтай и Кольский полуостров. Представление о том, как дымовые облака от промышленных предприятий городов распространяются на другие территории, дают наблюдения с летательных аппаратов. По фотографиям с них удалось проследить, например, как дымовое облако, образованное в Лос-Анджелесе, увлекалось бризами вглубь суши и проникало в соседние районы по горным долинам. Есть данные о смоге, возникшем 16 января 1955 г. над Лондоном и двигавшемся в направлении южного побережья Англии в виде облака шириной около 20 км и глубиной около 3,5 км. Смоги. Выделяют несколько географических типов экстремального загрязнения городской атмосферы: 1. Ледяной смог, развитый в арктических и субарктических широтах и неоднократно отмеченный в Фэрбенксе на Аляске. Формируется он в зимний период с ноября по март при постоянных морозах до - 35ОС и ниже в условиях приземных инверсиях. Источником загрязнения являются тепловые электростанции. Водяной пар, поднимающийся от градирен, образует мельчайшие, размером в 5-10 мкм кристаллы льда, которые ухудшают видимость до 10 м и менее. Выбрасываемые ТЭС окислы серы образуют с водяными парами мельчайшие капельки серной кислоты, и это делает ледяной смог токсичным. 2. Смог, состоящий главным образом из сернистого ангидрида с превышением разовых ПДК в десятки и более раз. Включает также большой спектр тяжелых металлов (Cu, Ni, As, Co и др.); наблюдается в Норильске летом, а зимой несколько напоминает смог в Фербенксе. 3. Смог лондонского типа наиболее типичен в умеренных широтах в районах с влажным морским климатом. Он неоднократно отмечался в крупных городах Западной 75

Европы и Северной Америки. При образовании смога лондонского типа резко снижается видимость, быстро нарастает концентрация окислов серы и азота, угарного газа, углеводородов. Наиболее часто такое загрязнение воздуха имеет место в осенне-зимнее время при аномальных условиях стратификации и малых скоростях ветра. 4. Лос-Анджелесский смог формируется в летний период в низких широтах и в южных районах умеренного пояса при высоком уровне загрязнения и значительной солнечной радиации (>2 Дж/см2·мин). Этот смог, имеющий фотохимическую природу, неоднократно отмечался в Лос-Анджелесе, Мехико и других городах. Основные компоненты смога - фотооксиданты: озон, органические перекиси, нитраты и нитриты, окислы азота. При фотохимических реакциях в смоге образуются вещества более токсичные, чем исходные атмосферные загрязнители. Лихиноиндикация. О степени загрязнения городского воздуха можно судить по тому, какие лишайники удается обнаружить на его территории. В крупных городах выделяется зона лишайниковой “пустыни". Больше всего лишайники страдают от диоксида серы. При его содержании в воздухе 0,08-0,10 мг/м3 многие лишайники испытывают угнетение. При концентрациях SO2 0,3 мг/м3 почти все их виды, за небольшим исключением, погибают. В то же время существуют устойчивые к загрязнению лишайники. Если при концентрации SO2 в воздухе свыше 0,3 мг/м3 формируется лишайниковая "пустыня", то при 0,05-0,2 мг/м3 на стволах появляются ксантории, физации, анаптихии, ленакоры и др., при менее 0,05мг/м3 - парамелии, алектории и др. 5.3. Контроль над загрязнением воздуха. Для уменьшения насыщения городской атмосферы загрязняющими веществами и, в первую очередь, соединениями серы и азота сооружаются дымовые трубы высотой в 300-500 и даже 800 м. Однако рассеивание загрязняющих веществ на обширные регионы создало сильную угрозу целостности их зкосистем из-за выпадения кислотных осадков, которыми поражаются огромные территории. Вместе с экспортом из одних стран в другие воздушным путем соединений серы и азота разносятся также тяжелые металлы. Наша страна получает с западным переносом много импортных кислотных выпадений. Например, в 1994 г. импорт окисленной серы из Украины, Польши, Германии, Белоруссии и Эстонии в Европейскую Россию превысил наш экспорт в соседние страны на 700 тыс.т. Вместе с собственными выбросами здесь наша земля получила свыше 1,4 млн.т незаказанной серы и, следовательно, недостаточная очистка эмиссий соседей была причиной почти половины чрезмерного техногенного закисления отечественных ландшафтов. Во многих странах совершенствуются приемы охраны атмосферного воздуха. Так, степень улавливания твердых частиц золы на ТЭС в Англии составляет 98,3-98,7%, во Франции - более 99, в Бельгии - 98-99, в США - 99, в Италии - 95-98%. В нашей стране этот показатель равен 90%. Все шире внедряются предприятия, специализированные на обессеривании угля и мазута. Пионером среди стран мира является Япония, где осуществляется коммерческая эксплуатация установок по денитрификации отходящих газов. На многих ТЭЦ различных стран улавливаются окислы серы, хотя делается это еще в недостаточных объемах. В ФРГ за 1983-1988 гг. были оснащены сероулавливающими установками практически все ТЭС, работающие на каменном угле. Программа СLRTAR, согласно которой страны Европы обязались в последние 20 лет ХХ в. сократить выбросы серы на 30% и более, выполнена в середине 1990-х гг. Сейчас эмиссия SO2 в Европе немного превышает 30 млн.т, а в 1980 г. она достигала 60 млн.т (рис. 10). 76

Использование в энергетике природного газа не только резко снижает загрязнение воздуха вредными веществами, но и уменьшает поступление в атмосферу СО2. Сжигание газа в этом плане знергетически выгодно. Большую роль в охране атмосферного воздуха играют меры по усовершенствованию систем сжигания топлива автомобилей. В последние годы широко применяются катализаторные устройства. Это металлические цилиндры, прикрепленные к выхлопным трубам автомобилей. Внутри цилиндра помещаются фильтр и активные вещества, преобразующие и обезвреживающие основные компоненты отработавших газов. Углеводороды и СО окисляются, давая на выходе СО2 и водяной пар. NОХ преобразуется в азот и кислород. Ведущую роль в обезвреживании загрязняющих веществ играют платиновые металлы, нанесенные на шарики из окиси алюминия или сотовые структуры из металла или керамики. Применение катализаторов осуществляется в Японии, Рис. 10 Кривые снижения эмиссии сернистого газа в США, Германии и ряде других Европе за период 1980-1995 гг.: 1- в Европе в стран. Воздух в городах и на автоцелом, 2 - в Западной Европе, 3 - в Централь- страдах стал чище. Качество городского воздуха во ной и Восточной Европе, 4 - в Европейской многом зависит от режима поливочасти России, Армении, Азербайджане, Беларуссии, Грузии, Молдове, Украине моечных работ с целью поддержания чистоты улиц и площадей. (Europe’s Environment, 1998) Большую роль в этом играет умелое управление отходами. Чтобы город лучше проветривался, используется специальная "продувная” застройка. Однако в некоторых северных городах для защиты от метелей применяется Побразный план застройки. Большое значение имеет также организация транспортных потоков и размещение предприятий-загрязнителей в зависимости от господствующих ветров. Озеленение. Важнейшую роль в снижении загрязнения воздуха и улучшении других параметров городской среды играют зеленые насаждения. Норма озеленения, установленная Всемирной Организацией Здравоохранения (ВОЗ) равна 50 м2 городских насаждений на 1 человека и 300 м2 пригородных. По функциональному назначению зеленые насаждения городов разделяются на три группы: 1) общего пользования - общегородские парки культуры и отдыха, районные парки (парки планировочных и административных районов города), городские сады, сады жилых районов и микрорайонов, бульвары, в том числе на набережных, лесопарки; 2) ограниченного пользования - зеленые насаждения на жилых территориях микрорайонов и жилых районов, на участках детских садов, яслей, школ, спортивных комплексов, учреждений здравоохранения, культурно-просветительных, административных и других учреждений, вузов, техникумов, профессионально-технических училищ, промышленных предприятий и складов; 77

3) специального назначения - насаждения на городских улицах и магистралях, территориях санитарно-защитных и водоохранных зон, ботанические и зоологические сады, насаждения на участках выставок, на территориях кладбищ, питомников, цветочных хозяйств и т.п. Плохими по условиям озеленения считаются города, где растительность занимает менее 10% площади, в разряд удовлетворительных отнесены города, где озеленение занимает 10-40% площади, в разряд хороших - с 40-60% и к отличным - с озеленением не менее 60% площади. Озеленение проводится с учетом устойчивости пород деревьев и кустарников к городским условиям и географического положения территории. Крайне важно и сохранение вблизи городов лесных массивов или других высокопродуктивных массивов естественной растительности. 5.4. Изменение гидросферы. Антропогенное вмешательство в гидросферу на территории городов в первую очередь выражается в приспособлении природной дренажной сети и искусственных каналов стока к сбрасыванию сточных вод. Большие города часто используют воду, забираемую из смежных речных бассейнов по каналам или трубопроводам. Распространено водоснабжение из подземных водоносных пластов. Все это имеет место в Москве. Длина р. Москвы в пределах города достигает 75 км. Помимо главного водотока, до создания застройки в границах Москвы протекало 120 рек и ручьев. Из них 55 были достаточно крупными. По мере обустройства города гидросеть становилась беднее и видоизменялась. В начале ХVIII в. здесь было 853 пруда. Сейчас их осталось около трехсот (Лихачева, 1990). С 1937 г. столица получает воду за счет межбассейновой переброски по каналу Москва-Волга. В город поступает 2,1 км3/год воды: для водоснабжения 0,8 км3, для обводнения р.Москвы 1,0 км3 и для той же надобности применительно к рр.Яуза, Клязьма и Учи 0,3 км3. Основное количество воды - 80-85% - в крупных городах используется в промышленности и только 15-20% - в коммунально-бытовом секторе. Больше всего потребляют предприятия энергетики, затем химическая, целлюлозно-бумажная и металлургическая отрасли промышленности. Для оценки состояния городской среды представляют интерес цифры промышленного водопотребления на единицу площади (м3/сут⋅га): - целлюлозная, энергетическая, частично металлургическая - 15 000-80 000; - химическая, нефтехимическая, горнообогатительная - 5000-15 000; - машиностроительная, трубопрокатные заводы - 500-5000; - текстильная, легкая, стройматериалов, пищевая - 50-500; - элеваторы, мукомольные заводы, зерноприемные пункты - менее 50; Крупные города сбрасывают в местные водотоки аномально большие количества использованной воды. Увеличение слоя стока в пределах городских территорий может быть связано с использованием дополнительно привлекаемых водных ресурсов. Но кроме того, это происходит из-за ослабления транспирации. Последнее объясняется спорадичностью распространения растительного покрова и благоприятными условиями для быстрого удаления влаги в канализационную сеть городов. С данным обстоятельством связано то, что поверхностный сток в городах аномально высок, а подземный ниже нормы. Города - главные, но не единственные источники загрязнения природных вод. Хотя поступление поллютантов в городские водоемы всегда происходит в их смеси, удобно различать виды их загрязнения. 78

Загрязнение твердыми частицами. В реки, протекающие через города, поступает обычно такое количество наносов, которое вне урбанизированных территорий попадает в них с гораздо больших площадей. В целом на индустриальном востоке США не сельское хозяйство, а промышленность и строительство в основном загрязняют воды рек взвешенными наносами. В США твердые частицы считаются загрязнителем номер один. Высокое содержание в воде обломочного материала резко снижает ее качество; она становится непригодной для подачи в водораспределительные системы. На гидроэлектростанциях от содержащегося в воде грубого материала быстрее изнашиваются лопасти турбин. Ускоренная седиментация наносов в руслах рек ухудшает условия судоходства. То же можно сказать о любых других акваториях, в пределах которых аккумулятивные процессы отрицательно влияют на состояние гаваней и судовых путей. Избыток наносов в зарегулированной реке может привести к быстрому заиливанию водохранилища и потере им водорегулирующих функций. Аккумуляция на поймах рек бесплодных грубозернистых наносов выводит из строя ценные сельскохозяйственные земли. В мутных водоемах понижена биологическая продуктивность. С твердыми частицами в адсорбированной форме переносятся различные токсические вещества. Загрязнение нефтью и нефтпродуктами. Это явление свойственно большинству городских водоемов, хотя о нем чаще пишут применительно к океану. Однако, если учесть, что в мировую акваторию из наземных и в основном антропогенных источников поступает около 2,8 млн.т нефти, то становится ясно, как велика нагрузка от такого загрязнения на водоемы суши и особенно те, которые находятся в пределах городов. Загрязнение хлоридами. Его причина - применение солей, стимулирующих таяние снега. Повышенное содержание ионов хлора отмечается в ряде случаев в подземных водах городских территорий бореальной зоны. Загрязнение ПАУ. Наличие в воде ПАУ в частности бенз(а)пирена, фиксируется в местах сброса стоков с нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий. ПДК бенз(а)пирена в воде составляет 5 нг/л. Загрязнение ПХБ. Полихлорированные бифенилы (ПХБ) - это целое семейство родственных соединений. Они с трудом возгораются и их используют в трансформаторах, конденсаторах и т.п. У людей, получивших в ходе работы дозы ПХБ, отмечаются поражения нервов, кожи, печени. В США ПХБ обнаруживается в водах всех крупных рек. Установленная в этой стране ПДК в речной воде на них - 2 мг/л. Наибольшую опасность для людей представляет рыба из оз.Онтарио и р.Гудзон. В ее мышцах бывает до нескольких десятков мг ПХБ на 1 кг (П.Ревелль, Ч.Ревелль, ч.2, 1995). Загрязнение детергентами. Это опасное явление для водных объектов. Оно обуславливает: 1) появление у воды неприятного запаха и вкуса уже при концентрациях 1-3 мг/л при одновременном изменении цвета; способность к пенообразованию; 2) нарушение кислородного режима (на равнинных реках при концентрации детергентов 1 мг/л интенсивность аэрации может понизиться на 60%); 3) изменение естественного хода химических процессов в водоемах; 4) отравление гидробионтов, угнетение жизни в водоемах (в зависимости от субстанции летальная концентрация детергентов для рыб составляет 3-5 мг/л, а для планктона - около 1 мг/л); 5) снижение эстетической ценности водных объектов и ограничение возможностей их использования для целей рекреации; 6) затруднения в отдельных случаях при навигации, особенно для мелких судов и лодок. Загрязнение биогенными веществами. Питательные вещества, илы, биогены (в первую очередь соединения азота и фосфора) содержатся в продуктах сгорания топлива и 79

в коммунальных стоках. Их поступление может происходить воздушным путем от транспорта и стационарных установок, со стоком поливо-моечных и ливневых вод, а также при утечках из канализационной сети. Избыток биогенных веществ ведет к цветению водоемов и их эвтрофикации. Содержащиеся в воде нитраты опасны для здоровья людей, так как в соединении с пищевыми нитратами может быть превышена их допустимая доза. В этом случае у людей и домашних животных возникают острые желудочно-кишечные расстройства. Очень высокое содержание нитратов и нитритов в продуктах и воде приводит к тому, что у их потребителей происходит превращение гемоглобина крови в метагемоглобин. При замещении им 20% гемоглобина нарушается транспорт кислорода, а при замещении 80% гемоглобина наступает смерть от метагемоглобинемии. Заболевание детей отмечалось в США, ФРГ и Франции при наличии в воде 64-860 мг/л нитратного азота. В ряде стран (Чили, США и др.) установлена прямая зависимость заболевания раком от содержания нитратов в питьевой воде. Бактерии и дрожжи восстанавливают нитраты до более токсичных нитритов. Нитриты - предшественники образования нитрозаминов, канцерогенных в самой низкой концентрации порядка n⋅мкг/кг. Нитрозамины способны вызывать рак легких, гематомы и лейкоз. Считается, что суточное суммарное потребление азота нитратов с пищей и питьем не должно превышать 200 мг в сутки, а азота нитритов - 10 мг. ФАО для южных стран повышает дозировку нитратов до 500 мг, а в США принята норма 700 мг. Однако такие дозы явно завышены. Согласно данным ВОЗ, ПДК азота нитратов в воде в условиях умеренного климата должно быть не более 22 мг/л, а в условиях южной зоны - 10 мг/л. В России принятая ПДК азота нитратов в воде равна 10 мг/л. Загрязнение тяжелыми металлами. Эти вещества попадают в водные объекты эоловым путем, со сточными водами, из подводных свалок. Выше указывалось, что в воздух тяжелые металлы попадают при сжигании твердого и жидкого топлива, а также отходов, при цементном производстве, выплавке металлов, производстве удобрений, красок, при образовании пыли за счет металлосодержаших изделий. Сбросы сточных вод предприятий цветной металлургии, угольной, текстильной и химической промышленности отличаются повышенным содержанием тяжелых металлов. По степени уменьшения токсичности наиболее опасные металлы располагаются в такой последовательности: Hg > Сu > Сd > Рb > As. Опасность загрязнения воды тяжелыми металлами, как и некоторыми токсичными веществами, связана с концентрационной функцией организмов. Поллютанты, переходя из воды в биоту, концентрируются больше и больше при движении по трофической пирамиде. Трагедия, которая произошла в Японии в связи с загрязнением залива Минамата стоками, содержавшими медь, цинк, олово, и особенно ртуть, широко известна. В г. Минамата из-за употребления загрязненных морепродуктов в 1953 г. имела место вспышка болезни, выражавшейся в тяжелых поражениях нервной системы у людей и домашних животных, часто с летальным исходом. В 1965 г. недуг фиксировался в г. Ниигата. Болезнь Минамата передается по наследству, а ее возбудители - этилртуть и, особенно метилртуть, образуются при биогеохимических процессах из других соединений ртути в донных илах. О характере воздействия некоторых микроэлементов на здоровье людей можно судить по данным табл.5: 80

Тепловое загрязнение. Это чрезвычайно серьезное негативное явление. Тепло, которое необходимо отводить и рассеивать при работе ТЭС, составляет около половины количества тепловой энергии, выделяющейся при сжигании топлива. В среднем по России на выработку 1 кВт-ч расходуется 0,078 м3 свежей воды. На тепловой электростанции большой мощности расходуется около 60 м3 воды для охлаждения 1 т пара. При мощности турбин в 500-800 тыс. кВт водопотребление для этой цели составляет 15-25 м3/с летом и 11-18 м3/с зимой. Поэтому при прямоточном водоснабжении крупной конденсационной тепловой электростанции расход сбрасываемых в водоемы отработанных тепловых вод достигает 90 м3/с и более ( т.е. около 2,7 км3/год). Таблица 5. ПДК для питьевой воды и влияние микроэлементов на здоровье людей Элемент Ni2+ Cd2+

ПДК (мг/л)

Характер действия

0,4 0,01

канцероген поражение почек, болезнь итаиитаи поражение почек, легких кожи недостаток ведет к атеросклерозу поражение желудочнокишечного тракта поражение кроветворной системы поражение центральной нервной системы токсичен рак кожи токсичен поражение кроветворной системы, нервных клеток головного мозга "молибденовая подагра" поражение центральной нервной системы

Cr6+ Cr3+

0,1 0,5

Cu2+

1,0

Pb2+

0,03

Hg2+

0,005

Zn2+ As3+ Sе6+ Be2+

5 0,05 0,001 0,0002

Mo6+ Mn2+

0,25 0,1

Вода при прохождении через систему охлаждения конденсаторов турбин нагревается на 8-14ОС и может приобретать температуру до 38ОС. Сбрасываемая вода охлаждается за счет испарения и конвекции, которые зависят от турбулентно-диффузионных явлений в водоеме и способов сброса. В большинстве случаев зоны распространения подогретых вод в принимающих их акваториях обширны. Зимой в зоне подогрева, как правило, не образуется ледового покрова. Зонам сброса нагретых вод свойственно неравномерное распределение биогенных веществ, вариации условий минерализации органического вещества, ускорение химических и биохимических процессов. В то же время при значительном повышении температуры воды (до 30-35ОС) биологические процессы становятся вялыми, а водная экосистема обедняется. На отдельных участках водоема наблюдается ослабление фотосинтетической деятельности планкто81

на, гибель рыб и других гидробионтов; в придонной зоне обнаруживается большой дефицит кислорода вплоть до появления в ней сероводородного заражения. Ухудшается и санитарно-микробиологическое состояние воды, патогенная микрофлора не только выживает при повышенных температурах, но и способна размножаться, что делает водоемы-охладители потенциально опасными в эпидемиологическом отношении. В теплой воде создаются благоприятные условия для размножения грибковых организмов, повышается выживаемость некоторых гельминтов человека, являющихся также паразитами у определенных видов рыб; возрастает вирулентность возбудителей болезней у ихтиофауны. Важное эпидемиологическое значение имеют данные о распространении в подогретых водах условно-патогенной микрофлоры, с которой связывают более 50% всех острых кишечных заболеваний. Тепловое загрязнение водоемов ведет к усилению токсического действия на гидробионтов различных поллютантов - таких как нефть и нефтепродукты, детергенты, пестициды, тяжелые металлы и др. 5.5. Управление водными ресурсами. В городах этот вид хозяйственной деятельности основан на жесткой регламентации качества воды, подаваемой в водопроводную сеть для целей питьевого водоснабжения. Кроме того, проводятся всевозможные меры по экономии свежей воды. Вода может быть использована для питьевых целей при условии, если после очистки ее качество соответствует утвержденному ГОСТу, т.е. величина сухого остатка воды должна быть не более 1000 мг/л, содержание сульфатов - 500 мг/л, хлоридов - 350 мг/л, величина общей жесткости - 7 мг-экв/л, запах и привкус при температуре 20ОС - 2 балла, кишечных палочек в 1 л воды не должно содержаться более 10 000, но и то только в том случае, если вода еще будет подвергаться полной очистке и хлорированию. Для управления водными ресурсами пользуются такими показателями, как ПДК того или иного вещества, ПДС, что означает предельно допустимый сброс вещества в водный объект, и БПК - биохимическое потребление кислорода, например, за пять суток БПК5. Чем выше БПК, тем, следовательно, больше в воде легкорастворимых загрязняющих органических веществ. Важнейшую роль в преобразовании использованных вод в пригодные к употреблению играет управление стоками. По Ю.П.Беличенко и М.М.Швецову, сточными называются воды, использованные на производственные или бытовые нужды и получившие при этом дополнительные примеси (загрязнения), изменившие их первоначальный состав или физические свойства, а также воды, стекающие с территории населенных мест и промышленных предприятий в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц. Водохозяйственные службы стремятся к максимально возможной канализации стоков. Под системой канализации принято понимать совместное или раздельное отведение трех категорий сточных вод: бытовых (хозяйственно-фекальных), производственных (промышленных) и атмосферных вместе с поливо-моечными. Совместное отведение и очистка бытовых и производственных сточных вод является более целесообразным. Однако сточные воды некоторых предприятий, например, мясокомбинатов и кожевенных заводов, только после их предварительной обработки и обеззараживания могут быть приняты в коммунальные канализации. Не принимаются в них без предварительной очистки производственные сточные воды, содержащие жиры, масла, смолы, бензин, нефтепродукты, ядовитые вещества, нерастворимые примеси с большим удельным весом, воды с волокнистыми и объемными примесями. 82

Не допускается сброс вод, которые могут выделять ядовитые или взрывчатые газы, стоки предприятий тяжелой промышленности, заводов черной металлургии, рудообогатительных фабрик, машиностроительных и химических комбинатов. Производственные сточные воды очищаются различными методами. Группа регенеративных методов применяется для извлечения ценных веществ и их утилизации; группа деструктивных - для разрушения загрязнений сточных вод или перевода их в безвредные для водоема соединения. Естественно, что внедрение регенеративных методов очистки воды сулит большие эколого-хозяйственные выгоды. Их предпочтительно применять и в системах промышленного водообмена. Очистка бытовых сточных вод. Для этого используют механический, химический и биологический методы. При механической очистке применяются решетки, сита, песколовки, жироловки, маслоловушки, нефтеловушки, смолоуловители, отстойники. Этим методом достигается выделение из бытовых сточных вод до 60% нерастворенных примесей и снижение БПК на 20 %. Из производственных сточных вод выпадает до 95% нерастворенных веществ. Для интенсификации механической очистки применяют аэрацию бытовых сточных вод. Химическая очистка заключается в добавлении к сточным водам таких реагентов, которые способствуют выпадению нерастворенных, коллоидных и частично растворенных веществ; некоторые нерастворенные вещества переводятся в растворенные безвредные образования. При такой очистке необходимо реагентное хозяйство, смесители, камеры реакции и отстойники. Химические методы, применяемые главным образом для промышленных сточных вод, позволяют уменьшить количество нерастворенных загрязнений на 95% и растворенных - на 25%, БПК может быть снижена на 80%. В некоторых случаях удаляются все растворенные вещества, например, соли тяжелых металлов. Разновидностью химического метода является электродиализ. Механический и химический методы могут либо сопровождаться биологической очисткой, либо являются конечными процедурами, после которых очищенная вода выпускается в водоемы. Осадок сточных вод обрабатывается, обеззараживается, обезвоживается и часто испопьзуется для различных хозяйственных целей (как органическое удобрение или источник энергии). Биологическая очистка заключается в минерализации органических загрязнений сточных вод, находяшихся в виде тонко диспергированных нерастворенных и коллоидальных веществ, а также в растворенном состоянии. После такой очистки при помощи аэробных биохимических процессов вода становится прозрачной, незагнивающей, содержащей растворенный кислород и нитраты. Биологическая очистка ведется, либо в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации и биологические пруды), либо в искусственно созданных (биофильтры). Биологическая очистка в искусственно созданных условиях может быть полной, когда БПК сточных вод снижается на 90-95%, и неполной, когда БПК снижается на 40-80%. После биологической очистки сточные воды обеззараживают (дезинфицируют) жидким хлором или хлорной известью. Обеззараживание сточных вод может проводиться и после механической очистки. Считается, что технологическая очистка бытовых и промышленных сточных вод позволяет изъять 90-95% загрязнений, и только 5-10% наиболее стойких поллютантов поступает в водоемы. Однако в действительности процент изымаемых загрязнений бывает ниже и равен 80-85%. Очистка сточных вод более чем на 80-85 %, как правило, обходится очень дорого. Между тем, стоимость очистных сооружений на некоторых промышленных предприятиях и так доходит до 30% и даже 40 % от общих капиталовложений. Разбавление 83

сточных вод некоторых видов промышленности даже после очистки должно быть очень значительным. Например, сточные воды целлюлозно-бумажных предприятий после биологической очистки в аэротенках должны быть смешаны с превосходящим их в 50-100 раз количеством незагрязненной воды, а после доочистки в прудах-аэраторах с количеством, которое в 20-50 раз больше. Оборотно-повторная система водопользования. Это один из путей экономии свежей воды и снижения расходов на очистку сточных вод. Очевидна необходимость полного прекращения сброса как очищенных, так и неочищенных сточных вод, так как водная среда неблагоприятна для обезвреживания стойких остаточных загрязнений. Концепция примата очистных сооружений может быть разорительной для любого государства, так как по мере количественных изменений и качественного роста производства такие сооружения будут все дороже и сложнее. Приоритетным направлением работ по борьбе с качественным истощением водных ресурсов является только прекращение сброса сточных вод. Обычно называют три пути к этой цели: создание безотходной, безводной и бессточной технологий. Высшая форма безотходной технологии - применение таких технологических методов производства, при которых никакие вредные для природной среды отходы вообще не образуются. Другой путь - создание комплекса предприятий с цепочечной от одного к другому схемой использования их отходов. Однако безотходная технология пока еще только разрабатывается. Некоторые считают, что безводная, или сухая, технология полностью решит проблему расхода воды промышленными предприятиями и исключит образование сточных загрязненных вод. Однако при безводных технологических процессах происходит загрязнение атмосферы, а через нее и водных объектов. На ближайшую перспективу реальным путем предотвращения поступления сточных промышленных вод в водоемы является применение оборотного водоснабжения. При этом состав сточных вод, возникающих на предприятиях, кондиционируется на таком уровне, чтобы они вновь могли применяться на том же предприятии. Дальнейшее расширение замкнутых систем оборотного водоснабжения является основным направлением развития водного хозяйства ТЭС. Развиваются оборотные системы водоснабжения и в атомной знергетике. Значительно снизить потери воды в водооборотном цикле помогает внедрение аппаратов воздушного охлаждения. Например, для ТЭС предлагаются особые аппараты, так называемые сухие градирни. В них отработанная тепловая вода охлаждается воздухом в замкнутом теплообменном аппарате. Потери воды на испарение при этом исключаются. Сухие градирни широко используются в теплоэнергетике. В России они установлены на ряде ГРЭС и АЭС. Эффективность работы сухих градирен может быть повышена, если использовать отходящий теплый воздух для обогрева теплиц. Широкое распространение аппараты воздушного охлаждения получили в США, Франции, Германии, Венгрии и других странах. Для соблюдения норм по защите акваторий от теплового загрязнения в системе охлаждения конденсаторов турбин часто сооружаются искусственные водоемыохладители (градирни). Из них вода после остывания вновь забирается в систему охлаждения. При больших мощностях ТЭС крупные градирни существенно увлажняют воздух, способствуют образованию низкой облачности, туманов, снижению солнечной освещенности, вызывают летом моросящие дожди, а зимой - иней и гололед. 84

Другие способы. С целью рационализации водопользования нередко в промышленности используются очищенные городские сточные воды. Для восстановления качества сточных вод прибегают к использованию земледельческих полей орошения. В большинстве отраслей промышленности постоянно ведется поиск водосберегающих технологий. Особенно сложно утилизовать сточные воды, методы очистки которых не разработаны или слишком дороги. Для этого осуществляется закачка сточных вод в подземные горизонты. Вскрывают один или несколько широко распространенных водоносных горизонтов, которые при достаточной мощности (7-10 м) и хорошей проницаемости могут обеспечить многолетнюю эксплуатацию установки. Пласт-коллектор должен быть хорошо изолирован от пресных или ценных минеральных вод. Приемистость скважин для закачки бывает до 2000-5000 м3/сут при давлении на устье в 5-10 атмосфер. Если пласты или пласты-коллекторы представлены мелкотрещиноватыми или слабопористыми породами, то необходима тщательная подготовка сточных вод, обеспечивающая минимальное остаточное количество твердых частиц (от 2 до 10 мг/л в зависимости от соотношения размеров пор и частиц). В России подземное захоронение сточных вод используется в нефтяной промышленности (закачка промысловых вод) и при анилино-красочном производстве. Водоснабжение крупных городов часто требует создания сложных водохозяйственных систем, в которые входят каналы, водохранилища, подземное магазинирование вод и т.п. Экологические проблемы, связанные с такого рода мероприятиями, и пути их решения выходят за рамки управления городской средой, хотя все такого рода действия в первую очередь нацелены на удовлетворение потребностей горожан и оптимизацию среды их обитания. 5.6.Изменение литосферы. Преобразование литосферы на урбанизированных территориях осуществляется более, чем интенсивно. Оно происходит при подземном и поверхностном перемещении вещества человеком, а также вследствие различного рода воздействий на нее. В первую очередь это: 1) статическая нагрузка сооружений; 2) динамические нагрузки типа вибрации, толчков и др.; 3) непреднамеренное или преднамеренное вынужденное изменение запасов подземных вод; 4) тепловой поток от коллекторов, отапливаемых зданий, цехов и др. Строительство, ремонтные работы, а также благоустройство городов включают такие виды деятельности, как искусственное укрепление грунтов путем их обжига, кольматации, утрамбовывания и др. Широко применяется восстановление на оголенных территориях почвенно-растительного слоя. Накопление культурного слоя. Его аккумуляция происходила во всех городах в прошлом. Сейчас оно продолжается фрагментарно на заводских дворах, в заброшенных карьерах и в других местах. Классификацию антропогенных отложений, в которую включены различные аккумулятивные образования городов, одним из первых разработал Ф.В.Котловым. Уплотнение грунтов. Это явление сопровождается уменьшением влажности и пористости грунтов, а также увеличением их объемного веса. Удельное давление от веса зданий, сооружений, насыпей и отвалов в современных городах колеблется от 0,1 до 20 кг/см2 и более. Высотное здание МГУ возвышается на 180 м и имеет объем около 2 млн.м3. Уплотнение пород под весом здания вызвало осадку поверхности земли под его центром в 4,7 см. В целом здание МГУ и другие московские высотные дома создали своей тяжестью депрессии, границы которых проходят на расстоянии 50-120 м от периметра здания. При плотной застройке депрессии проседания своими внешними края85

ми смыкаются, и под городом возникает крупномасштабная депрессия сотообразного строения. Площадь таких депрессий бывает от долей км2 до 3500 км2 и более. Осадка илов, сапропелей или торфяников может достигать очень больших величин. Например, в Архангельске, где 80% территории сложено торфяниками, отдельные дома опустились на 1-3 м, а участки дорог - на 3-4 м. В грунтах с большим количеством органического вещества уплотнение вызывает его быстрое окисление. Особенно опасны для сооружений неравномерные осадки. Знаменитая Пизанская башня просела всего на 2 м, но разница опускания основания между его северным и южным краями составила 1,8 м, что привело к отклонению башни от вертикального положения на 10°. Динамические нагрузки (вибрации, удары и толчки) уплотняют раздельно-зернистые рыхлые и недоуплотненные грунты. Кроме того, они могут разрушать структуру непрочных тиксотропных грунтов. Песчаные грунты значительно больше уплотняются при пульсирующей нагрузке, нежели при статической. В Москве здания, расположенные вдоль улиц с интенсивным движением транспорта, осели в среднем на 3-8 мм больше, чем находящиеся в переулках и тупиках. Среди зданий в зоне вибрационного влияния метро, есть такие, которые подверглись дополнительной осадке на 5-20 см. Однако мульды проседания над линиями метро образуются вследствие совокупного действия нескольких процессов: 1) гравитационного уплотнения сжимаемых пород под основаниями сооружений, 2) гидродинамического уплотнения при дренаже, 3) уплотнения под действием вибрации от движения поездов. Уплотнение грунтов при обезвоживании их корнями деревьев происходит в городах там, где распространены глины. Деревья забирают содержащуюся в них влагу даже из очень мелких пор. По мере осушения глин корни деревьев прорастают дальше и осушают новые участки. В результате обезвоженные грунты уплотняются, происходит их неравномерное оседание, а это вызывает деформацию расположенных на них уличных покрытий и даже зданий. Подтопление. В городах оно связано с созданием вблизи них водохранилищ, но, кроме того, возможно из-за значительных утечек воды из городской сети и даже при избыточных поливах улиц, газонов и бульваров, а также при перераспределении снега и его таянии в местах скопления. Территории, на которых уровень грунтовых вод залегает не глубже трех метров от поверхности, т.е. достигает глубин расположения большинства подземных коммуникаций, подвалов зданий и сооружений, считаются подтопленными (Осипов, 1994). Так, подтопление на территории г. Симферополя объясняется: 1) отсутствием или недостаточной эффективностью ливневой канализации при неудовлетворительном техническом состоянии бытовой канализации; 2) переувлажнением территорий вследствие неупорядоченного полива приусадебных участков в условиях слабой естественной дренированности; 3) уменьшением испарения и увеличением конденсации вследствие асфальтирования застроенных территорий; 4) утечкой воды из водонесущих коммуникаций; 5) ухудшением фильтрационных свойств грунтов основания в результате их уплотнения и связанным с этим уменьшением стока грунтовых вод с застроенных территорий. В Москве только 30% инфильтрационного питания грунтовых вод формируется за счет атмосферных осадков, а 70% (около 146 млн. м3/год) поступает из-за функционирования городского хозяйства. На 2/5 площади Москва подтоплена. В Западном, ЮгоЗападном и Северо-Восточном округах уровень грунтовых вод повышается со скоростью от 5 до 40 см/год. 86

Затопление подвалов зданий и подземных коммуникаций, повышение сейсмичности территории, снижение несущей способности грунтов и, как следствие этого, преждевременные деформации и выход из строя сооружений и части подземной инфраструктуры, появление комаров с распространением их в помещения, рецедив различных заболеваний, угнетение растительности - таков результат обводнения подземного пространства Москвы (Осипов, 1994). Более 30 крупных предприятий, включая ЗИЛ, нефтеперерабатывающий завод, две ТЭЦ и многие другие объекты Москвы находятся на подтопленных землях. Подтопление может иметь весьма опасные последствия там, где оно активизирует суффозию, карст, тоннельную эрозию и др. Провалы и просадки, развивающиеся при этом, приводят к разрушению зданий и разрыву коммуникаций. Повышение влажности глинистых грунтов, обладающих способностью к набуханию, вызывает увеличение их объема, а это часто приводит к неравномерному выпучиванию конструкций и их повреждению. Понижение уровней подземных вод. Для крупных городов характерен отрицательный баланс подпитки артезианских водоносных горизонтов из-за уменьшения инфильтрации поверхностных вод на 30-80%. Уже по этой причине происходит понижение уровней подземных вод и формирование депрессионных воронок в них. Однако там, где подземные воды под городами, кроме того, истощаются в результате их использования для водоснабжения, масштабы водопонижения увеличиваются. В Москве, Мытищах, Подольске из-за откачки артезианских вод из каменноугольных отложений и произошедшего в результате водопонижения создалась опасность провалов. Поэтому откачки были сокращены. Тем не менее, в подземном пространстве Москвы и окрестностей создалась депрессионная воронка радиусом в 90 км. Уровень подземных вод в подольско-мячковском водоносном горизонте снизился на 50-70 м, а в алексинско-протвинском водоносном горизонте - на 90-120 м. Карстово-суффозионные процессы. Это опаснейшие явления, свойственные районам, где развиты закарстованные породы и где нарушается гидродинамическое равновесие, например при избыточных откачках подземных вод. Чаще всего эти процессы поражают городские территории, а также места горных разработок и водозабора для ирригации, где возникают депрессионные воронки уровней подземных вод. Откачки стимулируют вынос воды и обломочного материала из карстовых полостей, что и приводит к катастрофическим провалам и быстрому неравномерному оседанию местности. За последние 25 лет в северо-западной части Москвы зарегистрированы 42 провальные воронки диаметром от нескольких метров до 40 м и глубиной от 1,5 до 8 м. Целые кварталы жилой и промышленной застройки находятся в 10 зонах повышенных оседаний земной поверхности. Периодически происходят деформации или даже разрушения объектов. В 1969 г. полностью разрушился пятиэтажный жилой дом на Хорошевском шоссе, в 1977 - еще два в Новохорошевском проезде (Осипов, 1994). Оседание местности. Это явление связано с понижением уровней подземных вод под городами, а иногда и с извлечением нефти и газа, имеет тот же механизм, что и при откачках подземных вод для орошения земель или защиты горнодобывающих предприятий от затопления. Примерно одинаковы и масштабы оседания, достигающие обычно первых метров. Максимальное опускание земной поверхности, равное 9 м, зафиксировано в пределах г.Мехико, на 8,6 м - в г.Тайбей на Тайване, на 4,3 м - в г.Токио и на 3,1 м - в г.Осака в Японии. 87

Сдвижение горных пород в массиве. Так называют нисходящие движения участков земной поверхности над горными выработками с образование мульд проседания и провалов. В городах, расположенных на подрабатываемых территориях, это явление наносит большой материальный ущерб, так как приводят к разрушению дорог, мостов, каналов, зданий, подземных магистралей и др. Такие явления имеют место в Кривом Роге, Караганде, Прокопьевске, Осинниках, Ленинск-Кузнецке, Донецке, Горловке, Кадиевке, Макеевке и др. Выветривание и другие процессы разрушения. Несмотря на то, что городские покрытия, а также различные сооружения и здания весьма устойчивы к воздействию обычных агентов денудации, даже они подвергаются разрушению. Выпадающие на городскую территорию осадки обладают повышенной агрессивностью, поскольку они представляют собой растворы ряда кислот, солей, органических веществ с примесью мелких твердых частиц. Кроме того, резкие гидротермические колебания, а также прямое воздействие ингредиентов городской атмосферы создают благоприятную обстановку для разрушения искусственных материалов городских объектов. Воздействие загрязненного воздуха и атмосферных осадков лучше всего обнаруживается при изучении изменений, происходящих с городскими архитектурными памятниками. Так, всемирно известный греческий Акрополь в Афинах подвергается следующим вредным атмосферным воздействиям: 1) коррозии в результате ударов твердых частиц; 2) накоплению и переотложению твердых частиц, наличие которых усиливает многие реакции с участием загрязняющих газообразных веществ; 3) прямому химическому разрушению, в особенности при реакциях серного и сернистого газа с материалами из мрамора и известняка с образованием легко растворимого гипса; 4) косвенному химическому разрушению при адсорбции в поверхностном слое газообразных соединений серы, превращающихся затем в серную кислоту, которая ослабляет этот слой; 5) электрохимической коррозии вследствие того, что сернокислые газы в присутствии влаги увеличивают электропроводность железа, стали и других металлов и тем самым ускоряют их разрушение. За 2240 лет доиндустриального времени фризы на храме Парфенона в Акрополе изменились гораздо меньше, чем за 136 лет с 1802 до 1938 гг. Это удалось установить, сравнив слепки с этих фриз и сделанные с фриз фотографии спустя 136 лет. Изучение особенностей разрушения греческого Акрополя показывает, что в современных городах процессы выветривания весьма активны и имеют специфический характер. Интересен и другой пример “гуманности” выветривания к памятникам в доиндустриальное время. Знаменитые два гранитных обелиска (каждый из них назван “Игла Клеопатры”) были воздвигнуты на берегу Нила в Гелиополисе в 15 в. до н.э. Тутмосом III и позже увезены Римским Императором Августом в Александрию, примерно в 14 г. до н.э. Затем один из этих гранитных обелисков был вывезен в 1878 г. в Лондон на набережную Виктории, а другой - в 1881 г. в ньюйоркский Сентрал-Парк, США. О монументе, доставшимся американцам, известно, что он быстро разрушается под воздействием выветривания. Между тем, в течение почти 34 веков он оставался в хорошем состоянии, будучи вне городской среды. Эоловые процессы. В городах ветер поднимает значительные количества пыли со всех поверхностей, не защищенных растительностью. Дымовые трубы, вытяжные устройства, уборочные машины и городской транспорт поставляют большое количество аэрозолей в воздушные массы, в результате чего концентрация примесей в них в среднем всегда на 2-3 порядка выше, чем в воздухе сельской местности. Особенно велика аккумуляция в городах эоловой пыли там, где ведется карьерная разработка полезных 88

ископаемых. Немногим лучше в этом отношении ситуация в городах, находящихся в аридных зонах. Поверхностный смыв. Годовой сток с городских территорий обычно больше, чем в естественных условиях. Это сказывается на поверхностном смыве, который естественным путем формируется при дождях и снеготаянии. Интенсификации поверхностного смыва способствует преимущественная оголенность городского рельефа, разреженность растительного покрова озелененных участков. Например, на территории Киева во время ливней происходит интенсивная плоскостная эрозия. После дождей на тротуарах и мостовых города остается большое количество пылеватого и песчаного материала, выносимого из прилегающих дворов. После одного из ливней в июне 1963 г. на Набережном шоссе Киева мощность слоя лессово-песчаного наноса достигала 15 см. Основными источниками выноса обломочного материала в городах служат стройплощадки, на которых поверхностная эрозия происходит очень энергично. Со строительных площадок поверхностным смывом обычно удаляется от 100 до 300, а иногда до 500 т/га в год и больше. Поверхностный смыв и сопряженные с ним естественные и искусственные способы удаления продуктов денудации выполняют важную роль в очищении городов от загрязняющих веществ. Поскольку смыв с урбанизированных территорий происходит в условиях определенного увеличения количества осадков, можно считать, что урбанизированным территориям присущ определенный эффект самоочищения. Овражная эрозия. В городах она часто стимулируется увеличением водности временных водотоков за счет утечек из водопроводной сети и каналов ливневого стока. Однако и без этого она может проявляться очень интенсивно. В Москве, в микрорайоне Теплый Стан за три года образовался донный овраг глубиной 5-7 м. Скорость его продвижения составляла 50-100 м/год. Причина возникновения оврага - уничтожение почвенно-растительного покрова при планировки местности для жилищного строительства. После сооружения микрорайона Ясенево утечки воды из водопроводной сети увеличили сток речек и ручьев на территории прилежащего Бицевского лесопарка. Это усилило донную эрозию в их долинах и, как следствие, быстрое регрессивное распространение эрозионных врезов по днищам балок. Ухудшился рельеф парка в этих местах и процесс этот не ослабевает. В Киева имеется большое количество оврагов, в основном привязанных к долинам рек Днепра и Лыбеди. Длина оврагов достигает 2-5 км, глубина 50 м, ширина поверху 1,2 км. Оврагообразованию здесь благоприятствует большая мощность (около 100 м) толщи легкоразмываемых пород, залегающих выше базиса эрозии. В ряде случаев оно дополнительно интенсифицируется антропогенными стоками. Оползни. Провоцирование оползневых процессов в городах происходит под воздействием ряда факторов. Наиболее обычными из них являются: 1) подрезка склонов, 2) дополнительная нагрузка на неустойчивые массивы пород, 3) их обводнение и 4) динамические нагрузки. В России оползневые процессы обычны для многих городов. Они имеют место, например, в Москве, Нижнем Новгороде, Ульяновске, Волгограде, Сочи и др. На территории Москвы выявлены 15 крупных участков развития глубоких (до 100 м) и около 200 участков поверхностных оползней. В наихудшем состоянии находится правый склон долины Москвы-реки в районе Москворечья. На Воробьевых горах из-за оползневой активности вышла из строя и, видимо, очень надолго эскалаторная галлерея к закрытой ныне станции метро Ленинские горы (Осипов, 1994). 89

Грандиозные оползни образуют подуступье Яйлы в пределах Южного Берега Крыма. Много беспокойства доставляют оползневые процессы городским службам Одессы и Киева. Загрязнение подземных вод. На урбанизированных территориях оно происходит главным образом в результате: 1) фильтрации загрязненных дождевых, талых и поливомоечных вод, 2) потери воды в системах канализации и очистных сооружениях и 3) проникновении в водоносные горизонты стоков с мест захоронения твердых отходов, а также с прилежащих полей, где применяются минеральные удобрения и ядохимикаты. Установлено, что в районах некоторых городов и промышленных центров загрязнение подземных вод весьма высокое. Показательны в этом отношении данные по качеству подземных вод района г.Милуоки (штат Висконсин, США). Пробы подземных вод с водосборной площади р.Меномони, занятой городской застройкой, характеризуются высокими концентрациями хлоридов (180 мг/л) и сульфатов (190 мг/л). Кроме того, они содержат значительное количество аммония (до 3 мг/л), им присуще фекальное загрязнение и наличие стрептококковых бактерий. Привнос загрязняющих веществ в подземные воды в г.Милуоки связан с инфильтрацией вод р.Меномони, загрязненных хозяйственно-бытовыми и промышленными отходами, а также с просачиванием в подземное пространство вод сточных канав. Дополнительное заражение хлоридами возможно вследствие инфильтрации соленых вод с дорог. Таким образом, в пределах городских территорий реки могут быть как бы подвешенными над депрессионными воронками уровня подземных вод. В этом случае речные воды оказываются едва ли не главным промежуточным коллектором загрязняющих веществ, из которого последние поступают в подземные водоносные горизонты. Другой причиной загрязнения подземных вод служит их частичное истощение. Присходящее при этом снижение напоров приводит к усилению питания эксплуатируемых водоносных горизонтов за счет перетекания из вышележащих горизонтов и подтягивания поверхностных вод. Так возникает химическое и бактериальное загрязнение подземных вод и их качественное истощение. Например, на участках отдельных водозаборов Москвы (Центр, Павелецкий вокзал, Люблино-Нагатино, Дорхимзавод, Остаповское шоссе) концентрации ртути, свинца, цинка, кадмия, хрома в подземных водах превышают ПДК в 3-10 раз (Осипов, 1994). Большая угроза качеству подземных вод в районах городов исходит от быстро растущих свалок. Накопление отходов. Города - самые крупные производители отходов. Так, в Москве ежегодно образуется 2,3 млн.т твердых бытовых отходов. Годовые темпы их прироста составляют 3,1%. Промышленной переработке и обезвреживанию подвергается около 10% этого мусора, остальное вывозится на полигоны и свалки. Ежегодно на территории города образуется около 6 млн.т промышленных отходов. Из них 54% используется вторично, 36% складируется на свалках и полигонах, 10% скапливается в промзонах, либо на несанкционированных свалках (Осипов, 1994). Статистические данные показывают, что в условиях современной технологии при более высоком уровне экономического развития страны в ней больше образуется отходов в расчете на душу населения. Средняя норма накопления мусора в развитых странах колеблется от 150-170 (Польша) до 700-1100 кг/чел. в год (США). В США ежегодно производится в качестве тары и упаковки и затем выбрасывается в среднем 65 млрд. единиц металлических емкостей, 30 млрд. бутылок, 65 млрд.т бумаги, 3,5 млн.т пластиков. К ним добавляется 100 млн. штук старых автомобильных покры90

шек, 5 млн. отслуживших автомобилей, 7,5 млн. телевизоров. Органические отходы (навоз, остатки растений и деревьев, осадки сточных вод, бытовые и пищевые отходы, промышленные органические вещества) образуются ежегодно в количестве 728 млн.т. Поток отходов увеличивается благодаря росту упаковочного материала. Целых 300 кг использованных упаковок выбрасывает ежегодно каждый американец. В США и Великобритании бумага составляет 50 и 65% объема бытовых отходов. В России этот показатель равняется 350 кг/чел. в год. Бытовые отходы москвичей в настоящее время состоят на 35-40% из бумаги, на 30-40% из пищевых отбросов, на 14% из стекла, на 1-4% из металлолома. Количество промышленных отходов в развитых странах в 2-3 раза превышает по массе бытовой мусор. Размещение свалок бытовых и промышленных отбросов существенно меняет строение поверхностных отложений в городах и на их окраинах. Техногенные физические поля. В геологической среде городов фиксируются вибрационное и температурное поля, а также поле блуждающих токов. В Москве, по В.И.Осипову, вибрационный фон связан в основном с движением транспорта, а другие источники оказывают локальное воздействие. В среднем уровень вибрации (виброскорость) составляет 46 дБ, что соответствует среднему уровню воздействия. Однако в ряде случаев техногенная вибрация достигает 86-100 дБ. В районе Российской государственной библиотеки уровень вибрации из-за движения поездов метро превышен и составляет 90 дБ. Электрическое поле блуждающих токов на территории Москвы в сотни раз превышает естественный фон. Оно формируется за счет утечек с электрофицированного рельсового транспорта, заземлений промышленных установок и станций катодной защиты. В результате активизировалась коррозия подземных коммуникаций. Четверть площади Москвы характеризуется по этой причине высокой коррозионной опасностью. Тепловые поля Москвы формируются в местах нахождения промышленных объектов и утечек из теплотрасс. Москва-река повсеместно в городе подвергается тепловому стрессу. При росте температуры грунтов повышается их коррозионная активность. 5.6. Шумовое загрязнение и борьба с ним. Шум типичен для городской среды. Интенсивность звука измеряют в децибелах (деци - латинская приставка, означающая одну десятую, бел - в честь Александра Грейама Белла (1847-1922 гг., изобретателя телефона). Порог чувствительности уха к звукам принят в 0 дБ(А). Если ухо ощущает удвоение громкости, то такое изменение оценивается как повышение шума на 10 дБ(А). Вот примеры интенсивности распространенных звуков в дБ(А): шелест листвы - 10-40, шепот - около 30, тиканье будильника в 1 м от уха - 25-30, дыхание спящего человека - около 25, обычный разговор - 50-60, громкий разговор - около 75, воспринимаемый с обочины дороги шум легкового автомобиля, движущегося со скоростью 100 км/ч - 80-90, пневматический отбойный молоток - около 105, реактивный двигатель на испытательном стенде - более 110, реактивный самолет на расстоянии 50-100 м - 120-130 дБ(А). Различают следующие градации действия шума на человека: 1) мешающее действие, верхний предел привыкания к шуму дома днем 40-45 дБ(А), а ночью - 35 дБ(А); как помеха шум может восприниматься при 25 дБ(А); 2) активация, т.е. возбуждение центральной и вегетативной нервной системы, нарушение сна, нарушение умения расслабляться, заметное усиление реакций, связанных с испугом; порог некоторых из этих реакций довольно высок, начиная с 70-75 дБ(А), но некоторые из них возникают при превышении фонового уровня шума всего на 3-6 дБ(А); 3) влияние на работоспособность: привычные и ожидаемые шумы не ухудшают выполнения заученных умственных и 91

двигательных действий. Неожиданный, непривычный и нежелательный шум может ослаблять производительность труда; 4) помехи для передачи информации и нарушение общей ориентации в звуковой среде. Разборчивость речи, акустическая ориентация в окружающей среде и восприятие предупреждающих сигналов нарушаются при шуме тем сильнее, чем выше его уровень; 5) постоянное воздействие шума может вызвать глухоту из-за повреждения чувствительных к звуку клеток внутреннего уха. Опасность постоянной глухоты возникает, если на человека ежедневно в течение 8 часов действует шум со средним уровнем выше 85 дБ(А). Очень высокую шумовую нагрузку - более 100 дБ(А) - испытывают работающие на металлургических предприятиях и в подземном строительстве. Шум - отход или побочный продукт эпохи НТР. Особенно сильный шум производят тяжелые грузовики и автобусы, на втором месте - мотоциклы и мопеды и на третьем легкие грузовики и легковые машины. Поезда производят кратковременный, но в своих максимумах гораздо более громкий шум, чем идущий от сети автодорог. Почти треть жителей ФРГ ощущают дискомфорт от уличного шума. Борьба с шумовым загрязнением ведется разными способами. Огромную роль играет в этом правовое регулирование. Оно должно ужесточать технические нормы на максимально допустимый уровень шума от средств транспорта и предприятий. Функцией дорожной инспекции является пресечение использования транспортных средств с неисправными глушителями. Рациональное планирование городской застройки, хорошая организация движения транзитного транспорта вокруг городов также дают большой положительный эффект. Кроме того, в городах осуществляется экранирование дорог шумозащитными стенами, валами или выемками, в которые они заглубляются. Озеленение городов способствует ослаблению шумовой нагрузки. Кроме того, хорошие результаты дают приемы строительства зданий из звукоизолирующих материалов. Проблема борьбы со звуковыми перегрузками крайне актуальна для горожан и жителей поселков, сквозь которые проходят транзитные шоссе или вблизи которых есть железная дорога. 5.8. Управление геологической средой. Можно выделить три аспекта такой деятельности. Это, во-первых, контроль над неблагоприятными проявлениями экзодинамики (мониторинг экзогенных процессов), вовторых, разнообразные мероприятия по освоению и использованию подземного пространства и, в-третьих, управление отходами. Мониторинг экзогенных процессов. В городах действуют различные службы, в функции которых входит оценка состояния и прогноз развития неблагоприятных явлений в геологической среде - таких как оползни, провалы, подмыв берегов акваторий, подтопление, оседание, загрязнение подземных вод. Работы по контролю над такого рода событиями проводят геологи, гидрогеологи, геоморфологи. В последнее время активное участие в изучении условий жизни горожан принимают геохимики, оценивающие загрязнение почвенного покрова и других компонентов городского ландшафта. Использование подземного пространства. Это тоже своего рода управление геологической средой. Земные недра издавна служат человеку в качестве дополнительного жизненного пространства. В настоящее время объем подземных сооружений, не связанных с добычей полезных ископаемых, в развитых странах удваивается каждые 10 лет. Расширяются их функции. Под землей размещаются линии метро, крупные промышленные комплексы, огромные хранилища нефтепродуктов и сжиженных газов, машинные залы электростанций, гаражи, грибные плантации, спортзалы, санатории, музеи, хранилища золота, драгоценностей, валюты, и даже места, где сохраняют прах 92

людей. Пока подземное пространство таким образом используется в основном до глубин 200 м. Широкую известность получили катакомбы в подземном пространстве таких городов как Одесса, Рим, Париж. Большой экономический эффект дает использование естественных подземных резервуаров для аккумуляции нагретых вод или сжатого воздуха. Накопление обычно ведется при избыточной выработке тепловой или электрической энергии различными установками, а использование приурочивается к периодам повышенной потребности в тех же видах энергии. Управление отходами. Применяемые многочисленные методы обезвреживания отходов объединяются в три группы. 1. Ликвидационные, используемые исключительно с целью изолировать и по возможности уничтожить растущую массу отходов без извлечения полезного вторичного сырья. Ликвидация на свалках как открытых, так и усовершенствованных (многоярусных, с земляным покрытием) - самый распространенный способ удаления и изоляции отходов. В ряде случаев свалки устраивают для улучшения рельефа в пределах города (засыпки оврагов, котловин и т.п.) или даже для наращивания его площади за счет акватории (засыпка мелководий). Широко практикуется заполнение отходами заброшенных шахт, рудников и карьеров. Все больше внедряется сжигание отходов. Существуют также субаквальные свалки мусора, при его сбросе - дампинге (англ. dump - сваливать мусор) на дно внутриконтинентальных водоемов, а также морей и океанов. На морское дно больше всего сбрасывается грунта, получаемого при землечерпательных работах для очистки судовых путей и гаваней. Такой грунт обычно загрязнен различными органическими веществами и тяжелыми металлами. По ориентировочным расчетам он составляет 80% веса всех сбрасываемых в море отходов. Остальные 20% составляют строительный мусор, отстои сточных вод, различные промышленные отходы. К числу стран, имеющих большой опыт по сбросу осадков сточных вод в море, относится Великобритания. С судов и через трубопроводы сбрасывается ежегодно около 300 тыс.т (в пересчете на сухой осадок) такого рода отбросов. В Нью-Йоркской бухте за период 1888-1973 гг. было затоплено около 250 млн.м3 отходов. В результате на ее дне образовались возвышения до 15 м. В направлении песчаных пляжей побережья наблюдается перемещение наносов, богатых органическими веществами и металлическими частицами. 2. Частично ликвидационные методы предусматривают сортировку отходов на специализированньк заводах и выделение наиболее легко утилизируемых категорий мусора. Основная часть мусора сжигается. 3. Утилизационные методы, при помощи которых используются все компоненты мусора. Пищевые отбросы после тепловой обработки потребляются на свинофермах. Пластмасса, стекло, металлолом, тряпье, бумага используются как вторичное сырье. Древесина, резина и некоторые другие отходы сжигаются для получения энергии. Все это делается на высокомеханизированных мусороперерабатывающих заводах. Полная утилизация отходов достигается в результате сложного законченного цикла производственных процессов - сортировки с применением магнитной сепарации и дробления, биологической переработки, гидролиза или газификации органических веществ и ряда других технологических процессов. Всего в мире в 1980-х гг. ежегодно сжигали промышленным способом около 6% бытового мусора (50 млн.т), что давало мировому хозяйству 7,5 млрд. кВт-ч энергии. Это составляло около 0,1% от мировой выработки первичной энергии. Тем не менее сейчас 93

важную роль приобретает строительство небольших фабрик, производящих биогаз из органических отходов. Такие предприятия получили большое распространение в Китае, в Индии и ряде других развивающихся стран. Быстро расширяется индустрия по вторичному использованию отходов. В некоторых странах Западной Европы действуют предприятия, извлекающие пластиковые отходы и превращающие их в новые изделия из пластмассы. Служба утилизации отходов непрерывно совершенствуется. В конце 1980-х гг. в Японии начато использование роботов для сбора и транспортировки твердых бытовых и промышленных отходов, а также их участие в производственных процессах на мусороперерабатывающих предприятиях. Сравнительно новое направление в использовании свалок - получение метана, выделяющегося при гниении органических отбросов. 5.9. Примеры влияние географических условий. Воркута. Город находится в Заполярье и насчитывает свыше 100 тыс. жителей; является местом добычи угля. В Воркуте при современном освоении территории средняя годовая температура воздуха на 1,3-1,5ОC выше температуры окружающей местности, а в дневное время, зимой при отсутствии ветра эта разница достигает 6ОС. Отепление территории названного города связано с длительностью отопительного сезона и большими тепловыми потерями зданий и сооружений в условиях Заполярья. Только за зиму в Воркуте накапливается 15 т пыли на гектар. А.Н.Кулиев и В.А.Лобанов исследовали особенности загрязнения тундры в окрестностях Воркуты эоловыми выносами. Особенности аккумуляции последних определяются наличием устойчивых ветров и отсутствием высоких естественных препятствий в этой части тундры. Поэтому городские дымогазовые шлейфы здесь часто простираются на 50 км. Осенью и особенно в зимнее время инверсионные процессы в атмосфере приводят к застаиванию загрязненного воздуха над Воркутинским промышленным комплексом. Загрязняющие вещества поступают в тундру как от отдельных мощных источников (высокие трубы ТЭЦ города, цементного завода и других предприятий), так и от многочисленных котельных, шахт, жилищно-коммунальных хозяйств, а также отопительных систем домов и учреждений. Антропогенные выбросы усиливаются в зимнее время. Непосредственно вблизи города выпадают тяжелые фракции пыли, состоящие из частиц горных пород. Несколько дальше оседают более мелкие частицы сажи и другие легкие компоненты пыли. На значительные расстояния в тундру попадают мелкие частицы пыли и аэрозоли промышленных загрязнений. Преобладание южных ветров и особенности расположения предприятий обусловливают оседание основной массы пылевидных выбросов в северной части района. В окрестностях Воркутинского промышленного комплекса оконтурено 5 зон с различным загрязнением (рис. 11, табл. 6). Таблица 6. Содержание пыли в зонах запыленности снежного покрова окрестностей Воркуты (по А.Н.Кулиеву и В.А.Лобанову) Зоны загряз- Количество пы- Источники загрязненения ли в снегу, т/га ния I- фоновые 0,06 - 0,18 Атмосфера, оголенная поверхность тундры II - малого от 0,12 до 0,4 Воркутинский промышленный комплекс 94

III - среднего от 0,4 до 1,6

Отопительные системы поселков IV - сильного от 1,6 до 6,4 Терриконы шахт, железные дороги V - максималь- >6,4 ; местами до ТЭЦ, цементный завод ного 23,1 В Воркуте почти повсеместно сформировался культурный слой мощностью от 1 м в местах его стихийного накопления до 4-8 м в пределах насыпей дорог и 23-25 м - на участках, где сформированы терриконы. Значительную мощность имеют также заполнения оврагов твердыми отходами. На территории отмечено локальное повышение уровня подземных надмерзлотных вод и подтопление отдельных зданий и сооружений. Это связано с наличием прудов, отстойников и т.п., а также с утечками из инженерной сети и другими причинами. В то же время под влиянием водоотлива, производимого для защиты шахт от затопления, в пермском водоносном горизонте образовалась депрессионная воронка глубиной 50 м. Под влиянием антропогенного фактора изменились не только запасы подземных вод, но и отчасти их температуры и химический состав. Наличие многолетнемерзлых пород в условиях городской среды предопределяет развитие специфических антропогенных процессов. Термопросадки. Отепляющее воздействие сооружений, ведущее к протаиванию грунтов в зависимости от литологического состава, приводит к различным по величине просадкам. Меньше всего проседают гравийногалечниковые грунты - на 0,5-4,5% от глубины протаивания. У песков и супесей этот показатель равняется 4-6%, у суглинков с обломочным материалом - 7-20%, у глин - 6-48%, у торфяников - 60-80% и у подземных льдов 100%. Скорость термопросадок 46 мм/сут., реже 12 мм/сут. Их величина в Воркуте в среднем составляет 2-5 м, максимально до 5-9,5 м. Срок Рис.11 службы деформированных зданий Зона запыленности снежного посокращается до 10-30 лет. крова окрестностей Воркуты Выпучивание и деформация легких (по А.Н.Кулиеву, В.А. Лобанову) 1- поселки, 2- терриконы, 3- ТЭЦ, зданий наблюдается по данным того 4 - цементный завод. же автора, на отдельных участках гоI-V - зоны запыленности рода. Величина поднятия поверхности ( б б 6) водонасыщенных грунтов до 2 м, а осушенных 0,5-1 м. Пучение сопровождается образованием торфяных бугров, бугристого микрорельефа, пятен, медальонов и др. Деформация различных конструкций возникает также при сдвижениях горных пород над шахтами. 95

Изменение положения верхней границы многолетнемерзлых пород является обычным результатом отепляющего влияния города, осложняемого менее распространенным эффектом выхолаживания. В пределах Воркуты перераспределение составляющих теплового баланса в летний период приводит к возрастанию теплового потока в грунт на 15-20% по сравнению с обычным. В зимний период теплопотери грунта определяются в основном высотой снежного покрова и благодаря повышенным снегоотложениям в городе они меньше. Увеличение теплового потока в грунт привело к тому, что в настоящее время 80-90% территории города, где до застройки сезонное промерзание сливалось с многолетнемерзлой толщей, приходится на участки с глубоким залеганием многолетнемерзлых пород. Лишь там, где снег удаляется или уплотняется ( в основном это делается на городских транспортных магистралях), имеет место противоположный процесс - понижение температуры многолетнемерзлых пород. Понижение границы многолетнемерзлого слоя происходит также при проведении его предпостроечного оттаивания. Таким образом, для городов Заполярья (в пределах криолитозоны) характерны: 1) аномально высокое загрязнение воздуха, почв и грунтов эмиссиями предприятий; 2) изменение запасов, уровня, химизма и температуры подземных вод; 3) развитие термопросадок и выпучивания сооружений; 4) изменение положения поверхности многолетнемерзлых пород и их температуры. Мехико. Столица Мексики характеризуется весьма специфическим комплексом антропогенных и природно-антропогенных процессов. Город площадью около 1500 км2 расположен на абсолютной высоте 2240 м в межгорной впадине, с двух сторон обрамленной хребтами. Разрастание Мехико -процесс, имевший по крайней мере в прошлом колоссальную скорость. Только за 1974 г. город поглотил 17,3 тыс.га сельских территорий. Субтропический климат района Мехико переменно-влажный с отчетливо выраженным сезоном летних дождей и сухой зимой. В зимнее время и в начале весны в окрестностях Мехико возникают пыльные бури, приносящие большое количество пыли в пределы города. В то же время в силу геоморфологического положения и особенностей климата в Мехико примерно половина дней в году характеризуется инверсией температур в приземном слое воздуха. Это обстоятельство, а также большая загазованность атмосферы города выхлопами автотранспорта (в Мехико насчитывается свыше 3,0 млн. автомобилей, а их прирост составляет 240 тыс.в год) стали причинами частого возникновения фотохимического смога. Издали город кажется плавающим в клубах серо-желтого дыма. Выбросы газообразных загрязняющих веществ от промышленных предприятий и автотранспорта достигают 4,5 млн.т в год. В 1994 г. концентрация озона на юго-западе города превышала ПДК в течение 345 дней и это вызывало недомогание у многих жителей. В городе каждые четыре из пяти детей страдают от респираторных заболеваний. Некачественную воду пьют 70% жителей. В Мехико мало зеленых насаждений. На 1 человека их приходится всего 2,4 м2. Зеленые участки, окружающие город продолжают сокращаться и поглощаются застройкой. Правда, в начале 1981 г. было высажено 119 млн. лиственных деревьев для очищения воздуха. Достигнув метровой высоты, деревья перестали расти. В 1984 г. осуществили новые посадки 28 млн. саженцев деревьев, но более жизнестойких, таких как лавр и ясень (Лисицин, 1987).Таким образом, по целому ряду причин качество воздуха в Мехико продолжает ухудшаться. 96

Оседание части территории города в связи с избыточными откачками подземных вод привело к образованию пологой мульды площадью около 200 км2.. При этом величина оседания в ее центре составила 8-9 м, а в среднем 3-4 м. Создались большие сложности в ремонте и эксплуатации метро. Кроме того, в какой-то период из-за снижения уровня поверхности города во время дождей происходили наводнения при повышении оз.Тексоко. Для борьбы с наводнениями были возведены дамбы. Проникновение сильно минерализованных вод упомянутого озера в водоносные пласты местами вызвало засоление подземных вод. Ныне озеро прекратило свое существование. С оседанием земной поверхности в городе связана деформация некоторых зданий и наклонное положение памятников. Кафедральный собор Мехико опустился на 1,4 м с 1940 г. и продолжает оседать со скоростью 7 см/год. Таким образом, воздушная среда, поверхностные и подземные воды, городская растительность, а также рельеф и подземное пространство Мехико подверглись негативным антропогенным изменениям и меры по смягчению происходящей деградации окружающей среды должны быть чрезвычайно неординарными. Например, одна из них - это выполняемая межбассейновая переброска стока для целей городского водоснабжения, что позволяет значительно уменьшить использование артезианских вод, распрстраненных в черте города. Венеция. Город - памятник архитектуры служит уникальным примером развития антропогенных и природно-антропогенных процессов, которые развиваются в пределах полузатопленной морем суши. Город находится на островах крупной лагуны, связанной с Адриатическим морем и одновременно служащей конечным водоемом стока для рек Брента, Пьяве и Силе. Еще в средние века устья этих рек были обвалованы и выведены непосредственно в море. В дальнейшем велось строительство портовых сооружений, углубление подходящих к ним каналов и отвоевание части дна для создания рыборазводных ферм, польдерных угодий и строительства промышленных объектов. Венеция пережила эпоху сильного загрязнения атмосферного воздуха, из-за чего возникла опасность разрушения памятников архитектуры. Однако, после принятых в 1973 г. законов, концентрация поллютантов в атмосфере города понизилась до приемлемого уровня. Поступление в лагуну фосфатов и нитратов промышленного, коммунально-бытового и сельскохозяйственного происхождения приводит к эвтрофикации, наносящей большой ущерб рыболовству и промыслу моллюсков. Смываемые с полей удобрения и пестициды попадают в лагуну с поверхностным и подземным стоком. Долгое время устойчивость венецианских дворцов находилась под угрозой из-за непрерывного напора волн и сотрясения их оснований, которые вызывались движением судов и катеров. Однако, эти воздействия значительно снизились благодаря ограничению скорости движения водного транспорта. Подводная денудация и осадконакопление активизировались после нарушения баланса наносов в лагуне из-за отвода устьев рек. Усилился размыв перемычки, отделяющей лагуну от моря и в некоторых местах ее состояние признано критическим. В проходах, связывающих лагуну с морем, течения вызывают размыв осадков по одну сторону перемычки и их накопление по другую. Из-за постройки молов возросла скорость течений. Благодаря этому происходит саморазвитие процессов углубления и расширения судоходных каналов. В некоторых местах прохода Маламокко, например, подводная денудация распостранилась до глубины 20 м. Усиление приливно-отливных течений способствовало улучшению качества воды в лагуне, но при этом активизировалась абразионная деятельность, создающая угрозу некоторым строениям. В частности, в проходе Лидо уже произошло разрушение форта Сан-Андреа. 97

Опускание земной поверхности и наступание моря представляют большую опасность для Венеции. Измерения показывают, что с начала ХХ в. эвстатическое повышение уровня Адриатического моря составило 9 см, т.е. равнялось 1,1 мм/год. Однако, если до 1940-х гг. его скорость была 1,27 мм/год, то из-за похолодания в последующие 40 лет темпы эвстатической трансгрессиии несколько снизились. О том, каковы они сейчас, у нас данных нет. Земная поверхность, где расположена Венеция, медленно опускается из-за уплотнения илистых и глинистых накоплений, распространенных на этой территории. По некоторым геологическим и археологическим показателям средняя скорость опускания вследствие уплотнения пород равнялась 1 мм/год, однако, в первые 30 лет ХХ в. она снизилась до 0,5 мм/год. За последние 50 лет Венеция дополнительно осела на величину от 8 до 13 см, что было связано с избыточными откачками подземных вод, которые удалось прекратить лишь после 1975 года. Суммарное погружение Венеции за период с 1873 по 1977 гг. по данным измерений у мыса Пунту-делла-Салюте составляет 26,2 см. Из-за относительного и абсолютного опускания Венеция подвергается усиливающимся и учащающимся нагонам воды, которые бывают особенно высоки при одновременном действии ветров, приливообразующих сил Луны и Солнца, пониженного атмосферного давления и механизма образования сейшей (качания водной поверхности относительно поперечной оси Адриатического моря). Теоретически Венеция может быть затоплена слоем воды высотой 2,5 м. Однако, самое сильное наводнение, произошедшее 4 ноября 1966 г. имело уровень 1,94 м. Для защиты Венеции от штормовых нагонов предлагают различные меры. Наиболее действенная из них - строительство подвижных затворов в каналах, соединяющих город с морем. Обращает на себя внимание предложение поднять город посредством закачивания через скважины ила и цемента в грунты. Натурный эксперимент на Повелье - небольшом острове в лагуне оказался удачным: удалось поднять земную поверхность, не повредив постройки, на 9 см. Все же применение этого метода для Венеции считается рискованным, так как требуется подъем города не менее, чем на 40 см. Итак, в Венеции загрязнение воздуха и избыточные откачки подземных вод, и отчасти различные гидротехнические работы создали угрозу целостности этого уникального архитектурно-исторического памятника. Несмотря на принятые меры по охране атмосферного воздуха и подземных вод, проблема защиты города от разрушения не решена. Необходимо осуществить еще целый комплекс крупных пионерных инженерных мероприятий. 5.10. Выводы. На городских территориях, занимающих около 1% суммарной площади стран мира, сейчас проживает почти 3/5 населения мира. Поэтому на них концентрируются и используются огромные количества вещества и энергии, достаточные для весьма радикальной перестройки рельефа. Вполне естественно, что на городских территориях антропогенные процессы получили очень сильное развитие. Главным антропогенным процессом-следствием функционирования городов можно назвать загрязнение воздуха. Оно причиняет вред не только городским обитателям, но и оказывает большой негативный эффект на состояние прилежащих, а в ряде случаев и отдаленных негородских территорий (см. главу 12). Большая часть городского населения страдает от шумового напряжения. Серьезный негативный процесс - загрязнение поверхностных и подземных вод, обусловленное образованием на территории городов огромного количества газообразных, жидких и твердых отходов. Во многих городах из-за избыточного потребления подзем98

ных вод происходит оседание земной поверхности, создающее угрозу устойчивости и целостности зданий и других сооружений. Все больше осваивается подземное пространство в пределах урбанизированных территорий. Большую роль в оптимизации городской среды играет озеленение, эффективное обезвреживание, удаление и переработка мусора, а также такое функционирование предприятий и транспорта, при котором они производят наименьшее загрязнение воздуха, воды, почв и биоты города. Распространение городской, лучше сказать урбанократической инфраструктуры неизбежное следствие технического прогресса. Поэтому главная задача специалистов по проблемам управления окружающей средой - оценить не только современные, но и будущие воздействия урбанизации на ландшафты и биосферу в целом. 6. Сельская среда 6.1 Сельское хозяйство - трофический базис цивилизации. Земледелие и скотоводство, как уже отмечалось, стали атрибутами хозяйственной деятельности людей на рубеже плейстоцена и голоцена. Н.И.Вавилов установил, что очаги производящего хозяйства сначала появились в районах с пестрыми природными условиями, т.е. в предгорьях и низкогорьях. В областях с засушливым климатом применялся полив сельскохозяйственных культур. Первым из известных поселений земледельцев считается стоянка Депармов на северо-востоке Ирака. Поливное земледелие на территории нынешней Туркмении известно с V тысячелетия до н.э., а в Месопотамии, Египте, Индии, Китае - с VII тысячелетия до н.э. В орошаемом земледелии уже в глубокой древности знали удобрительные свойства органических веществ, ила, земли от глинобитных построек; мотыжение и поливы были важнейшими эмпирическими приемами управления физическими свойствами и водно-солевым режимом орошаемых почв. В районах, покрытых лесом, издавна применялось подсечно-огневое земледелие, сохраняющееся ныне в ряде тропических стран. Переход от собирательства, охоты и рыболовства к производящему сельскому хозяйству привел к первой демографической революции. Одновременно земледелие и скотоводство стали мощными рычагами изменения природной среды, и действие названных факторов неуклонно возрастало. Ю.Одум назвал поля плантации и пастбища одомашненными экосистемами, занимающими промежуточное положение между природными (леса, луга) и искусственными (города). Агросистемы или, что тоже, агроландшафты функционируют не только за счет солнечной энергии, но и привносимой человеком. Это позволяет для получения необходимой продукции растениеводства или животноводства снижать биоразнообразие на полях и пастбищах часто до монокультуры. Однако, чем больше агроландшафт отличается от местного природного, тем сложнее им управлять и тем значительнее экологические последствия, которые необходимо контролировать в самом агроландшафте и вне его. Главным в сельском хозяйстве, конечно же, является растениеводство. Хлебные злаки дают 52% энергии, получаемой человечеством от пищи. Картофель и другие клубнеплоды - еще 10%, фрукты и овощи - также 10%, сахар - 7%. На продукты животноводства без жиров приходится 11%, на животные жиры и растительное масло - 9% и на рыбопродукты - 1%. 6.2. Земледелие. 99

В настоящее время возделывание сельскохозяйственных культур, правда, в разных масштабах осуществляется во всех природных зонах, кроме арктической пустыни. Поля, дающие устойчивые урожаи, не распространяются к северу далее полосы с суммой активных температур 1400-1600О. В Европе эта граница проходит немного севернее шестидесятой параллели. С продвижением в пределы азиатской части России граница постепенно опускается к югу до 58О с.ш. в Средней Сибири и до 53О с.ш. и южнее на Дальнем Востоке. В Канаде северная граница районов устойчивого полеводства примерно совпадает с 56О с.ш. Годовая сумма осадков, ограничивающая распространение неорошаемых полей в умеренном поясе, равна 200-300 мм. Пахотные угодья и плантации занимают самые удобные в орографическом отношении места; они приурочены к равнинам, пологим увалам, межгорным котловинам, днищам долин, крупным конусам выноса. В горах земледелие ведется в ограниченных масштабах. Распашка земель с уклонами до 1-1,5О сопряжена с минимальным риском возникновения эрозии почв. Однако сельскохозяйственные культуры возделываются и на более крутых элементах рельефа. Предельными для обработки отвальной вспашкой можно считать склоны крутизной 8-9О при условии контурного, т.е.горизонтального расположения борозд или грядок на них. Склоны с еще большей крутизной включаются в земледельческое использование обычно после их террасирования. Правильное управление полями и плантациями не означает лишь получение с них максимальной продукции. Кроме того, собираемые продукты питания должны быть по возможности экологически чистыми, а производящая их земля должна всегда оставаться плодородной. В действительности названные три условия остаются пока лишь идеалом, к которому надо стремиться. Еще одним ограничителем развития полеводства должна быть относительная стабильность площадей пашни и плантаций, что, вероятно, будет иметь место до конца ХХ в., но не от хорошей жизни. Просто там, где потребность такого расширения особенно сильна, подходящие земельные ресурсы отсутствуют. Энергетика. Валовое производство человечеством энергии в 2000 г. достигнет около 0,5⋅1021 Дж. Между тем, энергетические расходы в сельском хозяйстве очень невелики. Привнос энергии в полеводческие ландшафты оценил Д.Пиментел (1987). Его детальный расчет весьма показателен и приводится в табл. 7. Таким образом, на работу техники тратится около 2/5 энергии, на производство удобрений и ядохимикатов - около 1/3 и остальные примерно 1/4 энергозатрат расходуются в основном на сушку зерна. Показательно такое сравнение. Если, для выращивания кукурузы в условиях высоко механизированного хозяйства США тратится около 35 ГДж/га, то при использовании только ручного труда в Мексике - всего 2,3 ГДж/га. Урожай зерна составлял в первом случае 70 ц/га, а во втором немногим менее 20 ц/га. Таким образом, при увеличении энергетических затрат в 15 раз урожай возрастал в 3,5 раза. Мы сталкиваемся с характерным правилом: больший вклад энергии в земледелие окупается при прочих равных условиях большим урожаем, но соотношение между вложенной энергией и полученной в урожае снижается. Соотношение называют энергетической эффективностью земледелия. Этот показатель оказывается самым высоким в случае ведения примитивного, подсечноогневого земледелия. Вот как отличаются различные формы земледелия по энергетической эффективности (первая цифра - доля энергии, связанной в урожае, вторая доля энергозатрат в агропроизводство): 100

- подсечноогневое земледелие в бассейне Конго: 65:1 - подсечноогневое земледелие на Новой Гвинее: 20:1 - возделывание кукурузы в Мексике: 12,5:1 - возделывание кукурузы в Нигерии: 10:1 - возделывание кукурузы на Филиппинах: 5:1 - возделывание кукурузы в США: 3:1 Несмотря на дешевизну примитивного земледелия, оно не в состоянии решить продовольственную проблему. Поэтому мир идет по пути подъема энерговооруженности растениеводства, правда, замедляющимися темпами. Для 1990-х гг. ежегодный прирост использования энергии в земледелии не превышает 3%. А расход ее в целом по миру составляет порядка 3,5% от валовой выработки энергии человечеством. Таблица 7. Затраты энергии при возделывании кукурузы в США (по Д.Пиментелу) Показатель КоличеЭнергия, ство на МДж/га га Ручной труд 12 ч 29 Сельскохозяйственная техни- 55 кг 4158 ка Бензин 16 л 1108 Дизельное топливо 77 л 3700 Сжиженный нефтяной газ 80 л 2587 Электричество 33,4 кВт 401 Азотные удобрения 151 кг 9324 Фосфорные удобрения 72 кг 907 Калийные удобрения 84 кг 562 Известь 426 кг 562 Семена 18 кг 1869 Инсектициды 1,4 кг 499 Гербициды 7 кг 3263 Сушка 7000 кг 6035 Транспортировка 200 кг 214 В целом 35218 Общий урожай 7000 кг 102557 Соотношение полученной с 2,9 урожаем и затраченной энергии Энергетический пай человека, вносимый им для ведения полеводства, мал по сравнению с природным. В одном урожае кукурузы в год (7 т зерна и 7 т биомассы) связывается около 0,5% поступающей солнечной радиации. Зная показатель энер- гетической эффективности урожая, который с учетом зеленой массы равен 6,0, можно считать, что в целом антропогенный энергетический пресс на обрабатываемые земли может составлять лишь не более сотых долей процента по сравнению с потоком лучистой энергии Солнца. Это в среднем в несколько сотен раз меньше показателя антропогенного энергетического давления на урбано-транспортно-горнопромышленные земли. Между тем, 101

даже такое на первый взгляд слабое воздействие на мировую пашню приводит к многочисленным негативным последствиям, о чем сказано ниже. Ресурсами увеличения продукции растениеводства обладают страны с низкой энергетической обеспеченностью сельского хозяйства. Большинство экспертов считают, что в развитых странах энергетическая обеспеченность сельского хозяйства подошла к своему пределу. Если же говорить о необходимости отказа от широкого применения минеральных, в первую очередь, азотных удобрений, а также ядохимикатов, то, возможно, интенсивная технология производства зерна и других продуктов питания давно перешагнула некую допустимую норму энерговкладов. Вспомним о загрязнении различных компонентов природы нитратами, пестицидами и станет ясно, что благоприятные цифры урожаев при высокой энергообеспеченности угодий оборачиваются серьезными негативными последствиями для многих жителей сельской местности и городов. Урожаи. Прирост урожайности зерновых в течение второй половины ХХ века остается примерно на одном уровне или даже немного увеличивается. Если за период с 1950 по 1985 гг. она поднялась с немногим более 1 т/га до 2,3 т/га, то в 1993 г. гг. урожайность зерновых достигла 2,7 т/га, а в 1994 г. - 2,8 т/га. Не подтвердились сделанные в 1980-х гг. предсказания экспертов об исчерпании возможностей “зеленой революции”, которая стала возможной благодаря увеличению применения минеральных удобрений и ядохимикатов, а также внедрению высокоурожайных сортов растений. Если говорить о рекордных урожаях в отдельных хозяйствах, то надо отметить, что в 1982 г. в Англии получено 15,65 т/га озимой пшеницы. Мировые рекорды по кукурузе достигали 22,2 т/га, по рису 14,5 т/га. Однако почти шести миллиардам людей Земли производимого зерна, как и продовольствия в целом не хватает. Примерно миллиард жителей планеты существуют в условиях нищеты, а уровень жизни еще двух миллиардов близок к условиям глубокой бедности. Неважно обстоят пока дела в зернопроизводстве России. В 1994 г. собрано 81,3 млн.т, а в 1995 г. - 63, в 1996 г. - 69, в 1997 г. - 96 млн.т зерна. В последний из перечисленных год зерна было достаточно для самообеспечения страны. Удобрения. Разность между приходом и расходом элементов питания в почве составляет баланс этих элементов. Последние выносятся из почвы с урожаем, а также в результате эрозии или других деструктивных процессов. Стремление увеличить производительность земледелия заставляло людей вкладывать в него больше и больше энергии питательных веществ. Даже примитивная - подсечная система основана на использовании культурными растениями питательных веществ, высвобождающихся при сгнивании или сжигании деревьев. Внесение органических удобрений - эффективный прием повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Издавна применяли навоз, птичий помет и торф. К ним с некоторых пор прибавился сапропель. Доза используемого навоза может обычно колебаться от 10 до 40 т/га, птичьего помета - от 2 до 4 т/га. ХХ век - время широкого применения минеральных удобрений. Для получения урожая зерна пшеницы в 3 т/га вносят 110 кг N, 40 кг Р2О5 и 70 кг К2О. С урожаем картофеля 30 т/га выносится с 1 га 150 кг N, 60 кг Р2О5 и 270 кг К2О. В 1994 г. потребление минеральных удобрений в мире составило 120 млн т. Прогнозы ФАО конца 1980-х гг. об увеличении использования минеральных удобрений к 2000 г. до 300 млн. т оказались ошибочными. По сравнению с 1987 г. их потребление упало на 20 млн. т. Удобрения используются примерно в таком соотношении: N - 55%, Р2О5 - 25% и К2О - 20%. 102

В 1987 г. в СССР было использовано около 27 млн.т NРК, тогда как в России в 1994 г. - 3,8 млн.т. Если в бывшем СССР средняя нагрузка на пашню была 118 кг/га NPK, то в России она упала до 29 кг/га. В странах, где минеральные удобрения применялись также в больших дозах, снижение подкормки растений не было столь значительным. Например, в Нидерландах показатели для 1987 и 1994 гг. составляли (NPK в кг/га): 680 и 560, во Франции - 303 и 240, в ФРГ - 403 и 220. В странах, являющихся крупнейшими производителями продукции растениеводства применение минеральных удобрений за тот же срок не только не снизилось, но и увеличилось, как например в США с 95 до 108, в Китае - с 236 и до 260, в Индии -с 48 и до 72 кг/га. Внесение минеральной подкормки для растений в почву неизбежно сопровождается загрязнением поверхностных и подземных вод. Легко растворимые в воде азотные удобрения в виде нитратов содержатся в речных и подземных водах ряда стран Западной и Центральной Европы в концентрациях, достигающих, а иногда и превышающих ПДК (рис. 12).

Рис. 12. На карто-схеме оконтурена область загрязнения подземных вод нитратами в юго-восточной части и центре Англии с концентрациями, превышающими ПДК, которые могут стать больше 100 мг/л, если не будут приняты меры противодействия. Но и при их проведении качество артезианских вод в известняках существенно улучшится через 4-5 лет, в песчаниках - через 1520 лет и в породах, представленных мелом - через 40-50 лет (из газеты “Таймс” за 11.12.1989)

Аналогичное явление характерно для некоторых районов Северной Америки. Например, в бассейне р.Платт в пределах штата Небраска по сведениям для конца 1970-х годов содержание нитратов в подземных водах колебалось от 0 до 200 мг/л. Часто по103

вышение содержания аммонийного азота в небольших водоемах фиксируется там, где они располагаются по соседству с животноводческими фермами и пастбищами. Ядохимикаты. Современное сельское хозяйство немыслимо без химических средств защиты растений от вредителей и болезней. В мире применяется в среднем 300 г таких препаратов на гектар пашни, в том числе в Западной Европе и США 2-3 кг, в России менее 1 кг, в странах Азии (за исключением Японии), Африки и Латинской Америки около 200 г . В зависимости от объекта воздействия различают: - гербициды - для уничтожения сорной растительности; - инсектициды - против насекомых; - зооциды - для борьбы с грызунами; - фунгициды - уничтожать возбудителей грибковых заболеваний растений; - бактерициды - против возбудителей бактериальных болезней растений; - лимациды - против различного рода моллюсков, в том числе слизней; - дефолианты - для удаления листьев; - десиканты - для высушивания листьев на корню; - дефлоранты - удалять излишние цветки и завязи; - рестарданты - регуляторы роста и развития растений; - реппеленты - для отпугивания насекомых, грызунов и других животных; - аттрактанты - привлекать насекомых с последующим их уничтожением. Выделяют две группы пестицидов: хлорорганические соединения (ХОС) и фосфорорганические соединения (ФОС). ХОС характеризуются, как правило, высокой стабильностью, токсичностью для гидробионтов, способностью к миграции между звеньями водных экосистем, к значительному накоплению в организмах и длительному сохранению в них. ФОС, как правило, менее стабильны во внешней среде и не так токсичны для рыб. Их миграционная способность в воде не столь высока; накопление в гидробионтах идет только при высоких концентрациях в воде, а разрушение в организмах происходит значительно быстрее. Лишь некоторые ФОС по устойчивости в воде сходны с ХОС. Степень токсичности различных пестицидов неодинакова. Так, для рыб их летальная концентрация в воде характеризуется следующими цифрами (мг/л): аминотриазон > 1000; делапон и меназон > 100-1000; диметоат и эндотал > 10- 100; севин и диметонметил > 1-10; каптан и соли меди 0,1-1; азинофосметил > 0,01- 0,1; алдрин > 0,001-0,01; ДДТ > 0,0001-0,001; эндосульфан > 0,000001-0,00001. Токсичность пестицидов становится выше в непроточной воде (пруд, озеро). У большинства пестицидов наблюдается увеличение токсического действия при повышении температуры водной среды. Пестициды видоизменяются и распадаются в основном в результате физико-химических и биологических процессов. Некоторые нерастворимые в воде пестициды растворяются в загрязняющих ее нефтепродуктах и остаются на поверхности длительное время. В водоемах пестициды, помимо прямого токсического действия на гидробионтов, включаются в пищевые цепи, улетучиваются от 30 до 90% их количества с поверхности воды или накапливаются в донных отложениях. Наблюдения показывают, что коэффициент накопления ДДТ для планктона может достигать 8000 (соотношение концентраций пестицида в планктоне и в воде), для планктоноядных рыб - 40 100, для хищных рыб - 134 500, для чаек 2 510 000. В переводе на фактические концентрации это означает, что при содержании ДДТ в воде 0,02 мг/л в тканях хищных рыб его было 2,7 г на 1 кг сырого веса. Для некоторых пестици104

дов, в частности для ДДТ, обнаружена тенденция к увеличению коэффициента накопления (сверхкумуляция) при снижении концентрации в воде. Коэффициенты накопления пестицидов для донных отложений также очень высоки и находятся на уровне 105-106 для группы ДДТ и 104 для токсафена и малатиона. Длительное применение пестицидов привело к появлению резистентных рас вредителей и распространению "новых" вредных организмов, естественные враги и конкуренты которых были уничтожены пестицидами. Неумеренное применение пестицидов ведет не только к загрязнению воды, но и негативно влияет на качество почвы. В связи с этим установлены предельно допустимые содержания (ПДС) некоторых ядохимикатов в почве, например, для ДДТ 0,5 мг/кг, гексахлорана 1,0 мг/кг и т.д. 6.3. Осушение земель. Одним из видов мелиорации является осушение земель. Всего в мире осушено 157 млн.га земель, причем больше всего в Северной и Центральной Америке (56 млн.га) и Зарубежной Европе (40 млн.га). Земледелие на мелиорированных переувлажненных землях широко практикуется как в России, так и в зарубежных странах. Например, в Финляндии более 90% площади пашни - это осушенные земли, в Венгрии таких земель 74%, в Нидерландах -65%, в Великобритании - 61%, в Дании - 51%. Переувлажненные земли морских побережий и крупных речных дельт используются во всех частях света, кроме Антарктиды. Особенно интенсивно это делается в Зарубежной Азии - в дельтах рр.Хуанхэ, Янцзы, Меконга, Иравади, Брахмапутры и Ганга, Инда, Шат-эль-Араб; в Африке - в дельтах рр.Нил, Нигер, Сенегал и др.; в Южной Америке в дельтах рр.Ла-Плата и Амазонка; в Северной Америке в дельте р.Миссисипи; в Зарубежной Европе - в дельтах рр.Дуная, По и др. Осушительная система делится, по Б.С.Маслову и И.В.Минаеву (1985), на такие составные части: 1) регулирующая сеть для сбора и удаления с осушаемой территории избыточных поверхностных и грунтовых вод. С ее помощью регулируют водно-воздушный режим почвы в соответствии с потребностями сельскохозяйственных культур. Способы осушения являются составными частями регулирующей сети; 2) ограждающая сеть предназначена для перехвата поверхностных и грунтовых вод, поступающих на осушаемую территорию извне с прилегающих земель. Собираемые ограждающей и регулирующей сетью избыточные воды отводятся в проводящую сеть или непосредственно в водоприемник; 3) проводящая сеть служит для транспортирования воды из регулирующей и оградительной сети за пределы осушаемой территории в водоприемник. В качестве водоприемников используют реки, озера, балки, овраги. Размещение осушительной сети протяженностью от 5 до 70 км/км2 в пределах болот обеспечивает их осушение в достаточных размерах. При этом, по мнению упомянутых авторов, обмеление рек и снижение их стока не происходит. Осушенные земли играют важную роль в получении сельскохозяйственной продукции. Однако осушение вызывает целую гамму отрицательных последствий. После нескольких лет работы дренажа фильтрационная способность грунтов увеличивается в 2-6 и даже 10 раз. В результате резко падает уровень грунтовых вод, теряются ценные пастбищные и сенокосные угодья, распространение получают изреженные жесткие виды суходольных трав. Открытый дренаж к тому же затрудняет обработку почв и уборку урожая. На переосушенных торфяниках в летний зной нередко возникают пожары. 105

Минерализация торфяников. Процесс развивается в результате смены субаквального режима выветривания на субаэральный и приводит к постепенной потере плодородия осушенных земель. Так, средний срок жизни мелиорированных угодий Украинского Полесья равен примерно 50 годам. Максимальная их отдача приходится на 5-7-й год после осушения, а падение производительной способности на 10-15-й. Снижается продуктивность земель не только переосушенного массива, но и прилегающих территорий. Целиком осушительный дренаж высокорентабелен только на сильноглеевых почвах. При высокой скорости минерализации осушенных торфяников происходит оседание местности. В Карелии его скорость составляла 0,7-1,0 см/год, в Полесье - 2,9 см/год. По наблюдениям в Карелии в первые годы осушения разложение торфа происходило со скоростью 2,5 т/га⋅год. За 66 лет сельскохозяйственного использования торфяников на Минской опытной болотной станции минерализовалось около 300 т/га органического вещества, т.е. около 15% его запасов. Средняя скорость убыли торфяников равняется 4,6 т/га⋅год. Скорость разложения дренированных торфяников и их оседания возрастает с продвижением к югу, т.е. с повышением среднегодовых температур. Б.С.Масловым и И.В.Минаевым получена зависимость для расчета осадки торфа под полевыми культурами и травами при исходной мощности торфа 1-3 м: E = (0,08m0,5⋅H⋅α1,4):eβT E - интенсивность осадки торфа (м/год); m - мощность торфа (м); H - среднегодовая глубина грунтовых вод (м); Т - время (лет); β - коэффициент β =0,1T⋅0,022 - 0,0025Т; α - коэффициент термогумидности α=100 t:P t - среднегодовая t° воздуха (град); Р - годовая сумма осадков (мм). Ускоренная дефляция. особо опасна там, где осушаемые торфяники подстилаются песками, а дрены, коллекторы и магистрали заложены глубже 1,5-3 м. В таких случаях нередко наступает катастрофическое иссушение всего ландшафта, угнетение лесов, быстрое разложение торфяников, их возгорание, развевание песков и пересохшей органической массы. Выделяют четыре типа ускоренной дефляции осушенных торфяников. 1. Пыльные бури, происходящие при скоростях ветра свыше 10 м/с и удаляющие на далекие расстояния до 10 т/га почвенного материала. Размеры переносимых наиболее крупных почвенных агрегатов достигают в диаметре нескольких сантиметров. 2. Дефляция адвекции, обусловленная скоростями ветра от 4 до 10 м/с. Обычно она проявляется на небольших участках с переосушенной почвой и выражается в эоловом переносе почвенных частиц размером до 5 мм. 3. Дефляция конвекции, возникающая в ясную жаркую погоду при скоростях ветра менее 4 м/с над переосушенной и перегретой поверхностью торфяной почвы в виде пыльных вихрей. Вихрями захватываются частички почвы менее 2 мм. 4. Дефляция машинной обработки почвы, возникающая в сухую погоду на участках с низкой влажностью почвы. Использование осушенных торфяников и других почв на органогенных образованиях ведет к постепенной утрате ресурсов их органического вещества, т.е. к их полной потере, причем особенно быстро в условиях жаркого климата. 106

Польдеры. Это, как правило, осушенная, возделанная и часто защищенная от затопления дамбой прибрежная болотистая низменность (марши), лежащая либо ниже уровня моря (Нидерланды), либо немного выше (Бангладеш). Польдеры не только служат для получения продуктов растениеводства, но и используются под выпас, а также быстро заселяются. Так, в Нидерландах отвоевано у моря 7125 км2. Почти четвертая часть этой площади находится под городской застройкой с населением в 8 млн. человек. Превращение морского дна в сушу происходит по следующей схеме. Из обвалованной акватории откачивается вода и появляется соленая илистая грязь. Ее засевают с вертолетов тростником. Участок обсыхает и завядший тростник сжигают или скашивают. Специальными плугами польдер перепахивают до глубины 3,5 м. Затем территория обустраивается дренажной системой и к концу 10-15-летнего цикла польдер становится мало отличим от более старых аналогов. Из-за быстрой, а затем и долговременной усадки их поверхность оказывается на 1-2 м ниже исходных отметок морского дна. На польдерных землях Нидерландов получают стабильные урожаи пшеницы в размере 8 т/га, выращивают другие сельскохозяйственные культуры, а также замечательные голландские тюльпаны и, кроме того, выпасают до 15 млн. коров. Согласно другой более широкой трактовке к польдерам относят также пойменные земли, использование которых требует контроля над паводками. 6.4. Орошение земель. Всего по состоянию на 1995 г. в мире осуществляется полив земель на площади около 255,4 млн.га, в том числе в 46 странах Зарубежной Азии на 175,4 млн.га, в 21 стране Северной Америки на 30,1 млн.га, в 33 странах Зарубежной Европы на 19,9 млн.га, в 51 стране Африки на 12,3 млн.га, в 13 странах Южной Америки на площади в 9,8 млн.га, в 3 странах Океании на 2,6 млн.га и в России на площади в 5,3 млн.га. Таким образом, без полива земель обходится лишь небольшое число маленьких стран типа Исландии. Две страны, занимающие первое и второе место в мире по численности населения Китай (1,2 млрд. человек) и Индия (0,9 млрд. человек), выделяются и по размерам поливных площадей - 49,9 и 50,1 млн.га соответственно. Орошение - это палочка-выручалочка человечества. Ничего лучше для решения продовольственной проблемы оно не смогло придумать со времен мезолита! Без ирригации численность населения мира никогда бы не достигла той, какая она есть. Главная культура на орошаемых полях - рис, затем хлопчатник, масличные культуры, кукуруза и зерновые хлеба, кормовые травы и др. С орошаемых земель можно собирать 2-3 урожая ежегодно (а иногда - до 6-8, как в дельте р.Ччуцзян у г.Гуанчжоу). Поэтому поливное земледелие дает около 1/3 мировой продукции сельского хозяйства. Полив и потери воды. Орошаемые поля - это высокопродуктивные управляемые агробиогеоценозы. Нарушение гидрологического цикла - важнейшее следствие функционирования агроирригационных ландшафтов. Чтобы напоить землю водой, на реках и магистральных каналах сооружаются плотины и водохранилища, на месторождениях подземных вод бурят скважины, по оросительным каналам отводят воду к полям. В особых случаях, например, в Индии покрывают определенные участки водосборов непроницаемой пленкой, чтобы предотвратить впитывание дождевых осадков в почву. Собрав таким путем в небольшом пруде дождевую воду, тратят ее затем на полив возделываемых культур. В аридных районах западного побережья Южной Америки придумали способ конденсировать влагу из тумана и использовать ее для “кувшинного” земледелия. Для целей ирригационного растениеводства производится выравнивание 107

полей, применяются повышенные дозы удобрений, создаются древесные насаждения, строятся дренажные системы. Полив повышает влажность почвы, а, следовательно, и ее теплопроводность и теплоемкость. После него в теплое время года почва становится холоднее, а в холодное - теплее. Из-за затрат солнечного тепла на эвапотранспирацию воздух над орошаемыми угодьями меньше нагревается днем (на 3-6°), а ночью меньше выхолаживается, чем за пределами орошаемого массива. Относительная влажность в приземном слое воздуха повышается на 30-50%. Тепловой баланс орошаемого поля в аридных районах увеличивается примерно на 60% благодаря уменьшению альбедо и эффективного излучения. Сколько надо воды для получения продукции с орошаемых полей? По разным данным водозабор для полива почв мира составляет от 1700 до 2500 км3 в год. Значит на орошаемые поля поступает в среднем слой воды толщиной около 1 м. Между тем, в зависимости от климатических условий и того, какой культурой заняты поля, поливные нормы существенно колеблются. Так, в России необходимы затраты воды порядка 1500-3500 м3/га для выращивания зерновых, от 2000 до 8000 м3/га - многолетних трав и 8000-15000 м3/га - риса. Большие затраты воды характерны для примитивных способов полива - диким напуском и по бороздам. В этом случае бесполезные потери воды составляют половину, т.е. КПД полива равен 50%. При дождевании КПД возрастает до 70%, при капельном орошении - до 98-99%. Большую роль играет регулирование полива в зависимости от степени влажности почвы. Замеряя ее в корневой зоне растений и увлажняя почву в момент снижения влажности на 50%, на опытных полях подняли урожайность люцерны вдвое, картофеля на 2/3 и ячменя на 43% по сравнению с угодьями, где полив производился без измерений (Мир восьмидесятых…,1989). Поливы земель по назначению подразделяются на предпосевные, промывные (от избытка солей), вегетационные и влагозарядные. Последние проводятся в различные периоды года в зависимости от особенностей выращиваемых культур для увлажнения слоя почвы до глубины 1,5-2 м. Следует отметить, что очень большие количества воды могут теряться при создании для целей ирригации крупных водохранилищ и каналов. Так, за год испарение с их поверхности в аридных областях может достигать 2000 мм. На большей части территории России этот показатель равен 800-1000 мм. Каракумский канал в Туркменистане - пример больших потерь воды из-за утечки в грунт. Из забираемых из Амударьи 10 км3/год в ложе канала в первые годы после ввода в строй уходило 3 км3, а теперь, когда произошло его значительное заиление, таким путем теряется около 1 км3 воды. Развитие поливного земледелия сопровождается многими последствиями, большинство которых имеет негативный характер. Ирригационная эрозия. В основном она имеет место при поливе по бороздам или интенсивном дождевании. На хлопковых и зерновых полях при уклонах от 0,5 до 5О смыв почвы может превышать 10 т/га⋅год. В отдельных районах Средней Азии за один полив смывается от 50 до 150 т с гектара, причем эрозия усиливается от светлых сероземов к темным. Избыточный полив вызывает заиление поверхности почв, рост промоин и оврагов. Аккумуляция агроирригационного слоя. Причины этого - осаждение наносов из оросительных вод, а также внесение органических удобрений. Так, на длительно орошаемых площадях Туранской низменности за несколько тысячелетий сформировалась 108

культурная агроирригационная почва мощностью 1-2 м. За 500 лет орошения в Ташкентском и за 2000 лет в Самаркандском оазисах запасы почвенного гумуса возросли в 2 раза. Вторичное засоление и осолонцевание. Как правило они вызываются подъемом минерализованных грунтовых вод до критической глубины порядка 2-3 м от поверхности и их капиллярным подтягиванием в почву. Причина такого подъема уровня грунтовых вод кроется в нарушении водного баланса территории фильтрационными водами оросительной сети и орошаемых полей. Этот процесс распространяется также на прилежащие неорошаемые площади. Грунтовые воды начинают при этом интенсивно испаряться с поверхности, постепенно насыщая почву избыточным количеством солей. Другая причина состоит в том, что растения, используя воду, оставляют большую часть содержащихся в ней солей в почве и транспирируют водяной пар, обладающий ничтожной минерализацией. Принято считать, что содержание солей учетверяется в почвенной влаге после использования ее растениями. Ко вторичному засолению ведет также использование для полива солоноватых вод. Наиболее типичными ионами засоленных почв являются Na+, Сa2+, Мg2+, Cl+, HС03-, SO42-, N03-. Наибольшая опасность засоления существует в районах со слабо расчлененным рельефом, плохим дренажом и близким к поверхности залеганием уровня грунтовых вод. Чем засушливее климат, тем вероятнее эта опасность. На степень и характер засоления влияют особенности применяемого ирригационного режима (способ и режим орошения), состав сельскохозяйственных культур, нормы полива и некоторые другие факторы. Сильнее всего засоление проявляется при поливе по бороздам. Вторичное засоление почв - это настоящий бич орошаемого земледелия в аридных областях. По различным оценкам, от 30 до 80% орошаемых полей в той или иной степени подвержены засолению, и их продуктивность снижена из-за этого. По этой причине в Ираке 1/3 орошаемых угодий выведена из строя, в Индии - 1/6, в Пакистане - 1/4, в Китае - 1/5. Это негативное явление развито и в нашей стране. Ежегодно в мире из-за засоления и заболачивания выходит из строя 0,2-0,3 млн.га ирригационных земель. Самыми крупными очагами вторичного засоления почв являются долина Хельмут в Афганистане, долина Мексикали в Мексике, бассейны Тигра и Евфрата в Сирии и Ираке и долина Империал и бассейн р.Колорадо в США. В Средней Азии земли на некоторых оросительных системах подвержены вторичному засолению на 65-75%. Хлопковые районы Узбекистана засолены на 50%. В нашей стране на Нижнем Дону вторично засоленные почвы занимают 20% орошаемой площади, в Донско-Сальском междуречье - 30%, в Дагестане более 50%. Уменьшение речного стока. В связи с безвозвратным использованием вод ряда рек на орошение их сток значительно снижается или прекращается вовсе. Так, сток р.Волги по этой причине уменьшился примерно на 10%, рр.Дона и Кубани более, чем на 1/3, рр.Днепра и Днестра - более, чем на 1/2. Впадавшая в Калифорнийский залив р.Колорадо больше не питает его своими водами. Весь сток реки собирается в каскаде водохранилищ и идет на различные нужды, но особенно на орошение земель США и отчасти Мексики. Полностью разбирается на орошение р.Евфрат. В Средней Азии то же случилось с р.Сырдарья. Она в маловодные годы не пополняет Аральское море. Полный годовой сток Сырдарьи оценивается в 37 км3, а Амударьи 69,5 км3. После 1960 г. в Арал притекало все меньше и меньше воды: в 1965 г. - 31 км3, в 1975- 11 км3, в 1980 и 1985 гг. притока воды не было совсем, в 1989 г. притекало всего 5 км3. Такой колоссальный водозабор в бассейнах двух среднеазиатских рек вызвал ве109

личайшую экологическую катастрофу - усыхание Арала и опустынивание Приаралья, в особенности плодородных дельт Амударьи и Сырдарьи. Сильно поднялась минерализация воды в приустьевых частях этих рек: до 1,5 г/л у Амударьи и до 2,5-4 г/л у Сырдарьи. Уменьшение притока речных вод в океан и водоемы внутреннего стока в связи с развитием ирригации широко известное явление. Однако, если участки мировой акватории в этом случае лишь теряют свою продуктивность, то во внутриконтинентальных водоемах и вокруг них идут более сложные процессы. Катастрофа Арала и Приаралья. Уровень моря в начале 1990-х гг. упал на 15 м по сравнению с 1960 г., когда он достигал +53 м. За этот период минерализация воды возросла с 1,0 до 3,0%. В 1990-х гг. водоем распался на две части, их суммарная площадь уменьшилась по сравнению с исходной более чем вдвое, а объем все еще сохраняющейся морской воды - более чем втрое. Регрессия Арала привела к врезанию русел Амударьи и Сырдарьи, усилился дренаж дельт, и это интенсифицировало процессы опустынивания в приречных полосах. В дельте Амударьи и Сырдарьи протоки, лагуны и пьезометрические озера за короткий срок превратились в различного типа солончаки. Мощность солевых отложений в них местами достигает 1-2 м. В прибрежной части высохшего пролива Тогузаркан обнаружены барханы, состоящие исключительно из солей. Аллювиально-луговые и болотно-луговые почвы переходят в лугово-такырные и лугово-пустынные. В почвах снижается количество гумуса, возрастает доля поглощенного натрия и магния, ухудшаются воднофизические свойства. На обсохших участках дна моря широко распространены развеваемые ветром пухлые солончаки. Освобождающиеся площади дна, как и опустыниваемые тугайные земли, покрываются солевыносливыми видами растений, которые не имеют никакого кормового значения. В то же время идет быстрое сокращение площадей, занятых гидрофильной и мезофильной растительностью, в частности под тугайными лесами. С 1975 г. Приаралье стало областью регулярных пылевых выносов. Основная масса пылевых потоков пересекает Арал, двигаясь в западном направлении в сторону плато Устюрт или в юго-западном - в сторону дельты Амударьи. Во время одного мощного выноса в дельте Амударьи может выпасть от 2,5 до 3 млн.т пыли. В пределах Восточного Устюрта даже в 25-30 км от Арала многие растения покрыты налетом соли и угнетены. Перенос пыли в более рассеянной форме может происходить на 2000 км, и из Арала она часто попадает в Каспийское море. Напыление эоловых солей на растения ухудшает продуктивность земледельческих и пастбищных угодий. В Северо- Восточном (Присырдарьинском) Приаралье на пастбищах, которые ранее с успехом использовались для выгула скота, сейчас растительность покрыта слоем соли толщиной 2-3 мм. Качество кормов из-за этого низкое, вследствие чего у животных возникают кишечные заболевания. Отмечается возрастание случаев появления соленой (до 10 г/л) воды в колодцах, использовавшихся ранее для водопоя скота. Применение в период советской власти на орошаемых землях бассейнов Амударьи и Сырдарьи минеральных удобрений в количестве 480-600 кг/га, ядохимикатов и дефолиантов в количестве в 10-15 раз большем, чем в среднем по СССР было причиной заболеваний среди населения, особенно в Каракалпакии, расположенной в конце пути водной миграции поллютантов по р.Амударье. Опустынивание и опасное загрязнение воды здесь работают против населения и природы в интегральной форме, давая своего рода никем не предсказанный и не оцененный синэргетический эффект. 110

Экологическая катастрофа в Приаралье сравнима разве только с последствиями Чернобыля. Единственное, что сейчас может смягчить последствия чрезмерной ирригации в бассейне Арала, - это снижение расхода воды на поливы путем сокращения посевов водоемких культур и широкого введения приемов орошения, дающих максимальную зкономию воды. Восстановить уровень Арала в ближайшие 10-15 лет вряд ли реально. Появление антропогенных озер. Это закономерный результат развития ирригации, так как отвод с полей сильно минерализованных вод - возвратных стоков - часто может быть осуществлен лишь в какие-то замкнутые депрессии вблизи от массивов орошаемых полей. Так, в США на юге штата Калифорния появилось озеро Солтон-Си. В Средней Азии широко известны озера Арнсайское и Айдар в бассейне р.Сырдарьи и Сарыкамышское - в бассейне р.Амударьи. Потеря потока биогенов. Это имело место во многих странах после строительства крупных водохранилищ в связи с перехватом в них речных наносов. Так, после возведения Асуанской плотины на р.Нил плодородный ил перестал поступать в дельту и восточную часть Средиземного моря. Это вызвало такие нарушения в морских экосистемах, что в результате вылов сардин в связанной с р.Нил акватории упал в 300 раз. В случае с Аральским морем причин полной утраты им рыбохозяйственного значения больше. Размеры потока биогенных веществ сейчас вряд ли могут что-либо значить для экосистемы водоема. Зато для посевов очень чувствительным стало создание Нурекского водохранилища на р.Вахш с плотиной высотой 300 м - одной из самых высоких в мире. Модуль стока взвешенных наносов для бассейна р. Вахш определен в 3000 т/км2. Это свидетельство экстремально высокой механической денудации в бассейне и выноса из него водотоками аномально большого количества питательных элементов. После создания суперплотины агрономы схватились за головы. Выяснилось, что плодородные наносы р.Вахш перестали поступать на пойму и орошаемые поля р.Амударьи, и это снизило их продуктивность. До строительства Нурекской ГЭС на участке от выхода Амударьи на равнину (пос.Керки) до вершины дельты (г.Нукус) за год в среднем оседало (млн. т): гумуса 1,3; Nорг - 0,12; Р2О5 - 0,16 и К2О - 2,4. Сейчас почти все это остается в донных илах Нурекского водохранилища. Изменения ресурсов подземных вод. Обычно фиксируется повышение их уровня в районах полива земель. Кроме того, при использовании подземных вод для орошения наблюдается понижение уровней тех горизонтов, из которых ведутся избыточные откачки. Известность получили широкомасштабные откачки вод в штатах Калифорния и Аризона на юго-западе США и на высоких равнинах в центральной части (штаты Небраска, Канзас, Оклахома, Техас). В этих регионах огромные запасы подземных вод формации Огаллала значительно истощены. Оседание местности. Этот опасный процесс, известный для ряда городов, в больших масштабах охватил и сельскохозяйственные районы юго-запада США. В связи с откачками воды с глубин 150 м и более опускание дневной поверхности в долине р.СанХоакин в центре мульды оседания достигло 9-10 м. За период 1925-1977 гг. здесь как бы исчезло 20 км3 земной тверди, что соответствует безвозвратному водозабору объемом 70 км3. После 1976 г. снижение величины откачек позволило резко снизить скорости оседания, которые до того равнялись 15-20 см/год. Оседание происходит там, где откачка с понижением уровня подземных вод ведется из рыхлых или слабо литифицированных горных пород. При этом давление в напорном горизонте уменьшается, и под весом вышележащих горных пород обезвоженный пласт 111

несколько сжимается. На каждый метр понижения уровня подземных вод, земная поверхность оседает на 0,1-1,0 см. Обычная скорость оседания несколько сантиметров в год, но бывает и больше. Оседание земной поверхности в штате Аризона, в долинах Солт-Ривер и Санта-КрусРивер (США) сопровождается образованием трещин-разрывов. Разрывные дислокации возникают в аллювиальных отложениях вблизи площадей наибольшего понижения уровня подземных вод. Дислокации ориентированы либо субпараллельно расположенным поблизости горным хребтам, либо субперпендикулярно к ним, а на большом удалении от хребтов ориентировка разрывов выглядит более хаотично. Крупный разрыв около хребта Пикахо длиной почти 13 км разделяет блоки с амплитудой смещения одного относительно другого в 0,5 м. 6.5. Эрозия почв. Самый большой ущерб пахотным угодьям наносит смыв или эрозия почв. Пахотные земли считаются эрозионноопасными, если они имеют уклон свыше 1-1,5О, хотя в некоторых случаях и при уклонах менее 1О ускоренная эрозия может достигать значительных размеров. М.Н.Заславский подразделяет эрозию почв на поверхностную (плоскостную) и линейную. Эрозия почв является функцией временных потоков, к которым принадлежат: 1) талые воды; 2) дождевые воды; 3) воды орошения; 4) выклинивающиеся подземные воды; 5) сточные воды. Основной ущерб сельскохозяйственным землям наносит смыв талыми, дождевыми и оросительными водами. Из природных предпосылок эрозии наиболее опасны: а) ливневые и затяжные дожди, особенно выпадающие в периоды отсутствия растительности на пахотных землях; б) интенсивное снеготаяние, особенно при маломощном оттаявшем слое почвы; в) схождение покатостей рельефа, концентрирующих сток на пашне; г) незначительная мощность поверхностного рыхлого слоя, залегающего на плотных породах; д) широкое распространение отложений, податливых к размыву и смыву, например, лессов, песков и т.п. Сомкнутая дернина под пологом травянистого покрова и моховолесная подстилка под лесом почти нацело исключают поверхностный смыв. На территории России земли, где существует опасность эрозии в связи с условиями рельефа, занимают примерно 2/3 площади страны. Под плоскостной эрозией обычно понимают тесно связанные между собой капельный, плоскостной и мелкорытвинный смыв. На сельскохозяйственных полях к формам мелкорытвинной эрозии относят мелкие борозды, промоины и сеть рытвин, которые заравниваются при обработке почвы обычными сельскохозяйственными орудиями. Более крупные формы рельефа - протяжины и промоины, которые необходимо заравнивать специальными машинами, - по сути дела представляют собой уже начальные звенья овражной сети. Поэтому овражной эрозией следует считать такую работу временных водотоков, которая приводит к образованию на полях и пастбищах узких отрицательных форм рельефа глубиной от нескольких десятков сантиметров до десятков метров, а иногда и более. Плоскостная и мелкорытвинная эрозия. Она причиняет наибольший ущерб полям. Плоскостная эрозия (для краткости будем называть ее так) характеризуется несколькими качествами: - это самый распространенный процесс на суше; - ее интенсивность возрастает по мере смыва (устойчивость почвы к эрозии снижается с увеличением смытости почвы); 112

- дождевой смыв как правило интенсивнее смыва талыми водами; - и тот, и другой - главная причина загрязнения водных объектов обломочным материалом. Плоскостная эрозия, связанная с атмосферными осадками, подразделяется на три категории: 1) протекающая при преобладающей роли талого стока; 2) развивающаяся обычно при преобладающей роли ливневого стока, но с участием талых вод; 3) возникающая почти исключительно в результате действия ливней. Этим категориям свойственно широтно-поясное распределение. Пояс смыва почв талыми водами с сельскохозяйственных полей развит в северном полушарии. В южном такой смыв может проявляться в заметных масштабах, повидимому, лишь в Андах. В пояс, где плоскостная эрозия талыми водами играет основную роль в удалении почвенного материала, попадают в зарубежной Европе - Скандинавия, большая часть Литвы, Латвии, Эстонии и Белоруссии, в Северной Америке - север Канады и Аляска. В России в пояс преобладающего талого смыва входит вся нечерноземная зона РСФСР, включая земледельческие районы Урала и Сибири. В этом же поясе находятся обширные площади черноземных почв Предуралья, Западной и Восточной Сибири, а также Алтая. Мутность талого стока обычно невелика и в среднем составляет 2 г/л, максимально, вероятно, не более 10 г/л. Специфичен смыв почвы талыми водами с полей в криолитозоне. Так, в Якутии из-за выхоложенности местных почв первые порции талых вод, фильтруясь и замерзая на границе с мерзлыми породами, создают подпочвенный водонепроницаемый экран. Поэтому даже при небольших уклонах сток талых вод производит большую эрозионную работу. Но особенно сильно она проявляется на склонах. На полях, где развит полигональный бугристозападинный микрорельеф, происходит смыв и сплывание плодородного пахотного слоя с вершин бугров в западины. В то же время цепочки западин служат основой для развития промоин и оврагов. Закономерности развития смыва почвы с полей талыми водами в районах с сезонным промерзанием грунтов рассматриваются на примере Нечерноземной зоны Европейской России. Смыв почвы начинается под снежным покровом, ибо основная часть талых вод стекает под ним. Эрозия почв на хорошо прогреваемых южных склонах оказывается в несколько раз интенсивнее, чем на северных склонах. Наибольший смыв осуществляется с зяби, несколько меньший с озими и еще меньший со стерни. Оставление стерни задерживает снеготаяние на 2-3 дня по сравнению с пашней. В лесополосах и кустарниках такая задержка составляет 6-7 дней. Очень сильный смыв производят талые воды из снежных сугробов лесонасаждений, когда они поступают на нижерасположенную пашню; почва на ней полностью лишена снежного покрова, находится в талом и переувлажненном состоянии. В подзонах северной и средней тайги, где распаханность с севера на юг меняется от 0,1 до 2%, суммарный смыв талого и ливневого стока в среднем не превышает 2т/га⋅год. В подзоне южной тайги низкая противоэрозионная устойчивость дерновоподзолистых почв в сочетании с высокой эрозионной активностью талого стока (его слой равняется 80-100 мм) и дождевого стока при довольно расчлененном рельефе обусловливает сравнительно высокий эрозионный смыв с полей, оцениваемый в среднем в 4-8 т/га⋅год. В подзоне смешанных хвойно-широколиственных лесов, где развиты серые лесные почвы и черноземы (юг нечерноземной зоны России), около 2/3 площади пахотных земель имеют уклоны более 1О, а к склонам крутизной свыше 3О приурочено около 1/3 113

площади пашни. Распаханность серых лесных почв превышает 50%, а черноземов близка к 65-75%. На склонах южной зкспозиции крутизной 8-9О эрозия почв при распашке может достигать 16-20 т/га⋅год, на склонах северной экспозиции эрозионный смыв составляет всего 3 т/га⋅год. Для степных и лесостепных районов Сибири факторами, стимулирующими развитие ускоренной эрозии, являются: 1) глубокое (2,5-3,0 м) промерзание и охлаждение (до -50°С) и сильный (до +60°С) нагрев почвы летом, ведущие к уменьшению содержания макроагрегатов в ней, появлению морозобойных трещин, трещин усыхания и т.п.; 2) бурное снеготаяние весной (7-15 дней), вызывающее интенсивный сток талых вод (70-80% количества зимних осадков) по мерзлой почве; 3) максимум осадков в июле-августе в виде интенсивных дождей и ливней. Действие этих факторов в сочетании с условиями рельефа и ландшафтной зональности обусловливает значительное развитие ускоренной эрозии в Приобской и БийскоЧулышманской лесостепи и особенно в предгорьях Алтая и Салаирского кряжа. Таким образом, в поясе преобладающего развития смыва почвы талыми водами плоскостная эрозия имеет величину от 2 т/га⋅год или менее в северной части до 20 т/га⋅год в южных областях Нечерноземья. Больше всего страдают от плоскостной эрозии поля на южных склонах, имеющих повышенную крутизну (8-9О). Пояс проявления смешанного действия талого и ливневого смыва занимает в Евразии и Северной Америке обширные площади. Здесь преобладает смыв почвы ливневыми водами, однако и талый сток играет заметную роль в удалении почвенного материала. Этот пояс охватывает площади равнины и возвышенности южной половины европейской части России. Сюда же относится, по-видимому, вся Зарубежная Европа, кроме стран Средиземноморья и Скандинавии. В Северной Америке к поясу развития преобладающего ливневого смыва почвы при участии талого относится юг Канады и северная половина США, ограниченная 40°с.ш. Ливневой смыв развивается гораздо энергичнее, чем смыв почвы талыми водами. Большую разрушительную работу выполняют удары капель дождя. Масса обломочного материала, приведенного в движение таким путем, может достигать десятков-сотен тонн на гектар, что обычно существенно превышает величину смыва с этой же площади, ибо часть поднятого материала оседает практически на месте, а другая доля его вовлекается в транспорт склоновым стоком. Перенос вещества осуществляется в растворенной, взвешенной и влекомой форме. Склоновые потоки обычно сохраняют высокую мутность благодаря ударному действию капель дождя, создающему завихрения в движущейся воде. В 1 литре воды ливневого склонового стока содержится обычно от 50 до 200 г обломочного материала. Пояс плоскостной ливневой эрозии включает юг Евразии и Северной Америки, а также Австралию, Африку и Южную Америку. Ливневая эрозия почв имеет почти исключительное развитие в Молдове, на юге Украины, в Закавказье и Средней Азии. В России она имеет место в зоне Черноморского побережья, в ряде районов Северного Кавказа и Дальнего Востока. В перечисленных районах от 55 до 75% площади пашни приурочено к склонам крутизной от 1 до 7О, а иногда и более; высока эрозионная сила дождей. Размеры плоскостной эрозии в поясе ее почти исключительно ливневого развития обычно весьма высоки и для чистого пара определяются цифрами от 7 до 60 т/га⋅год. 114

Таким образом, на юге России в условиях горного и предгорного рельефа эрозионные процессы на пашне имеют максимальную интенсивность. Овражная эрозия. Расчленение территории оврагами не обязательно связано с их сельскохозяйственным использованием. Однако наибольшая заовраженность, как правило, наблюдается в районах, где распаханность территорий достигает максимальной величины, т.е. 60-80% и более. Протяженность оврагов на единицу площади (км/км2) рассматривается в качестве одного из критериев интенсивности овражной эрозии. Различают склоновые овраги и береговые. Следует отметить, что антропогенное оврагообразование часто бывает намного интенсивнее природно-антропогенного. При сухом земледелии рост оврагов в длину обычно равен от долей до нескольких метров в год. Овраги развиваются как за счет дождевого, так и талого стока. Рост оврагов в песчаных породах осуществляется в 2-3 раза быстрее, чем в тяжелых суглинках. Овраги в лессах по скорости роста занимают промежуточное положение. Между водосборной площадью оврага и скоростью его роста наблюдается прямая зависимость. Поэтому скорость роста донных оврагов обычно в 2-3 раза выше, чем склоновых, при условии, что те и другие находятся в пределах одного геоморфологического района. Максимальная овражность (0,22-0,33 км/км2) наблюдается в европейской части России. Азиатской части свойственна очень слабая (овраги единичны), слабая (0,07 км/км2) и умеренная (0,10 км/ км2) овражность, а значительная (0,15 км/ км2) овражность присуща сравнительно небольшим площадям. Наиболее тесной является прямая связь между степенью распаханности и заовраженностью территорий. На легкоразмываемых, например, лессовых породах овраги, врезаясь до водоносных слоев, ведут к иссушению поверхности, а подчас и к полной деградации ландшафтов. По правобережью Днепра, Волги, Северного Донца, Дона, Десны, Днестра и их притоков сотни и тысячи оврагов занимают чуть ли не половину некоторых территорий. Так, в Ростовской области вместе с участками смытых почв овраги и балки занимают 22,3% от общей площади, а в некоторых северных районах даже 41-46%. В Поволжье рост оврагов в длину составляет в среднем 0,8 м в год (максимальная зарегистрированная величина - 12 м), в Молдове - 1,3 м в год. В результате оврагообразования общая топографическая поверхность территории увеличивается на 25-50%. Одновременно возрастает площадь различного рода неудобных земель, исчезают западины, блюдца, тарелкообразные углубления, являющиеся естественными резервуарами снеговых и дождевых вод, истоками малых рек. Нередко на поверхность выступают подстилающие почву породы - пески, песчаники, известняки, не обладающие достаточной влагоемкостью. Из-за аккумуляции смытого обломочного материала заиливаются водохранилища, мелеют прибрежные участки озер и морей, иногда приходят в негодность сельскохозяйственные угодья, наносится ущерб инженерным сооружениям. 6.6 Дефляция почв. Под этим процессом понимается удаление почвенного материала ветром. Ускоренная дефляция возникает при определенных условиях, главными из которых в земледельческих районах являются наличие сильных ветров и сухой оголенной почвы. Выдувание почв на пашне вполне закономерно для пустынной, полупустынной, степной и лесостепной зон. Небольшая дефляция почвы, до 0,2 мм/год, является допустимой и не представляет угрозы ее истощения, поскольку на такую же величину происходит увеличение мощности почвы за счет процессов почвообразования. 115

Ветровое удаление почвенного материала представляет собой взаимодействие воздушного потока с подстилающей поверхностью. При этом идет непрерывный подъем частиц в воздух и их выпадение на земную поверхность. Критическая скорость ветра, при которой возникает дефляция, неодинакова для разных почв. Развевание мелкого эолового песка начинается при скорости воздушного потока 3,5 м/с, черноземов обыкновенных, а также каштановых и темнокаштановых почв при скоростях 5,5-8,9 м/с, солонца столбчатого - при 12 м/с. Самый большой ущерб почвенному покрову причиняют пыльные бури, возникающие при скоростях ветра 12-15 м/с, а при скоростях 35-40 м/с движение воздуха приобретает ураганную силу. Бури делятся на вихревые и потоковые. Вихревые бури - это в большинстве случаев сложные образования, перемещающиеся на громадной площади. В их формировании возможно участие не только вихревых, но и потоковых движений воздуха. Потоковые бури значительно меньше по масштабам и не так сложны по динамике, как вихревые. На земной поверхности вихревые потоки воздуха оставляют крупные овалы сильного выдувания почвы, разбросанные среди площадей менее интенсивной дефляции. В "эпицентрах" дефляции выдувается не только мелкозем, но и дресвяно-щебнистый материал. Последний обычно движется во время бури на высоте нескольких десятков сантиметров от земли вместе с грубым песком. Несколько выше летит тонкий песок. Главную часть эолового потока во время бури составляет плотное облако пыли, поднимающееся до 1,5 км и выше. На земном шаре существуют три главные зоны действия пыльных бурь (рис. 13). Первая это зона аридных тропиков и субтропиков, где имеют место желтокрасные бури. Во время таких бурь пыль поднимается до высот 5-6 км и разносится на расстояние до 3-6 тыс.км. Для этих бурь Рис.13 характерен Распространение пыльных бурь на земном шаре. перенос пыли 1 - области проявления пыльных бурь далеко вглубь 2 - места их частого возникновения Атлантиче3 - области стабильного выпадения пыли ского и Тихого океанов. Когда весной китайские крестьяне пашут почву в Северном Китае, на Гавайских островах наблюдается пик выпадения терригенной азиатской пыли. Ежегодный вынос пы116

ли только из Сахары, которая долетает также до Амазонии и юго-востока США, варьирует от 100 до 400 млн.т. Для Амазонской сельвы сахарская пыль - это манна небесная, ибо в ней содержатся микроэлементы, щелочные и щелочноземельные металлы, дефицитные для экосистем влажнотропического леса. В США - это головная боль для тех, кто думает, как вносить поправки в принятые Агентством по окружающей среде (ЕРА) стандарты качества воздуха, так как в дни эолового “дождя” из африканской пыли они превышаются во Флориде и некоторых штатах на восточном побережье. Ежедневно, с 1974 г, исследователи из Университета г.Майами собирают образцы пыли с острова, находящегося вблизи города. Каждое лето регистрируется большое количество тонких частиц в дни, когда ветер несет африканскую пыль к берегам Америки. Африканское происхождение эоловых потоков однозначно установлено благодаря наблюдениям со спутника за их продвижением через Атлантику и по красно-коричневому цвету частиц. В те месяцы, когда африканской пыли нет, измеренное количество частиц составляет несколько мкг на 1м3 воздуха, летом с появлением африканской пыли, которая дает основной вклад в рост загрязнения, эти значения часто поднимаются до 50-100 мкг. Действующие стандарты чистоты воздуха распространяются на частицы менее 10 мкм в диаметре, но ЕРА предполагает добавить еще различные ограничения и для частиц размером менее 2,5 мкм. Примерно половина африканской пыли подпадает под этот критерий. Новые правила предполагают вынести за рамки кондиций то время, когда загрязнения вызваны природными источниками - извержением вулкана или лесным пожаром - поставляющими огромное количество частиц в воздух. Пока, однако, ЕРА не включило африканскую пыль в этот реестр. Но вернемся к зональности проявления пыльных бурь. Второй является зона степей и лесостепей, где действуют черные бури. Они часты в Северной Америке и Евразии, где дефляция является природно-антропогенной. В третьей зоне - арктических и субарктических областей - действуют серые бури, вызываемые в основном природными факторами. Следует отметить, что прогрессирующая неустойчивость климата на планете увеличивает опасность ускоренной дефляции. Так, на территории нашей страны еще в средние века фиксировалось 2-5 засух в 100 лет, в ХIХ в. их было 20, а за три четверти ХХ в. отмечено уже 18 засух. В России северная граница дефляционноопасных территорий проходит по линии Воронеж - Самара - Челябинск и далее южнее Омска и Новосибирска. Ускоренная дефляция проявляется в Башкирии, в Ставропольском и Краснодарском краях, а также в степях Сибири: Хакасии, Туве, Бурятии и Читинской области. Имеются данные об аномальном развитии выдувания почв на полях Якутии и Дальнего Востока. В пределах дефляционноопасной территории России находится около трети пашни. Развитие пыльных бурь на юге России происходило в отдельные годы в зимнее и весеннее время в экстремальных погодных условиях. Так, весьма неблагоприятными были 1958, 1960, 1969 и 1970 гг. В частности, в марте-апреле 1960 г. на юге европейской России господствовали чрезвычайно сильные и сухие восточные и юго-восточные ветры. Начавшись в Закаспии, бури захватили потом юг Европейской России и Украины. В сферу их действия попала площадь до 100 млн.га протяженностью около 3 тыс. км. В 1954 г. в бывшем СССР началось интенсивное освоение целины Казахстана, Алтайского края и Западной Сибири. Уже в этот год на полях появились признаки ускоренной дефляции, а к 1958 г. она охватила значительные площади. В 196З г. многие колхозы и совхозы на дефлированных землях собирали всего по 0,5 ц/га зерна, в 1965 117

по 1,5 ц/га. Однако уже через 5 лет, благодаря переходу с плуга на плоскорез, рыхливший почву, но оставлявший на поверхности растительные остатки, эоловое разрушение почв было остановлено. Прекратилось истощение земли, повысились урожаи. В 1969 и 1970 гг. пыльные бури нанесли урон почвам всего Северного Кавказа, Ростовской области, Восточной Украины, всем черноземным землям до Курска на севере. Только зимой 1969 г. от бури пострадало 3,4 млн.га пахотных земель. На асфальте дорог тогда лежали дюны из снега с пылью. Они засыпали придорожные лесополосы, местами до верхушек покрывая молодые деревья. Сотрудниками географического факультета МГУ изучен суммарный эффект пыльных бурь 1969-1970 гг. в Карачаево-Черкесской автономной области. Бури длились на равнинах области около 200 часов. Средняя скорость развевания в местах его экстремального проявления составила 1,3 мм/час или 1,5 т/га⋅час. У полезащитных насаждений почвенный покров в полосе шириной 140-180 м, в том числе до 20-30 м с наветренной стороны, сохранился практически полностью. Средняя дефлированность почв наблюдалась на плоских водоразделах и в верхних частях восточных склонов, где развеян слой почвы мощностью в 10-15 см. Слабая дефлированность (унесено менее 10 см почвенного слоя) отмечалась в нижних частях восточных склонов и ряда других мест. Ускоренная дефляция наносит большой ущерб почвам юга России. Сильно пострадал от пыльных бурь почвенный покров США. Огромная область их проявления в штатах Техас, Оклахома, Канзас, Колорадо и Нью-Мексико получила название “пыльной чаши”, где бури бушевали в 1934-1935, 1954-1957, 1974-1976 гг. Около 40 млн.га в этой области стали полностью непригодны для земледелия. В настоящее время в выпускаемых в США ежегодниках "Качество окружающей среды" публикуются данные о величине сноса почвенного материала в каждом штате в результате эрозии и отдельно вследствие дефляции. 6.7. Данные о потерях пахотных угодий. Ускоренная эрозия и дефляция причиняют ущерб земельным ресурсам во всех странах. Вот наиболее выразительные примеры: Аргентина - 18,З млн.га, или 13% общей пахотной площади, страдает от водной эрозии и 22 млн.га, или 16%, - от ветровой; Зимбабве - через 50 лет после распашки целины 2/5 площади пашни подвержены эрозии, причем треть этой доли - в сильной степени; Австралия - 50% всех сельскохозяйственных земель, включая пастбища, требует борьбы с эрозионными или дефляционными процессами; Испания - 90% пашни страдает от умеренной или сильной эрозии; Эфиопия - ежегодные потери продуктивных почв превышают 1 млрд.т; Перу, Непал, Индонезия, Иран - эрозией поражено от 50 до 60% их территорий; Натал (ЮАР) - ежегодно потери плодородных почв достигают 200 млн.т; Сальвадор - 77% территории страны страдает от ускоренной эрозии; Боливия - около 80% всех пахотных земель эродировано в разной степени; Колумбия - от эрозии в той или иной степени страдает практически 100% пашни; под влиянием водной эрозии находится 58,6 млн.га, или 51,4% территории страны, от выноса и накопления грубых наносов страдают земли площадью 26,8 млн.га, или 23,5%, от дефляции - 0,3 млн.га, или 0,3%; только 28,2 млн.га, или четверть площади земель страны, не деградирует под воздействием эрозионных и дефляционных процессов; Лесото - ежегодно из-за водной эрозии теряется около 1% пашни. Катастрофические темпы эрозионного разрушения почвенного покрова порядка 300-500 т/га в год были 118

отмечены в ряде районов Бангладеш, Индонезии, Тринидада, Гватемалы, ряда стран Африки. К этому перечню следует добавить, что мировым полюсом эрозии является Лессовое плато Китая, где смыв почвы в среднем составляет 100-200 т/га в год и это далеко не предельные цифры. Чрезвычайно сильна эрозия почв в Непале и на Яве. В России общая плошадь сельскохозяйственных земель, где требуется проведение противоэрозионных мероприятий, составляет 124 млн.га, в том числе 87 млн.га - это пашня. Пятую часть пашни страны занимают смытые почвы. Сколько безвозвратно тратит человечество почвы взамен на продукцию растениеводства? Представляют интерес ориентировочные прикидки Л.Брауна по поводу того, каков избыток смытого почвенного материала по сравнению с ежегодно образующимся на полях. Приблизительная оценка близка к 23 млрд.т в год. Эрозия удаляет с пахотных земель (млрд.т/год): США 1,5; бывшего СССР 2,3; Индии 4,7; Китая 3,3; остальных стран 10,9. Человечество расходует почву как нефть. Таков вывод Л.Брауна. Американский ученый давно занимается проблемой продовольствия и деградации пахотных земель и его предостережение об огромной опасности “тихого” кризиса (так называют антропогенную деградацию мирового почвенного покрова) вполне обосновано. 6.8. Управление пахотными землями. Защита земель от ускоренной эрозии и дефляции - трудная многоаспектная проблема. Этот вид хозяйственной деятельности, аккумулирующий многолетний опыт земледелия, все еще несовершенен. Так, в нашей стране, несмотря на имеющееся природносельскохозяйственное районирование, разработанные концепции севооборотов с учетом конкретных природных условий и такого же рода рекомендации по обработке почвы и ее защите от ускоренной эрозии и дефляции, ущерб от этих негативных явлений, как известно, остается очень значительным. История превращения российского крестьянина-собственника в раба, названная коллективизацией, - это кровавое насилие и одно из самых ярких выражений разрушения многовековой социальной структуры в крупнейшей в те годы стране мира. Это действие оказалось сильнее по отрицательному эффекту всех лозунгов, денег и научных рекомендаций, которыми затем снабжали деревню. Молодежь в основном бежала из нее, Среди тех, кто работал в совхозах и колхозах, было мало людей, стремившихся беречь государственную, т.е. ничейную землю. Заботились в основном о своих приусадебных участках. В условиях глубочайшего экономического кризиса, в котором находится Россия, вернуть российской земле тружеников, которые смогли бы накормить народ, сохраняя плодородие земель, - это задача вперед не на одно десятилетие. В ряде стран погоня за прибылью оказывает большое негативное влияние на состояние почвенного покрова. Так, в 1970-х гг. в США фиксировалась вспышка эрозии почв в связи распашкой значительных по площади эрозионноопасных земель. Это явление прямо было связано с улучшением конъюнктуры на мировом рынке зерна. В развивающихся странах трудности в охране почв связаны с бедностью землевладельцев, а иногда и с их нежеланием отступать от традиционных методов ведения земледелия. Немалую роль играет и внедрение плантационного хозяйства на месте сведенных тропических лесов, когда возделываются пропашные культуры - табак, кукуруза и т.п. Эрозия почв на таких площадях может быть очень велика - до нескольких десятков тонн с гектара в год, а иногда и более. 119

Какими же приемами располагает современное земледелие для сбалансированного управления пахотными угодьями? Удобрения, ядохимикаты, севообороты - это только часть необходимых мер, прямо или косвенно ослабляющих ускоренную эрозию и дефляцию. Борьба с плоскостной эрозией почв. Комплекс противоэрозионных мероприятий, актуальный и на сегодняшний день, был предложен еще в конце ХIХ в. В.В.Докучаевым. Он рекомендовал прекратить доступ грубых наносов в долины, улучшить водный баланс территорий и максимально приблизить структуру окультуренных ландшафтов к существовавшим ранее природным. Для этого надо было провести посадки деревьев и кустарников по берегам рек и на песках, перегородить овраги рядами плетней и живых изгородей; задерживать талые воды на полях; образовать в оврагах системы прудов по путям естественного стока талых и дождевых вод, особенно в верховьях, засадить сплошным лесом все неудобные для пашни участки. Важным было предложение В.В.Докучаева о выработке норм, определяющих относительные площади пашни, лугов, лесов и вод, применительно к местным условиям и сельскохозяйственным культурам. Минимальная и нулевая обработка почв предусматривает полный отказ от отвальной вспашки и резко сокращают число проходов тяжелой техники по полю. При этом пожнивные остатки предыдущего урожая (мульча) остаются на полях, что является очень эффективной противоэрозионной мерой. При минимальной обработке используются дисковые бороны (без предварительной отвальной вспашки), причем обрабатывается не вся поверхность поля, а полосы шириной до 1 м, чередующиеся с необработанными полосами шириной до 0,5 м. Широко используется также чизельный плуг, представляющий собой набор тонких зубьев длиной до 30-40 см, отстоящих друг от друга на расстояние до 50 см, который рыхлит почву, не нарушая ее структуры. С сорняками борются, применяя гербициды. При нулевой обработке все операции - посев, внесение удобрений и борьба с сорняками - выполняются за один проход специального агрегата по полю. Семена заделываются в небольшие лунки, туда же вносятся медленно растворимые гранулы удобрений. Применение минимальной и нулевой обработок практически сводит на нет эрозию, но имеет также и негативный аспект: для борьбы с сорняками и вредителями необходимо применять повышенные дозы пестицидов, что содержит потенциальную опасность химического загрязнения почв. В настоящее время минимизация обработки почвы широко распространяется в США, особенно на Юге и Среднем Западе, при выращивании в первую очередь пропашных культур - кукурузы, сои, хлопка, а также пшеницы, сорго и других культур. Первые шаги в этом направлении делают и некоторые развивающиеся страны. Из-за невозможности осуществлять большие капиталовложения в сельское хозяйство в развивающихся странах упор сделан на дешевые биологические методы защиты почвы от ускоренной эрозии. Так, в Кении специалисты рекомендуют снижать плоскостной смыв путем создания густого растительного покрова в период вегетации на полях, а в межсезонье покрывать их пожнивными остатками. Указывается на необходимость обогащения почв навозом и другими органическими удобрениями. Кроме того, весьма эффективны такие приемы, как контурная вспашка и севооборот, создание дренажных канав и травяных валиков для регулирования поверхностного стока и ослабления овражной эрозии. В связи с широким применением противоэрозионных мероприятий возник вопрос: всегда ли они экономически оправданы? Существуют ли такие потери почвы, с кото120

рыми можно примириться? Очевидно, полностью прекратить смыв нельзя. Служба охраны почв США ввела понятие "допустимые потери почвы” (в т/га⋅год), которые не сказываются на урожайности культур. Для разных типов почв были определены величины допустимых потерь. Они варьируют от 2-3 т/га⋅год для подзолистых и дерновоподзолистых почв до 11-12 т/га⋅год для черноземов и бруниземов. В России меры борьбы с ускоренной эрозией почв осуществляются приемами почвозащитного земледелия с учетом природных особенностей агроэкологических районов и, в частности, их принадлежности к трем поясам, выделенным по особенностям поверхностного смыва. В поясе развития преобладающего талого смыва вод контроль над ускоренной эрозией осуществляется, исходя из следующего подразделения земель. Земли, интенсивно используемые под пашню, делят на четыре категории: 1 - не подверженные ускоренной эрозии, сток талых и дождевых вод с этих земель не разрушает нижележащие участки; II - подверженные слабой эрозии, сток с этих земель угрожает нижележашим участкам (несмытые и слабосмытые почвы); III - подверженные средней эрозии (слабо- и cреднесмытые почвы); IV - подверженные сильной эрозии (среднесмытые почвы). Земли, пригодные для ограниченной обработки и неблагоприятные для постоянного возделывания ценных сельскохозяйственных культур даже при условии применения полного комплекса противоэрозионных мероприятий, представлены одной категорией: V - подверженные очень сильной эрозии (средне- и сильносмытые почвы) . Земли, непригодные для обработки, делят на три категории: VI - непригодные для включения в почвозащитный севооборот; VII - ограниченно пригодные для пастбищ; VIII - непригодные для земледелия, сенокошения и выпаса, но пригодные для лесоразведения; IХ - непригодные для земледелия, сенокошения, выпаса и лесоразведения (“бросовые земли" - выходы плотных пород, галечники, скалы, каменные осыпи). Земли I категории используются без почвозащитных мероприятий. На землях II категории прекращение ускоренной эрозии достигается благодаря проведению вспашки и расположению посевов поперек склонов, а также почвоуглублению или вспашке до 35 см, лункованию, бороздованию и регулированию снеготаяния. На землях III категории, кроме мероприятий, рекомендуемых для земель II категории, на зяби осуществляется прерывистое бороздование, а на ровных склонах - обваловывание и нарезка водоотводных борозд; при возделывании пропашных культур - прерывистое бороздование, глубокое рыхление междуречий, окучивание и др. На землях IV категории применяются меры, относящиеся к категориям II и III. Кроме того, проводится специальная организация территории, включающая возделывание культур полосами с участием буферных полос, устройство горизонтальных валов, террасирование и др. Наряду с влагозадержанием на землях, находящихся на склонах, вносятся повышенные дозы органических и минеральных удобрений. Это не только улучшает свойства почвы и увеличивает урожаи, но и повышает устойчивость их к смыву, благодаря более мощным корневым системам и густому пологу растений. Применение удобрений N30P30K30 на среднесмытых почвах дает прибавку урожайности на 30% выше, чем на несмытых. Разработаны и внедряются приемы радикального улучшения состава и свойств смытых почв путем добавления в состав пахотного слоя чрезвычайно больших доз сапропеля или торфа. Так, в Ярославской области на дерново-подзолистые почвы из оз. Неро земснарядами намывался сапропель в количестве 800 т/га. Р.Я.Сталбов разработал способ мелиоративного торфования склоновых почв северо-запада Нечерноземной зоны. 121

Цель способа - улучшить плодородие почв и ослабить смыв с них. Для этого в один прием в почву вносится торф в количестве от 670 до 1000 т/га. С продвижением к югу, в пояс преобладания смыва почв ливневым стоком, защита почв от ускоренной эрозии все более тесно увязывается с мерами по влагозадержанию. Для достижения указанных целей широко внедряется контурная обработка почв и полосное размещение посевов. При полосном земледелии смыв почвы уменьшается в 1020 раз и более. На склонах с полосным размещением многолетних трав и зяби мощность снежного покрова в 2 раза больше, а талый сток в 26 раз меньше, чем на склонах со сплошной зяблевой обработкой. Летом влажность земель на полосах, находящихся под паром, выше, чем при бесполосном земледелии. На юге России все земли под пропашными культурами являются эрозионноопасными и без трав в севообороте здесь не решить проблемы защиты почв от эрозии. С 1945 г. в некоторых хозяйствах практикуется контурно-горизонтальнополосная организация территории. Очертания обвалованных полей здесь строго следуют рельефу. Протяженные границы полей, магистральные дороги, основные лесозащитные полосы, начиная с водоразделов, располагаются только по горизонталям. Гребни на полях чередуются с горизонтальными канавами - бороздами. Такой опыт может обеспечить полное влаго-снегозадержание и ослабление эрозии до допустимых норм. Специфичны противоэрозионные мероприятия при ведении сельского хозяйства в горах. На склонах до 5О рекомендуется применять поперечный по отношению к склону тип организации дорог, тропинок, сельскохозяйственных угодий, вводить глубокую водопоглощающую обработку почв. На двухсторонних и многосторонних склонах все виды сельскохозяйственных работ организуются параллельно горизонталям рельефа, причем пропашные культуры располагаются на наиболее пологих участках. На склонах 5-10О, помимо отмеченных мероприятий, добавляются контурные борозды, увеличивается густота стояния растений, высеиваются преимущественно озимые культуры. На склонах крутизной 10-15О рекомендовано высаживать исключительно многолетние травы или виноградники, сады, ценные древесные и ореховые насаждения оконтуривают полосы многолетних трав. Склоны круче 12-15О после террасирования используют под ценные садовые, орехоплодовые и древесные насаждения. В особенно эрозионноопасных условиях влажных субтропиков используют террасирование склонов, шпалерную посадку чайных кустов, создание буферных полос многолетних трав и т.п. Борьба с овражной эрозией. Мероприятия требуют применения специальных сооружений, хотя чаще стараются сдержать развитие оврагов облесением их склонов, а иногда прибегают к простому заравниванию оврагов. Противоэрозионные гидротехнические сооружения, применяемые для контроля над овражной эрозией, условно разделяются на две группы. К первой относятся сооружения на водосборной площади оврагов, балок и речных долин. Основная их функция - сокращение смыва почвы и частичное задержание стекающей воды на обрабатываемых землях, кроме того, они снижают опасность оврагообразования и замедляют рост существующих оврагов. В эту группу входят валы-террасы на пашне, ступенчатые террасы на крутых склонах, валы и валы-канавы, устраиваемые в водорегулирующих и прибалочных лесополосах, нагорные канавы, микролиманы, забитые клином органических остатков (мульчированные) щели, лункование зяби и паров. Ко второй группе относятся сооружения, размещаемые непосредственно в оврагах или оврагоопасных крутых склонах. Их главное назначение - прекращение роста оврага в длину, ширину и глубину, а также предупреждение оврагообразования. Эти сооруже122

ния защищают локальные по площади объекты, нижние наиболее крутые части склонов балок и речных долин от разрушения, а ценные пойменные земли, реки и водоемы - от заноса продуктами смыва и овражного размыва. Из гидротехнических сооружений данной группы для прекращения роста оврагов в длину чаще всего применяют водозадерживающие валы, водоотводящие валы и канавы, а также перепады, консоли и быстротоки; препятствиями роста оврагов в ширину служат подпорные стенки; глубинную овражную эрозию задерживают поперечные запруды и плотины. Проблема восстановления малых рек. Их вырождение обычно связано с чрезмерной распашкой водосборов, что и произошло в лесостепной и степной зонах европейской части России. Пострадали верхние звенья гидросети в бассейнах Оки, Дона и ряда других рек. На дне долин небольших рек произошла избыточная аккумуляция наносов и образование под руслами слоя суглинисто-супесчано-песчаного аллювия мощностью в 2-3, иногда до 5-10 м. Большинство малых рек обмелело, хотя уровень их стал располагаться выше, что привело к подтоплению земель. Скорость такой природноантропогенной агградации речных долин зависит от степени распаханности и соответственно обезлесенности водосборов. Так по данным пятилетних стационарных наблюдений С.Г.Курбановой и Л.В.Петренко на востоке Русской равнины скорость аккумуляции тонкозернистого осадка в небольших долинах увеличивается по мере снижения лесистости водосборных бассейнов следующим образом. При полной их облесенности (100%;) смыва почти нет и аккумуляция близка к 0 мм/год; при 63% лесопокрытости она незначительна (0,33 мм/год); при 20% - достигает 2,25 мм/год и при 1% 21,5 мм/год. Предложена программа "рекультивации" рек (Маслов, Минаев, 1985). Она предусматривает: 1) противоэрозионные меры на склонах; 2) выделение прирусловых водоохранных зон; 3) сооружение регулирующих сток водохранилищ; 4) создание в верховьях речек и оврагах наносозадерживающих прудов; 5) ограничение пропускной способности пойм путем посадки кустарников, отсыпки валов и дамб, перекрытия понижений, залужения прирусловых валов и песков; 6) отвод части руслообразующих наносов на пойму путем сооружения донных порогов в русле; 7) стимулирование донной эрозии в руслах рек путем спрямления отдельных излучин; 8) защиту берегов от размыва; 9) механическую или гидромеханическую расчистку русел от наносов и растительности; 10) сохранение пойменных озер и стариц; 11) защиту рек от поступления в них сточных вод и животноводческих стоков, сбросов ливневой канализации и т.п. В нашей стране проводится разработка водохозяйственных паспортов бассейнов малых рек. Радикальной мерой является создание прибрежных водоохранных зон со строгим ограничением хозяйственной деятельности и выделением прибрежных водоохранных полос. Борьба с ускоренной дефляций. Для этого применяют защитные севообороты, а также используется деление земель по степени их уязвимости к выдуванию почвы. Обычно выделяют пять категорий земель: 1) неподверженные ускоренной дефляции; 2) слабоподверженные; 3) среднеподверженные; - 4) сильноподверженные; 5) очень сильно подверженные выдуванию. Для земель первых трех категорий признаны целесообразными обычные севообороты. На землях четвертой и пятой категорий проектируются защитные севообороты с ускоренной ротацией, повышением доли многолетних трав, озимых и зимующих культур, создание механических защит (щитов, изгородей и т.п.), агролесомелиоративное закрепление земель. 123

Эффективен прием полосного размещения культур перпендикулярно к направлению дефляционноопасных ветров. Он применяется на ветроударных участках, а также в местах распространения почв легкого механического состава. Соотношение ширины защитных (с посевами многолетних трав и других культур) и защищаемых полос с отвальной зябью составляет 1:1, реже 1:2 или 1:3. Используют также полосное оставление стерни на высоком срезе, кулисные посевы длинностебельных растений. Плоскорезная обработка почвы обеспечивает не только надежную защиту от ускоренной дефляции, но и более эффективное использование в засушливых районах естественных осадков для выращивания сельскохозяйственных культур. Стерня и другие растительные остатки ослабляют испарение с поверхности почвы. Однако еще важнее то, что при оставлении стерни, несмотря на сильные зимние ветры, на полях накапливается слой снега мощностью в высоту стерни или несколько выше. Этот слой наращивается благодаря мерам по снегозадержанию. Система обработки почвы с сохранением стерни внедрена на огромных площадях пахотных земель Западной Сибири, Урала и Поволжья. Полезащитные лесные полосы оказывают серьезное противодействие дефляции. Лучший эффект дают ажурные лесополосы с мелкими просветами, занимающими 1535% проекции полосы. Ширина таких ветровых барьеров обычно от 12 до 32 м. Средняя высота лесополос в лесостепи обычно 18 м, в степи 16, в засушливой степи 12, в сухой степи 6-8 м. Главные породы лесополос представлены дубом, гледичией, акацией белой, ясенем зеленым и обыкновенным, вязом мелколиственным, тополем. Из сопутствующих пород распространены клены ясенелистный, татарский и полевой, абрикос, груша, яблоня, вишня, софра, шелковица, жимолость, лох, акация желтая. Ветрозащитное действие перпендикулярных господствующим ветрам ажурных лесополос прослеживается на расстоянии, в 40-60 раз превышающем их высоту, однако длительные штормовые ветры сокращают это расстояние в 3 раза. Одновременно лесополосы аккумулируют пыль и защищают снег полей от сдувания. Проект Ф.Я.Шипунова. Используя разработки В.В.Докучаева, В.Р.Вильямса, А.И.Титова и других ученых, Ф.Я.Шипунов предложил реанимировать интенсивно начатое в конце 1940-х годов создание сети лесополос в засушливых районах бывшего СССР. В качестве основополагающей идеи своей разработки он взял эмпирически доказанный факт значительной оптимизации климата в районах широкого распространения лесных полос. В частности, сейчас известно, что они не только защищают поля от разрушительной дефляции почв, но и способствуют большему накоплению влаги в почвенном покрове, так как зимний метелевой вынос с полей и сублимация поднятого в воздух снега резко ослабляются барьерным эффектом лесополос. Известно также, что под лесополосами и вблизи них накапливаются значительные запасы грунтовых вод. Поля, защищенные лесными полосами, дают достаточно стабильные урожаи зерна даже в годы сильных засух. Ф.Я.Шипунов рассчитал следующие размеры сетей лесополос: - 2-3% от общей площади земель в зонах серых лесных почв, выщелоченных и тучных черноземов при ширине полей до 650 м; - соответственно 3,5% и 500 м в зоне типичных украинских и кавказских черноземов; - 4,5% и 350 м в пределах зоны южных черноземов; - 8,9% и 250 м в зоне темнокаштановых почв. Всего на землях бывшего СССР необходимо посадить 4,7-5,5 млн.га лесополос. Эти мероприятия в сочетании с другими агромелиоративными мерами и при условии ликвидации отчуждения земледельца от земли, т.е. приватизации собственности в сельском 124

хозяйстве, позволили бы, как считал Ф.Я.Шипунов, с избытком обеспечить страну зерном. Ныне достаточно реализовать только часть плана, относящегося к России. Расчеты величин эрозии и дефляции почв. В зависимости от того, какими водами поверхностного стока вызывается эрозия почв, рассчитывается потенциальная эрозионная опасность угодий, что позволяет без проведения стационарных наблюдений судить о размерах плоскостного смыва почвенного покрова. Методика расчета эрозии почв талыми водами разработана лишь в первом приближении. Существует эмпирическая зависимость для определения количества смываемой почвы этим видом поверхностного сноса. Расчет ведется по формуле: М3 = hn⋅ а⋅b⋅k1 , где h - слой стока за период весеннего половодья; M3 - модуль стока наносов за период весеннего половодья, т/га; a, n - параметры, зависящие от типа ручейковой сети на склоне, вида агротехнического фона и типа почв (для зяблевой вспашки), приводятся в специальных таблицах; b - коэффициент, учитывающий влияние агротехнического фона за предшествующий год на смыв почвы с зяблевой пахоты, озими и стерни, приводится в специальной таблице. Влияние предшествовавшего агротехнического фона на смыв почвы с многолетней залежи и многолетних трав не учитывается (b=1); k1 - коэффициент, учитывающий крутизну склона; при уклоне склона Iск ≥ 10% k1 = 0,01-1, при Iск < 10% к1 = 1. Универсальная формула эрозии широко применяется для учета потерь почвы при смыве пашни. Она известна как модель Уишмейера-Смита или универсальное уравнение почвенной эрозии. Основная идея этой модели - представить главные факторы эрозии в виде коэффициентов, простое перемножение которых позволило бы получить величину потери почвы в весовых единицах с единицы площади за определенное время, т.е. модуль плоскостной эрозии (в коротких тоннах/акр ⋅ год, для перевода в т/га ⋅ год вводится коэффициент, равный 2,242). Модель разрабатывалась для определения эрозии в крупном масштабе (конкретное поле), но сейчас во многом благодаря усилиям Г.А.Ларионова (1993) появились возможности ее использования и при работе с картами достаточно мелких масштабов - до 1:5 000 000. Уравнение имеет вид: А = R⋅К⋅S⋅L⋅С⋅Р , где A - потери почвы ( т/акр ⋅ год); R - фактор осадков (годовой эрозионный индекс осадков есть произведение кинетической энергии осадков слоем более 12,2 мм на их максимальную 30-минутную интенсивность). Как показали наблюдения на стоковых площадках, смыв почвы с обрабатываемых участков при ливне прямо пропорционален параметру Е⋅Т этого ливня ( т.е. его энергии, помноженной на интенсивность). Отсюда, среднегодовое значение Е⋅T для данного места есть эрозионный индекс осадков R данного места. K - фактор эродируемости почв, численно равный количеству смытой почвы с эталонного участка, приходящемуся на единицу эрозионного индекса осадков, фактор К , определяемый для данной почвы, зависит только от ее свойств и может рассчитываться как по трем, так и (при наличии соответствующих данных) пяти показателям; S - фактор крутизны склона, численно равный отношению количества смытой почвы со склона данной крутизны и количеству почвы, смытой с участка крутизной 45°, при равной длине склона;

125

L -фактор длины склона, численно равный отношению количества почвы, смытой со склона данной длины, к количеству почвы, смытой с участка длиной 22,1 м при их равной крутизне; С - фактор севооборота, численно равный отношению количества почвы, смытой с поля при данном севообороте и системе обработки почв, к смыву с такого же поля, но под паром; Р - фактор почвозащитных мероприятий, численно равный отношению количества смытой почвы с поля, на котором применяются противоэрозионные мероприятия, к смыву почвы с такого же поля, на котором обработка и посев производится вдоль склона. В эрозионном индексе осадков также учитывается (для тех районов, где это необходимо) и поверхностньй сток талых вод. Для этого к фактору R добавляется еще один R S, равный количеству осадков за период с декабря по март включительно, выраженный в дюймах и умноженный на 1,5. В настоящее время в ряде стран ведется расчет фактора по данным метеостанций, где проводятся плювиометрические наблюдения. Полученные данные публикуются в виде карт с изолиниями (так называемыми изоэродентами), так что становится возможным получить значение R для любой точки путем линейной интерполяции. Карта для территории бывшего СССР опубликована (Ларионов, 1993). Фактор эродируемости почв K определяется путем экспериментальных наблюдений на разных типах почв в различных климатических районах. Для этого использовались наблюдения на эталонных участках (длина 22,1 м, уклон 5°), постоянно находящихся под черным паром. В этих условиях факторы L, S, C, P равны 1, и К оказывается численно равным A:R. Таким образом, фактор К показывает, какое количество почвы смывается на единицу эрозионного потенциала осадков. После статистической обработки материалов была построена номограмма, по которой возможно определение фактора К, если известно процентное содержание гумуса, мелкого песка + пыли и песка (по этим показателям получают первое приближение фактора К ). В настоящее время эта номограмма пересчитана в метрическую систему с использованием принятых у нас градаций выделения песка, мелкого песка, а также пыли и в измененном виде опубликована. Универсальная формула эрозии усовершенствована Г.А.Ларионовым. Он предложил методику определения потенциальной эрозии почв на сельскохозяйственных угодьях различных природных зон, исходя из составляющих формулы Уишмейера-Смита, но с заменой факторов S и L на объединяющий их эрозионный потенциал рельефа (Р) и факторов С и P на объединяющий их почвозащитный коэффициент растительного покрова и агротехники ( Kg). По методике Г.А.Ларионова проведены исследования эрозионной опасности в различных регионах бывшего СССР. Среди формул, предложенных для прогноза роста оврагов, заслуживает внимания уравнение Томсона: R = 0,15A0,49S0,14 P0,74 E1,00 , где R - среднегодовой прирост вершины оврага, футы; А - водосборная площадь, акры; S - приблизительный уклон тальвега, %; P - годовая сумма осадков (в дюймах), выражающихся в форме дождей с интенсивностью 0,5 дюйма в 24 часа; 126

E - содержание в размываемых породах глинистых частиц, % (вес). Важнейшие факторы ускоренной дефляции также оцениваются количественно, на основании чего может быть осуществлен расчет ее потенциальной опасности. В США определение потерь почвенного материала с пахотных угодий в результате ускоренной дефляции производится по инструкциям, выпущенным Министерством сельского хозяйства США. Так, для условий Великих Равнин выведена следующая зависимость: E = f (I⋅K⋅C⋅L⋅V) , где E - среднегодовые потери почвы, т/акр⋅год; I - показатель податливости почвы к дефляции; зависит от механического состава почвы, в основном от процентного содержания частиц размером более 0,84 мм; K - показатель шероховатости, т.е. высоты и ширины борозд в поле; С - показатель климата, точнее данных о скоростях ветра и влажности почвы; L - показатель длины поля вдоль направления господствующих дефляционноопасных ветров; V - показатель количества и характера расположения растительного покрова. Показатель I рассчитывается на основе стандартной процедуры просеивания навески сухого почвенного материала, взятого с поверхности ненарушенного поля. Для условий графства Гарден-Сити, штат Канзас, рассчитаны показатели податливости почвы к дефляции (I, т/акр ⋅ год). Например, при содержании частиц > 0,84 мм 3% I=220, при 10% - 134; при 25% - 86, при 40% - 56, при 50% - 38. Показатель К определяется на основе коэффициента гребнистости поля К, который выводится путем деления двух дробей. Делимое - это стандартное отношение высоты грядки к длине межгрядового понижения. Оно равно 1/4. Делитель - это отношение тех же параметров изучаемого поля, равное 1/Х. Частное от деления умножается на высоту ( h ) борозд или грядок в дюймах. Так выводится коэффициент гребнистости поля KГ = (1/4: 1/Х), который служит исходным для снятия с номограммы показателя К. Так, при КГ = 2-5 К ≈ 0,5; при КГ = 0,7 - 0,9 К = 0,7. Самое высокое значение К=1 означает, что гребнистость поля равна 0. Все расчеты делаются, исходя из условия, что грядки на поле расположены вкрест направлению господствующих дефляционноопасных ветров. Показатель С устанавливается по формуле, связывающей сведения о средней годовой скорости ветра (V) на высоте 30 футов и величине увлажнения почвы, представляющей собой разность между количеством осадков (Р) и эвапотранспирацией (Е) за год. Процедура установления С сводится к определению по формуле:

100 V3 C= x 2.9 ( P - E )2 Показатель С выводится, таким образом, в процентах по отношению к показателю С для Гарден-Сити, для которого вычисление его по формуле С = V3 : ( Р - E ) 2 дало величину 2,9, приравненную к 100%. Показатели С рассчитаны для каждого графства. Показатель L выводится, исходя из данных о превалирующем направлении ветра, по которому определяется длина незащищенной от дефляции пашни в футах. Показатель V чаще всего устанавливается для времени, когда растительный покров отсутствует, и почва открыта или защищена соломенной мульчей. Количество сухой мульчи в фунтах на акр и является показателем V . 127

При наличии перечисленных показателей величина дефляции почвенного покрова определяется по одной из многочисленных номограмм, которые находятся в выше упоминавшемся руководстве. Приведенная методика определения размеров ускоренной дефляции позволяет в зависимости от противодефляционных качеств почв и особенностей климата (факторы I и С) выбрать наиболее рациональный комплекс агротехнических мероприятий, при котором опасность чрезмерного выдувания почвы была бы сведена к минимуму. Борьба с ирригационной эрозией. Избежать совсем или почти полностью ее проявления позволяет регулируемое капельное орошение по гибким синтетическим или перфорированным трубам, дождевание интенсивностью не свыше 1,5-2 мм/мин (особенно для черноземов), полив по бороздам, нарезанным по горизонталям (контурные борозды), прерывистое бороздование и лункование, полив по бороздам-щелям глубиной 36-40 см, увеличивающим поверхность контакта почвы с водой. Для уменьшения эрозии стенок оросителей их предварительно увлажняют небольшими порциями воды, кольматирующей и заиливающей поры. Оросители и борозды засеиваются травами и зерновыми культурами. На более плоских участках контурные борозды заменяют микроозерами в виде небольших лунок, лиманов или прерывистых борозд, в которых отстаивается вода и которые огорожены в нижней части склонов валом или системой невысоких обвалований и гребней. Начинают применять искусственное оструктуривание почв с помощью специальных полимеров, склеивающих мелкие частицы в более крупные агрегаты. В ряде случаев ложа оросителей укрепляют электроимпульсными разрядами, которые одновременно улучшают плодородие почв. Борьба со вторичным засолением. Так как ирригация активизирует движение солей, управление их стоком необходимо для сохранения плодородия орошаемых почв. Высокоминерализованную воду (возвратные стоки) необходимо удалять дренажными системами, что и осуществляется в современных по технологии хозяйствах. Возвратные стоки не должны попадать в реки, так как в этом случае сильно страдают расположенные ниже по течению хозяйства. Однако это далеко не всегда достижимо, и вот во многом почему Сырдарья и Амударья имеют высокую концентрацию солей и загрязняющих веществ в своих низовьях. Лучшее решение проблемы управления солевым стоком заключается в отводе возвратных вод по специальным бетонированным каналам в моря, что и делается во многих случаях, например, в Калифорнии. Второй вариант управления - образование искусственных озер из возвратных стоков. Худшее решение - их сброс обратно в реки. В России для борьбы с вторичным засолением сеть оросительных каналов теперь размещают в лотках или водонепроницаемых закрытых керамических трубопроводах. Строятся системы вертикального и глубокого (2,5 - 3,0 м) горизонтального дренажа. Применяются специальные нормы и режимы импульсных поливов, периодические осенне-зимние промывки почв. С целью исключения интенсивных восходящих пленочно-капиллярных токов, несущих соли, осуществляется профилактическая обработка почвы. Для равномерного полива всего участка проводятся планировки полей. Вдоль канав с водой создаются посадки деревьев, снижающие уровень грунтовых вод. В севооборотах используется обладающая мелиорирующей способностью люцерна, создается повышенная густота стояния растений. Оросительные системы оснащаются датчиками и автоматами, которые обеспечивают полив в зависимости от погоды, состояния полей и грунтовых вод, потребности расте128

ний. Это учитывается при строительстве оросительных систем в Поволжье, Сибири и на Северном Кавказе. Особенно трудно поддаются рассолению тяжелые глинистые малопроницаемые земли, подтопленные вблизи водохранилищ. Чувствительны к вторичному засолению и осолонцеванию луговые почвы пойм и низких террас степной зоны, где всегда высок уровень минерализованных грунтовых вод. На таких почвах рекомендуются поливы не промывного, а дополнительного типа (до наименьшей влагоемкости) и при том для черноземов и луговых почв с учетом влаги дождей. Нужны также новые, отзывчивые на орошение сорта пшеницы, сои, свеклы, трав, а также парк новых рыхлительных машин. Почвоохранные меры на осушенных землях. Такого рода мероприятия направлены на снижение скорости деструкции торфяной массы и защиту почвы от ускоренной дефляции. К противодеструкционным мерам относятся: 1) применение веществконсервантов; 2) внесение органических удобрений; 3) щадящий режим осушения и использования торфяников. Особенно перспективен последний прием, предусматривающий минимально необходимую степень осушения, применение оптимальных доз минеральных удобрений (включая азотные), минимальное воздействие на почву и возделывание культур, дающих высокие урожаи при близком к поверхности залегании грунтовых вод, применение бестраншейных дреноукладчиков. В наибольшей мере этим принципам соответствует луговодческое направление в использовании торфяных почв. К противодефляционным мероприятиям на торфяных почвах относятся: 1) введение почвозащитных севооборотов на маломощных (менее 1 м) торфяниках, в составе которых предусматриваются посевы многолетних трав длительного пользования и исключается выращивание пропашных культур; 2) возделывание яровых культур, посев которых сочетается со специальной обработкой почвы с целью создания максимального количества ветроустойчивых агрегатов и уплотненной и одновременно шероховатой поверхности поля; 3) создание лесозащитных полос. Надо ли так много осушать? Такой вопрос естественно возникает, когда становятся известны пагубные последствия осушительных мелиораций. Существуют подсчеты, согласно которым за собранную на болоте клюкву можно, экспортируя ее, получать валюту и покупать на нее примерно столько же зерна, сколько может дать это болото. Правда, для этого надо суметь еще пробиться на соответствующий рынок. Между тем, болота выполняют большое количество экологических функций и, кроме того, являются крупными резервуарами пресных вод суши. Например, только в болотах Западной Сибири удерживается до 1000 км3 воды. Водорегулирующая роль болот состоит в следующем. При высоком содержании воды испарение с них примерно идет как с открытой водной поверхности, и при низкой обводненности потери влаги в атмосферу резко снижаются. Отсюда во влажные годы ослабляются паводки на питаемых болотами реках и в сухие годы несколько увеличиваются меженные расходы. Крупные болота выполняют важную противопожарную функцию, так как могут останавливать продвижение огня. На болотах произрастает большое количество лекарственных растений. Ягодники болот - источник экологически чистой продукции с высоким содержанием витаминов. Болота - места распространения многих охраняемых редких видов фауны и флоры. Рекреационное использование, сбор ягод, грибов, лекарственных трав, а также природоохранные экскурсии и охота - все это делает болота важными объектами в хозяйственной, экологической и научной деятельности людей. Торф, добываемый на болотах, используется как топливо или удобрение. Торф - прекрасный сорбент тяжелых металлов и других загрязняющих веществ. Традиционно 129

применяется сухой торф в качестве теплоизолятора. Из мало разложенного торфа можно получать грубую бумагу, картон, половики, попоны и даже мягкие ткани. Потеря болотных торфяников, а это больше всего происходит из-за их осушения - это утрата ресурса, на возобновление которого требуются тысячелетия. Особую ценность представляют верховые болота, и осушать следует, как считают специалисты, в основном минеральные, в разной степени оглеенные почвы, избыточно увлажненные, с дерновым малоразвитым торфянистым горизонтом. Болота нужны биосфере и человечеству. Сказанное не относится, конечно, к осушительным мелиорациям мелководий озер и морей. Во многих странах, созданные на месте участков акваторий польдеры навсегда вошли в фонд сельскохозяйственных земель и являются важной составляющей экономики. Правда потеря водоемов также не бывает без последствий, например, осушение в низовьях р.Янцзы большого количества связанных с рекой озер , отрицательно повлияло на гидрологический режим третьей в мире по величине водной артерии: паводки стали выше, а межень ниже, труднее стало бороться с наводнениями и ухудшился потенциал самоочищения в низовьях реки в периоды низкого положения уровня реки. 6.9. Выпас.Человечество получает от скотоводства и птицеводства около 15% пищевой энергии. Между тем, пастбищное использование земель по масштабам площадного охвата не имеет себе равных среди прочих видов землепользования. Травянистокустарниковые пастбища и сенокосы занимают примерно четверть земельной площади суши (3,36 млрд. га), и это не считая лесные земли под выпасом, тундровые и тундроворедколесные оленьи пастбища, а также земледельческие территории, на которых выпасают скот после снятия урожая. Особенно велика роль травянисто-кустарниковых пастбищных угодий в земельном фонде Австралии. Значительна она в земельном фонде Африки, Южной Америки и Зарубежной Азии. При умеренной нагрузке пастбищные экосистемы длительное время сохраняют свойственную им продуктивность, а если и происходят ее колебания, то это больше связано с флуктуациями в гидротермической обеспеченности или с возможными стихийными бедствиями (пожары, нашествия саранчи и др.}. При перегрузке пасущимися животными происходит разрушение пастбищных экосистем - дигрессия. Скот выедает растительный покров, иногда включая и подземную фитомассу, вытаптывает почву. Особенно уязвимы пастбища в районах с экстремальными климатическими условиями, а также пастбища на склонах гор и плато с маломощным рыхлым почвенно-элювиальным чехлом, развитым на плотных породах. Пастбища тундр и тундролесий находятся в основном в пределах криолитозоны и используются для выпаса оленьих стад. Поедая куртины ягеля, олени уничтожают его прирост примерно за 10 лет. Из-за несоблюдения пастбищеоборотов, перевыпаса и выбивания пастбищ в северных районах Ямало-Ненецкого автономного округа ежегодно становится непригодным для выпаса 10-15% пастбищ. При этом восстановление лишайников часто задерживается на срок свыше 25 лет или же лишайники вообще не возобновляются. На выбитых участках обычно появляются травы - осоки, пушицы, злаки. Но отрастают они на выбитых пастбищах лишь через 5-8 лет, распространены небольшими куртинами, фитомасса их мала. Большая часть выбитых пастбищ покрывается пятнистыми тундрами, на которых лишенные растительности пятна минерального грунта занимают до 60-80% площади территории 130

В 1960-70-х гг. в тундрах полуострова Канин и Тиманского кряжа покрытие летних пастбищ ягелем сократилось в отдельных местах с 50-60% до 20-30%.м Это было связано с большой концентрацией оленьих стад в относительной близости от населенных пунктов в связи с переходом оленеводов от кочевого образа жизни к оседлому. При строительстве газопровода Мессояха-Норильск растительный покров оказался нарушенным на площади 79 тыс.га, из которых 27 тыс.га - ценные зимние и ранневесенние оленьи пастбища. Ширина нарушенной зоны колеблется от 0,3 до 4,5 км. Создание линейных сооружений в тундровой и лесотундровой зонах наносит большой ущерб их кормовым ресурсам. По данным геоботанических исследований на 1 января 1996 г. общая площадь деградированных оленьих пастбищ составила 230,6 млн. га, из них 46,6% со средней степенью деградации, 32% - сильной и 21,4% - слабой. Деградация оленьих пастбищ вызвана перевыпасом -70%, пожарами 10%, техногенным загрязнением 15%, выпасом диких оленей - 5%. В местах стравливания растительного покрова его защитная, в особенности теплоизоляционная функция резко ослабляется. Происходит чрезмерное таяние грунтов, интенсифицируются термокарстовые явления и солифлюкция, возникают и бурно протекают делювиальный смыв и намыв, а также овражная эрозия. Выпас в лесу. Скот оказывает на лесные экосистемы негативное воздействие, когда пастбищная нагрузка достаточно велика. Животные сильно уплотняют почву, повреждают растения, особенно их корневую систему. Раны на обнаженных корнях становятся местами проникновения паразитов. Наибольший вред самосеву и подросту причиняет выпас скота в широколиственных лесах и в дубравах. Нередко здесь весь подрост уничтожается пасущимися животными. Лес лишается своих многих пернатых защитников, когда скот выедает подлесок. С его разрушением исчезают местообитания ряда видов птиц. Наибольший урон лесам наносят козы и овцы, которые предпочитают древесный корм. Свиньи раскапывают почву, и сильно повреждают корни растений. Особенно неблагоприятно влияют на развитие ландшафта скотопрогонные тропы на склонах. По ним закладываются промоины, в дальнейшем перерастающие в овраги. Допустимая пастбищная нагрузка в лесах России ориентировочно может быть оценена в 4-5 га на 1 голову скота. Лесостепные и степные пастбища. Для этих пастбищ отмечается снижение содержания гумуса в черноземах при перевыпасе. Так, многолетний интенсивный выпас лошадей в целинной степи снижает запасы гумуса в почве, примерно на 20%. Всюду, где выпасаемые степные территории имеют разреженный травянистый покров, они подвергаются ускоренной эрозии и дефляции. Резкое усиление механического сноса с поверхности почв происходит при снижении проективного покрытия растительностью до менее 70%. Полупустынные и пустынные пастбища. Аридные пастбищные земли весьма чувствительны к перевыпасу. Нарушения, вызываемые при избыточной пастбищной нагрузке в песчаных пустынях, имеют различный характер. На примере среднеазиатских пастбищ выделены типы участков в зависимости от характера и величины нагрузки: 1) площади пустынь с рассредоточенным выпасом, на которых умеренная нагрузка не вызывает нежелательных последствий; 2) участки постоянного скотопрогона и выпаса, на которых в результате усиленной пастбищной нагрузки образуются многочисленные скотопрогонные тропы, являющиеся очагами ускоренной дефляции; 3) кольца разбитых песков, в пределах которых многочисленные тропы сливаются, образуя глубокие и широкие желоба, а от первоначальной поверхности сохраняются бугры-останцы с расти131

тельностью; 4) кольца оголенных и разрыхленных песков, окружающих большую часть колодцев, зимовок, кошар; 5) стоянки скота (тырло) - покрытые навозом ровные площадки. Эти преимущественно антропогенные образования перерабатываются в основном ускоренной дефляцией и сочетающейся с ней эоловой аккумуляцией. Отрицательные дефляционные формы рельефа перемежаются с положительными аккумулятивными, например, с барханами. Если превращение пустынных пастбищ с песчаными почвами в подвижные пески может произойти всего за 2-3 года, то восстановление растительности на них естественным путем осуществляется за 15-20 лет. Пастбища травянисто-кустарниковой саванны. Изменения на пастбищах травянистокустарниковой саванны, происходящие при перевыпасе, установлены при исследованиях в Кении. Современные темпы механического сноса с участков с незначительной пастбищной нагрузкой колеблются от 0,5 до 1,4 т/га в год. Однако в 20-40 км к югу от Найроби и в ряде других мест из-за перевыпаса поверхностный смыв со склонов увеличивается и колеблется от 20 до 180т/га в год. В Танзании семиаридные пастбища ежегодно теряют в результате смыва и выдувания слой почвы мощностью в среднем 1 см. Следовательно, такие пастбища быстро деградируют при чрезмерном выпасе. Существует реальная угроза их превращения в каменистые пустоши уже в ХХI веке. Горные пастбища. Избыточное пастбищное использование вызывает негативные изменения на высокогорных травянистых урочищах. Так, на отдельных высокогорных пастбищах Северного Кавказа в результате перевыпаса произошла смена первичной растительности с обилием злаков сорным разнотравьем. Перевыпас ухудшает гидротермический и питательный режим горно-луговых почв некоторых участков Главного Кавказского хребта. Из-за нарушения дернины активна плоскостная эрозия. Выяснено, что по сравнению с заповедными лугами, продуктивность интенсивно эксплуатируемых пастбищ может снижаться втрое. Многовековой неумеренный выпас скота наряду с воздействием огня сделали некоторые горы не только безлесными, но и бестравными. К этому может вести и недоучет накопленного многими поколениями опыта пользования горными пастбищами. Раньше на них практиковали, а на многих практикуют и сейчас далекие сезонные перекочевки скота. Зиму стада проводили на равнинах, а летом отгонялись в горы. Да и при выпасе в горах они не оставались на одном месте, а перемещались. Теперь же многие стада весь год или большую его часть проводят вокруг одной кошары, загона или фермы. При таком очаговом использовании нагрузка на пастбища нередко превышает допустимую. Наступает дигрессия растительного покрова, поверхность разбивается густой сетью мелких троп и эрозионных рытвин. Многократная пастьба на одних и тех же землях вызывает учащение повторных заболеваний скота и его поголовье может сократиться. Это маловероятно при отгонной системе выпаса. На некоторых лесных склонах Западного Тянь-Шаня выпас скота привел к уплотнению поверхностного слоя почвы, снижению его водопроницаемости и усилению смыва. На выбитых пастбищах нередко почва удаляется денудацией полностью, и на поверхность выходят развалы щебня и глыб, развиваются осыпи, оползни, обнажаются скалы. Особенно характерны такие процессы для горно-степных пастбищ семиаридного климата. На Северном Кавказе слабее или совсем не развита ускоренная эрозия на пастбищах, приуроченных к водораздельным поверхностям. Уклоны здесь незначительны, а почвы обладают хорошей оструктуренностью. Размыв становится возможным только возле 132

водопоев, кошар, мест доек и скотопрогонов. Многие горностепные пастбищные земли подвергаются также ускоренной дефляции. 6.10. Управление пастбищными землями. Защита пастбищных экосистем от деградации, оптимизация пастбищных угодий - эти задачи сейчас весьма актуальны. Поэтому в развитых странах широкое распространение получило создание и использование культурных пастбищ, при котором осуществляется поверхностное или коренное их улучшение. Первое включает осушение переувлажненных участков, расчистку от кустарников и мелколесья, корчевание пней, выравнивание поверхности, противоэрозионные работы, внесение удобрений и микроэлементов, борьбу с сорняками, уход за дерниной, подсев трав. Во многих странах Европы, обладающих небольшой земельной площадью, повышение продуктивности пастбищ и сенокосов достигается внесением большого количества удобрений в почву. Так, в среднегорье Центральной Европы, на сенокосных лугах в почву вносится до 120 кг/га азота и 60 кг/га фосфора, на пастбищах количество применяемых азотных удобрений обычно вдвое меньше. Кроме того, широко используются органические удобрения в количестве 17-35 т/га. В некоторых равнинных центральноевропейских странах для почв сенокосных лугов нормы внесения удобрений, особенно азотных, сильно возросли. Например, в отдельных хозяйствах Нидерландов их вносится до 500-600 кг/га. Кормовая емкость культурных пастбищ Центральной Европы может достигать 3-5 голов скота на 1 га. Такие пастбища в 300 раз продуктивнее, чем пустынные территории под выпасом. Под коренным улучшением понимается создание засеянных сенокосов и пастбищ. Природный травостой перепахивается, в обрабатываемую почву высеиваются травосмеси и многолетние травы. Широкое внедрение получило обновление культурных пастбищ с помощью специальных гербицидов и культиваторов без вспашки. В ряде стран разработаны нормы выпаса животных. Например, в США в сильно засушливых условиях допускается пастьба из расчета 0,21-0,25 головы крупного рогатого скота на 1 га, в слабо засушливых - 0,7-0,8 головы на 1 га и в нормально увлажненных до 1,2-1,3 головы на гектар. В засушливых условиях иногда применяется система последовательной эксплуатации нескольких участков одного крупного ранчо. При этом на каждом из них выпас осуществляется со значительной перегрузкой в течение 15-45 дней, после чего участку "дается отдых” на 4-6 месяцев, по прошествии которого он опять становится пригодным для использования. Таким образом, последствия большой, но кратковременной пастбищной нагрузки могут полностью ликвидироваться, когда для восстанавливающих пастбище природных биогенных и биогеохимических процессов выделяется достаточное время. Эффективными в этих условиях оказываются подсев и посев трав. В России повышение потенциала пастбищ достигается регулированием выпаса или полным исключением пастьбы на восстанавливающихся участках. Мероприятия включают также орошение, осушение, внесение удобрений, посев ценных в кормовом отношении трав, сведение кустарников, планировку рельефа, сочетание пастбищеоборотов с сенокошением, формирование стад определенной численности и структуры. Для пастбищ, находящихся в экстремальных условиях, с низкой продуктивностью кормовых культур необходим экстенсивный характер освоения с равномерным распределением выпаса по территории, строгое чередование изъятия прироста и "отдыха” участков, переложный тип использования угодий. Сильно выбитые пастбища нуждаются в рекультивации, что требует глубокого изучения фаз развития растительного покрова. Немаловажно расширение числа видов выпасаемых пород скота. Так, на ставших 133

непригодными для оленей пастбищ можно было бы выпасать лошадей, овцебыков, а возможно и неприхотливых яков и лам. 6.11. Выводы. Истощение почвы на пашне и пастбищах таит в себе огромную опасность. Нельзя не согласиться с Л.Брауном в том, что почва рассматривается ныне как невозобновляемый ресурс, и ее верхний плодородный слой мощностью в 15 см утрачивается примерно на 7% каждые 10 лет. В действительности это означает, что на больших площадях почвенный покров стремительно уничтожается во многих странах. Несмотря на меры по охране почв, эти потери будут расти, ибо более эродированная почва быстрее разрушается. Главным образом поэтому увеличиваются масштабы перемещения обломочного материала в гидрографической сети, прогрессирует заиление водохранилищ, заполнение наносами (агградация) днищ долин и рост дельт. Пыльные бури наносят трудно поправимый ущерб сельскохозяйственным землям, но при этом транспортируют питательные вещества для океанских экосистем и даже амазонской сельвы. Вкладывая в сельскохозяйственное производство менее 1/10 осваиваемой энергии, человечество на огромных площадях снизило природный потенциал биосферы, местами вызвало его полную утрату или, напротив, его повышение. Общий отрицательный баланс запасов биомассы и гумуса на сельскохозяйственных землях вряд ли можно радикально изменить в лучшую сторону. Это необратимые издержки антропогенизации биосферы. Однако управление сельскими землями в ХХI в. должно улучшиться, иначе следующим поколениям во многих странах достанутся разоренные поля и пастбища. Сельские земли, так привлекательные для горожан в качестве мест отдыха и размещения дачных и садовых участков, все больше покидаются селянами, переезжающими в города. Все же за период с 1980 по 1994 гг. в мире сельских жителей стало больше примерно на 250 млн. и их число достигло почти 2,5 млрд. человек, хотя доля в общей структуре мирового населения снизилась с 49,3% до 43,3%. Мировой рост численности крестьян осуществляется за счет развивающихся стран, где отток сельских жителей в города все еще меньше их прироста. Тем не менее, все меньшее число селян кормят, кроме себя, быстро растущее население городов. За вышеупомянутый срок в США процент сельского населения снизился с 3,9% до 2,2% (в абсолютном выражении с 8,8 до 5,8 млн. человек). В Германии - с 6,2% до З,5% (в абсолютном выражении с 4,8 до 2,8 млн. человек). Такого рода статистика типична для развитых стран. Получается, что в странах, население которых не входит в золотой миллиард, людская нагрузка на сельскохозяйственные земли увеличивается, а в развитых странах наоборот уменьшается, хотя в них в основном падает и площадь угодий. Если взять за эталон Зарубежную Европу, то в ней с 1978 по 1993 гг. площадь пашни и плантаций снизилась на 5,8 млн. га, т.е. на 4,1%, а размеры пастбищ - на 6,7 млн. га, т.е. на 7,7%. Взамен в европейских странах прирастают лесные земли (на 2,1% за указанный период) и особенно земли специального использования, в особенности под поселениями и коммуникациями. О последнем можно судить на основании того, что площадь прочих земель в Зарубежной Европе возросла на 9,2 млн. га (на 10,3%). В США за 15 лет (1978-1993 гг.) общая площадь сельскохозяйственных земель также немного убавилась (правда, облесенность страны сократилась при этом гораздо больше), в Японии и Австралии изменения в структуре земельного фонда были сходны с европейским сценарием, а в Канаде суммарные размеры пашни и пастбищ немного выросли. 134

Такие преобразования и то, что развитые страны производят больше продовольствия, чем потребляют, - свидетельство хороших возможностей у них для долговременного устойчивого управления агропроизводством и землями, на которых оно осуществляется. К сожалению, в развивающихся странах экологические же проблемы, связанные с управлением пашней и пастбищами, становятся все острее. Главная трудность заключается в том, что экономическая отсталость и низкий жизненный уровень населения развивающихся стран служат тяжело преодолимым барьером для повышения энерговклада в их сельское хозяйство. Сейчас ясно, что без финансовой и технологической помощи развитых стран борьба с эрозией и дефляцией почв и их вторичным засолением в государствах "третьего мира" эффективной быть не может. Но деградация почв идет всюду и приостановить их истощение необходимо и в развитых странах. Здесь многое будет зависеть от того, насколько землевладельцы или кооперативы, распоряжающиеся землей, прислушаются к рекомендациям экологов, и насколько правительства различных стран смогут понять опасность, которая таится в деструктивных природно-антропогенных и антропогенных процессах, идущих на пашне и пастбищах. 7. Горные разработки

7.1. История и общие сведения. Горное производство - необходимая часть материального базиса цивилизации. Сосредоточиваясь на небольших площадях, оно, тем не менее, серьезно ухудшает состояние природных систем. В результате разведочных и эксплуатационных работ, а также переработки минерального сырья происходит крупномасштабное механическое разрушение и коренное преобразование ландшафта и геологической среды. Но этим негативное воздействие на биосферу не ограничивется. Весьма неприятно и то, что вещество литосферных геохимических аномалий выводится в сферу экзодинамики и включается в грунтовые, водные и воздушные потоки, а также биотический круговорот. Из захороненного состояния в геологических телах, которые формировались обычно в течение миллионов лет и более, это вещество под воздействием техногенеза вовлекается в природно-антропогенную миграцию и с несвойственной дикой природе большой скоростью распространяется на огромные площади. Извлечение полезных ископаемых из литосферы обеспечивает функционирование всех вышестоящих этажей мирового производства. Так было даже тогда, когда человек лишь начинал делать первые шаги в качестве хозяина и преобразователя природы. Уже австралопитек в плиоцене и затем человек умелый в раннечетвертичное время собирал каменное сырье и использовал его без всякой обработки или, расколов необходимым образом. В позднеледниковое время и начале голоцена, т.е. в мезолитическую эпоху, люди использовали роговые и каменные орудия для добычи каменного материала из первых примитивных горных выработок. Тогда и появились первые открытые горные разработки. В конце мезолита (5-6 тыс. лет до н.э.) широкое распространение получили добыча медной руды, выплавление и использование меди. Тогда же люди начали извлекать золото, руды олова, мышьяка, свинца (Гейман, 1986). О масштабах воздействия человека на земную кору в конце мезолита - неолите можно судить по тому, что древний медный карьер в урочище Кенгазан в Центральном Казахстане имел длину до 500 м при ширине в 100 м и глубине до 18 м. Первые крупные карьеры появились в связи со строительством египетских пирамид. Время от 2,5 до 1,5 135

тыс. лет до н.э. получило название бронзового века, вслед за которым наступил железный век. Широкая добыча железной руды и массовое производство изделий из железа приходится на последнее тысячелетие до н.э. В течение первых 1,5 тыс. лет нашей эры горное дело оставалось примитивным и лишь в ХVI-ХVIII веках оно совершенствуется благодаря внедрению горных машин. Переворот в горнодобывающей промышленности произошел во второй половине ХIХ века благодаря созданию высокопроизводительной техники - многоковшового экскаватора, драги, дисковой врубовой машины и др. Широко внедряются взрывные работы. Подлинная революция в сфере горного производства произошла во второй половине ХХ века в связи с внедрением автоматизации процессов горного производства и массовым применением компьютерной техники. Основными средствами подземной разработки твердых полезных ископаемых становятся горные комбайны и самоходное оборудование. При открытых разработках ведущую роль начинает играть оборудование для разрушения горных пород взрывами, высокопроизводительные драглайны и другая мощная техника для перемещения и удаления из карьеров горных масс. Резко расширяется скважинный способ добычи полезных ископаемых. Помимо извлечения газа и жидкой нефти, он стал применяться для добычи серы (подземная выплавка), калийных и каменных солей (подземное растворение), руд цветных металлов и урана (выщелачивание подземное, бактериальное выщелачивание), продуктов газификации углей. Появилось новое поколение буровых коронок, армированных кубооктаэдрическими синтетическими алмазами с высокими механическими свойствами. Использование таких коронок позволяет бурить со скоростью не менее 50 м в сутки. При этом одной коронки хватает на 300-400 м. Еще более эффективны коронки из сочетания карбида вольфрама и синтетических алмазов. Производительность одной коронки достигает 4 км при скорости бурения около 700 м в сутки. Существуют огромные буровые устройства, предназначенные для проходки шахт бурения ствола до 10 м в диаметре со скоростью от 2 до 5 м/мин. Сделанная в ФРГ такая установка разбуривает ствол диаметром в 8 м до глубины 1 км. Разрабатываются методы введения через скважины в водоносные пласты охладителей, вызывающих их промораживание и тем самым защищающих горные выработки от затопления без применения традиционного водопонижения, которое становится причиной серьезной деградации природных систем в пределах обширных территорий. Популярна пока еще не внедренная концепция безлюдной шахты. В ее основе лежит идея использования роботов для вырубки угля, его транспортировки, а также для осуществления крепежных работ. Возможно, что роботы тоже не понадобятся, если все управление подземными операциями станут вести операторы, находящиеся на поверхности. Угольные шахты должны стать первыми безлюдными и, следовательно, безопасными объектами подземной добычи сырья. Такие предприятия не нужно будет вентилировать и охлаждать, что резко снизит затраты на проведение работ. Ныне темпы роста объемов продукции горнодобывающей промышленности примерно вдвое выше скорости прироста населения Земли. Ежегодно в мире добывается 12-14 млрд.т полезных ископаемых и 15-18 млрд.м3 пустых пород. Топливная составляющая добычи приблизительно достигает 50%. Полнота извлечения из недр полезных ископаемых такова: уголь - 60-70%, нефть и природный газ - 40-45%, руды цветных и черных металлов - 70-75%. Разубоживание руд и углей достигает 25-30%, что требует после их обогащения значительных площадей для размещения хвостохранилищ. 136

За 100 лет с 1876 по 1975 г. извлечено 25 млрд.т железной руды, 137 млрд.т угля, 47 млрд.т нефти, 20 трлн.м3 природного газа, миллиарды тонн минеральных удобрений, стройматериалов, десятки миллионов тонн руд меди, свинца, цинка и алюминия. Мировое производство рудного минерального сырья горной промышленностью в основном сосредоточено не более чем в 30 странах. Основная добыча полезных ископаемых осуществляется в США, России, ЮАР, Китае, Индии, Канаде, Австралии и ФРГ. 7.2. Перспективы. В развитии минеральносырьевой базы промышленно развитых стран В.Н.Мосинец, М.В.Грязнов выявили следующие тенденции: 1) открытие ряда крупных месторождений, но с более бедными рудами; 2) резкий рост запасов в крупных уникальных месторождениях, создающих возможности для высокой концентрации горного производства; 3) усложнение горнотехнических, горногеологических и гидрогеологических условий разработки большинства месторождений, особенно предназначенных для подземных горных. работ; 4) вовлечение в разработку все более многокомпонентных руд, требующих селективного извлечения как на стадиях добычи, транспортировки и обогащения, так и на стадиях последующей переработки; 5) появление глубоко залегающих месторождений полезных ископаемых в нетрадиционных вмещающих породах и открытие уникальных по масштабам гидрогенных месторождений руд цветных, редких и радиоактивных металлов; 6) открытие месторождений в удаленных районах. В этих условиях встает ряд задач, в частности: 1) разработка принципиально новых способов получения полезных ископаемых - подземного выщелачивания, кучного выщелачивания, подземной выплавки, скважинной гидродобычи и др., 2) постоянная рекультивация земель и 3) использование пустых пород для получения стройматериалов и др. Несмотря на совершенствование технологии горной промышленности и бурные темпы ее развития, а во многом именно из-за чрезмерно высоких темпов прироста потребления минерального сырья, перед человечеством встает проблема дефицита ряда важных видов полезных ископаемых, таких в первую очередь, как Ва, Вr, Вi, Ge, In, Аg, F, асбест, гипс, графит, диатомит, слюда, природный газ, нефть, гелий. Как противостоять приближающемуся истощению минеральных ресурсов? Согласно А.В.Сидоренко и А.А.Арбатову, во-первых, будет происходить увеличение глубин разведки и добычи полезных ископаемых. Обычные глубины добычи твердых полезных ископаемых сейчас составляют 500-600, реже 1000-1500м. Только отдельные шахты и единичные рудники достигли больших глубин (свыше 3000 м). Нефть в большинстве нефтеносных районов добывается с глубин 2000-4000м, в некоторых районах с глубин 4500-5000 м и только на отдельных промыслах с глубины более 5000 и даже 6000 м. Во-вторых, станет возможной разработка относительно бедных руд и руд сложного состава благодаря совершенствованию методов извлечения полезных компонентов. В-третьих, определенные и достаточно большие резервы заключены в комплексном использовании месторождений полезных ископаемых, что до сих пор делалось в малых масштабах. В-четвертых, резко возрастет разведка и добыча полезных ископаемых на шельфе, склонах и глубоководном дне Мирового океана. Запасы железомарганцевых конкреций, месторождения которых выявлены в абиссали Индийского, Атлантического и Тихого океанов оцениваются в 2-3 трлн.т. Наряду с железом и марганцем, конкреции со137

держат медь, никель, кобальт, иногда титан, свинец, молибден и другие ценные элементы. В-пятых, сама морская вода уже сейчас и в гораздо большей степени в будущем станет поставщиком многих важных для человека элементов и соединений. Около 1/3 мирового потребления поваренной соли, 1/5 потребления магния, значительное количество брома уже получают из морской воды. В будущем промышленному извлечению подвергнутся рубидий, литий, индий и другие ценные микроэлементы. Минеральные рассолы и минерализованные воды лагун, озер, некоторых морей, рифтовых зон являются поставщиками брома, йода, поваренной соли, мирабилита, вскоре станут источниками лития, рубидия, цезия, бора, стронция и ряда других элементов вплоть до золота и урана. В-шестых, все большее значение получает синтез минерального сырья - новая отрасль науки и производства. В крупных масштабах сейчас получают искусственные синтетические алмазы. Успешно синтезируется пьезокварц и рубин. Ведутся исследования и зксперименты по получению синтетической слюды, синтетических кристаллов оптического кварца, исландского шпата, берилла и др. В-седьмых, замена минерального сырья все шире осуществляется за счет внедрения синтетических органических конструкционных материалов. Уже найдены способы получения пластических масс, изделия из которых равноценны по прочности стали. Синтезируются пластмассы, не уступающие по химической стойкости платине. В-восьмых, следует указать, что многие отработанные месторождения с усовершенствованием технологии добычи могут дать дополнительные количества минерального сырья. Таким образом, хотя разведанные запасы руд некоторых цветных металлов относительно невелики, человечество, используя некоторые альтернативные приемы, сумеет обеспечить себя необходимым минеральным сырьем по крайней мере в течение ближайших 50-70 лет. 7.3. Потеря земель. При извлечении твердых полезных ископаемых осуществляется целый комплекс подготовительных, текущих и последующих сопряженных горнотехнических мероприятий. Такие мероприятия приводят к изменению геологогеоморфологических, гидрологических, гидрогеологических и метеорологических условий в районе добычи и на смежных землях. Выемка и аккумуляция горных масс представляет собой изменение геолого-геоморфологичвских условий, защита горнодобывающих предприятий от затопления - изменение гидрологических и гидрогеологических условий, многие виды работ, при которых запыляется воздух, - изменение метеорологических условий. Все эти мероприятия порождают в свою очередь целый комплекс процессов-следствий, которые также затрагивают атмосферную, гидросферную и литосферную составляющие района добычи полезных ископаемых. Извлечение полезного компонента из руды, когда он имеет высокую стоимость, осуществляется при ничтожных его содержаниях. Вот какие количества руды и горной массы в среднем приходятся на каждую тонну выплавленного металла: на 1 т железа 1,9 т, алюминия - 5,84, цинка - 60, свинца - 70, меди - 95, никеля - 200, ртути - 400, серебра - 1300, олова - 2218, вольфрама - 25700, золота - 23200000 и платины - 56125000. Эти цифры прямо связаны с землеемкостью продукции горных предприятий. Она определяется потерями земель на единицу конечного продукта. По В.И.Костовецкому, добыча 1 млн. т железной руды приводит к нарушению от 14 до 640 га земель, марганцевой руды - от 76 до 600 га, угля - от 2,6 до 43 га, руд для производства минеральных удобрений - от 22 до 97,1 га, нерудных строительных материалов - от 1,5 до 583 га. 138

В России действует около тысячи шахт и подземных рудников, а также порядка 5000 карьеров, разрезов и приисков по добыче полезных ископаемых. Общая площадь нарушенных земель в стране составляет около 1,5 млн.га. Еще больше площадь земель, занятых хвостохранилищами, складами, промплощадками, подъездными путями к горным предприятиям и др. Территория отведенная для горнодобывающих работ - это горный отвод. Здесь и на смежных участках проводится особая группа мероприятий с целью уменьшения негативного эффекта всех явлений, возникающих при добыче. Во время действия и после завершения работы предприятия осуществляется рекультивация нарушенных земель. 7.4. Добыча из карьеров. Карьер представляет собой систему уступов. Сверху уступы формируются как правило во вскрышных породах. Ниже их образование происходит по мере добычи полезного ископаемого. При эксплуатации происходит перемещение рабочих уступов и увеличение выработанного пространства. Вскрышными работами покрывающие породы перемещаются в отвалы, иногда размещаемые в выработанном пространстве. Добычные работы обеспечивают выемку и перемещение полезного ископаемого на промышленную площадку для первичной переработки или для отгрузки потребителю. В некоторых странах, например в ФРГ, нередко практикуется доставка бурого, а иногда и каменного угля с помощью ленточного транспортера от добывающего агрегата непосредственно до сжигающих устройств ТЭС или заводов. Карьерный способ извлечения полезных ископаемых в связи с возможностями его прогрессивного удешевления все больше вытесняет конкурирующие подземные горные работы. Себестоимость добычи тонны сырой руды открытым способом в 3,5-4 раза ниже, а производительность труда примерно в 3-3,5 раза выше по сравнению с подземным способом ее извлечения. При открытом способе разработки достигается более полная выемка полезных ископаемых. Возможность создания глубоких карьеров связана с применением высокорентабельной техники. В начале 1980-х гг. в мире открытым способом извлекалось 95% валовой добычи строительных горных пород, около 70% руд, 90% бурых и 20% каменных углей. В США доля открытых горных работ в добыче полезных ископаемых скоро достигнет 90%. Из карьеров поступает 85% общего количества добываемых руд и примерно половина угля. В России разработка месторождений полезных ископаемых карьерным способом быстро увеличивается. В России самый глубокий карьер - Качарский (железорудный) - 720 м, в США - Бингем-Каньон (меднорудный) - 740 м. При больших вскрышных работах используют драглайны. Агрегат перемещает огромные объемы пустой породы, захватывая ее, перераспределяя и отсыпая с помощью ковша вместимостью до 168 м3. Такие драглайны работают в карьерах США.

139

При карьерной добыче перемещение горных масс техническими средствами производится: 1) при удалении вскрышных пород с образованием отвалов, 2) при устройстве канав для отвода поверхностных вод с накоплением отвалов, 3) при извлечении полезного ископаемого, 4) при формировании отвалов из хвостов, когда имеет место обогащение руды. Перечисленные мероприятия приводят к наиболее значительному изменению рельефа. Амплитуда высот между днищами наиболее глубоких выработок и самых высоких отвалов сейчас превысила 1100 м. Особенности выработанных форм рельефа при карьерной добыче определяются условиями залегания залежи (рис. 14). В то же время форма аккумулятивных тел в известной мере зависит от технологии отсыпки пустой породы. 7.5. Дражные разработки. Это Рис.14 специфическая форма открытой Рельеф, образующийся при открытой разработке месторождений различного добычи полезных ископаемых. Ростипа сия обладает самым большим в ми(по Л.В.Моториной, В.А.Овчинникову). ре флотом драг. Самые крупные Месторождения: модели драг рассчитаны на глубину поверхностные - а)пологие площадные, черпания до 50 м и весят немногим б)пологие вытянутые; более 20 тыс.т каждая. Производивысотные - в)крутопадающие наклонные; тельность мощных драг составляет 8 млн.м3 горной массы в год. В комплекс горноподготовительных работ при дражных разработках входят очистка поверхности от растительности, предварительная вскрыша непродуктивных отложений, разваловка отвалов и высокого надводного борта, оттайка мерзлых и сохранение талых пород от зимнего промерзания, мероприятия по обеспечению водоснабжения драги и распределению потоков на подготавливаемых и отрабатываемых площадях. Переработка горной массы драгами включает подводное черпание, дезинтеграцию, грохочение, гравитационное осаждение полезного ископаемого в водном потоке и раздельное складирование пород различных классов крупности. В процессе добычи россыпного полезного ископаемого драгой создаются следующие формы рельефа: вскрышные отвалы пустой породы, карьеры добычи грунта, плотины, дамбы и собственно дражные элементы рельефа. Последние представляют собой чередование линейно вытянутых валов (гребней) и впадин (пазух). Валы слагаются промытыми грубообломочными фракциями, тогда как впадины заполнены мелкоземом. Однако наиболее тонкий материал либо выносится вниз от места разработок речными водами, либо осаждается в специально создаваемых для очистки воды илоотстойниках. Добыча россыпных полезных ископаемых другими методами по геологическим результатам во многом похожа на дражную. 7.6. Подземная добыча. Удельный вес добычи полезных ископаемых из подземных выработок в среднем по миру составляет около одной трети. Добыча осуществляется с применением разнообразных высокорентабельных агрегатов. Широко внедряется ка140

мерностолбовая система добычи руды цветных металлов вместо менее производительной системы ее слоевого обрушения. На богатых по содержанию металлов месторождениях и участках все шире практикуется разработка с закладкой выработанного пространства твердеющими смесями, что обеспечивает наибольшую полноту выемки запасов и минимальное разубоживание руды. Так, например, разрабатывают богатые месторождения медно-никелевых руд в районе Норильска. Наряду с традиционной проходкой шахт, начал применяться оригинальный метод спиральных выработок. В Швеции на одном из крупнейших в мире подземном руднике Кируна применен метод вскрытия железорудного месторождения спиральными транспортными выработками со съездами до основного рабочего горизонта 540 м. Такой же прием осуществлен в Норвегии в районе г. Драмена. Здесь добыча строительного материала осуществлялась не карьерным, а подземным способом по спирали внутри платообразного массива. За 8 лет из винтообразной шахты-туннеля было добыто 200 тыс.м3 строительного материала. В результате шесть витков туннеля высотой 4-6 и шириной 9 м вышли на поверхность плато. Так была построена спиральная автодорога на его живописную вершину. Кроме того, в горе были созданы подсобные камеры, оборудованные под склады и гаражи, и шахта с лифтом, примыкающая к виткам автодороги. Во время строительства по ней спускался добытый стройматериал. Крепить туннель не потребовалось. Расширение габаритов подземных горнодобывающих предприятий идет одновременно с их все большим углублением. На золотых рудниках ЮАР горнопроходческие работы опустились до глубин 3000-3900 м от поверхности. Температура горных пород здесь достигает 47-54ОС. Золоторудная жила месторождения Кола в Индии отработана до глубины 3231 м. Для работы людей на таких глубинах, а также обеспечения безопасности работ созданы сложные системы охлаждения и вентиляции. При подземной добыче твердых полезных ископаемых перемещение горных масс человеком определяется: 1) размерами подземных выработок; 2) количеством пустой породы и полезного ископаемого, поступающего на поверхность; 3) объемом выработанной пустой породы, оставляемой в подземном пространстве. По форме и размерам подземные горные выработки существенно различаются. Имеются, как уже указывалось, спиралеобразные, стволовокамерные и обычные выработки, состоящие из шахтных стволов и отходящих от них штолен и др. По Л.В.Моториной и В.А.Овчинникову, поверхностные шахтные отвалы подразделяются на четыре группы: 1) платообразные одноярусные, создаваемые с применением автомобильного или железнодорожного транспорта; 2) платообразные террасированные многоярусные, формируемые с применением того же транспорта; 3) гребневидные, насыпаемые с применением подвесной канатной дороги; 4) конические (терриконы), образуемые с помощью скипов или опрокидных вагонеток. В связи с тем, что вред от породных отвалов, в особенности угольных шахт, становится все больше, закладка пустой породы в подземные выработки увеличивается. Например, в ФРГ и Польше пустая порода из большинства угольных шахт на поверхность не выдается, а закладывается в выработанное пространство. Кроме того, предпринимаются меры по ликвидации терриконов. Для этого в ФРГ, Франции, Польше и Чехии слагающий их материал спускается с поверхности в подземные выработки. Это хороший прием высвобождения земель, дающий более дорогому подземному способу добычи полезных ископаемых право на жизнь! 7.7. Загрязнение воздуха. Ведение горных работ как в карьерах, так и в шахтах вызывает загрязнение воздуха газами и твердыми частицами. Весьма активно происходит 141

разнос вещества по воздуху и его аккумуляция вблизи источников выноса. Большое количество пыли попадает в атмосферу от обогатительных фабриках. Значительными ее источниками являются также вентиляционные потоки воздуха из шахт, буровзрывные работы в карьерах, погрузочно-разгрузочные работы и движение тяжелых автомашин по грунтовым дорогам, некоторые виды переработки руды. Насыщение воздуха пылью происходит за счет развевания открытых отвалов и других оголенных мест. Серьезные проблемы создает поступление сильно запыленного воздуха из карьеров в результате взрывов, земляных и погрузочно-разгрузочных работ. Один 27-тонный автосамосвал загрязняет за смену до предельно допустимого уровня 3,7 млн.м3 воздуха. При мощных взрывах (до 500-700 т ВВ) масса взрываемых пород обычно составляет 2 млн.т, а объем пылегазового облака - 15-20 млн.м3. Подсчитано, что в условиях Кривого Рога из такого облака в течение 4 часов в радиусе 4 км распространяется на прилегающие земельные угодья от 200 до 500 т пыли с размером частиц 1,5 мкм и менее. Существенно также, что выделяющиеся при взрывах вредные газы требуют для разбавления до безопасных концентраций на каждые 500 кг ВВ 1,7-2,0 км3 свежего воздуха. По Е.А.Ельчанову и Г.П.Дмитриеву, в мире ежегодно отбивается с помощью взрывов около 10 млрд. м3 горной массы. Нетрудно подсчитать объем суммарного пылегазового облака. Он достигает 75-100 км3 ежегодно. При этом количество разносимой пыли может быть оценено в 1,0-2,5 млн.т. 7.8. Водопонижение как защита от затопления. Наибольшие трудности при горных разработках возникают из-за притока подземных вод. Известны лишь единичные случаи, когда карьерные выемки полностью ограждались водонепроницаемыми перемычками-завесами. Например, на месторождении серы Тарнобжек в Польше была создана кольцевая завеса из искусственного водонепроницаемого материала. Правда, есть идея вести некоторые разработки вообще под водой. Однако подавляющее большинство карьеров и все шахты защищаются от притока подземных вод путем их откачки. Самые значительные мероприятия такого рода проводятся в бассейне р.Рейн (район г.Кельна). Здесь при отработке пластов бурого угля открытым способом откачивается в среднем до 1 км3 подземных вод в год. Очень значительные работы по водопонижению проводятся при добыче рудных полезных ископаемых. Площадь, охваченная водопонижением в районе КМА, достигла 250 тыс.га. При наличии депрессионных воронок изменение уровня подземных вод наблюдается вокруг них в пределах всех подразделений рельефа - днищ долин, склонов и водораздельных пространств. Следовательно, охрана действующих карьеров и шахт от затопления с помощью откачек приводит к коренному нарушению круговорота воды в таких районах. 7.9. Нарушение состояния поверхностных вод. Водоотбор и связанное с ним понижение уровня подземных вод приводит к уменьшению подземного стока в реки и водоемы. При значительных водопонижениях в пределах депрессионных зон во всех поверхностных источниках истощаются запасы воды, снижается водность рек, падает уровень озер и водохранилищ, высыхают болота, исчезают родники, ручьи и мелкие реки. Сброс откачиваемых и сточных вод приводит к значительному увеличению водности ручьев и речек. Сток малых и средних рек в межень благодаря этому местами возрастает в 1,5-3 и более раз. В частности, в районе КМА, по данным В.И.Казьмина, за счет откаченных подземных вод, особенно из недренируемых водоносных горизонтов, резко увеличилась водность некоторых рек. Так, например, среднегодовой сток р. Оскольца увеличился на 21-108%, р. Черни на 20-30%. И это произошло несмотря на то, 142

что обе реки “подвешены" на значительных участках над депрессионными воронками уровня подземных вод и существенную долю своих вод (до 1/5) теряют в результате инфильтрации. Искусственное увеличение расходов воды в некоторых реках приводит к повышению на отдельных участках уровней подземных вод, затоплению и подтоплению земель. Сброс шахтных и карьерных вод приводит к сильному загрязнению подземных и поверхностных вод. Показательно, что в составе откачиваемых в стране вод примерно половина имеет минерализацию более 1 г/л, а одна четверть - содержание сульфатов свыше 3 г/л. Исследования 1980-х гг. в Донбассе показали, что с водами из шахт (55 млн. м3) в реки поступало более 200 тыс.т растворенных солей. Причем ионы сульфата составляли около 22 тыс.т, сильные. кислоты (в пересчете на Н2SO 4) - 5 тыс.т. При смешении шахтных и речных вод рН падает с 7,9 до 3,6, минерализация возрастает более чем в 2 раза, а содержание сульфатов - в 3 раза. Резко увеличивается и содержание взвешенных частиц. Поверхностные воды, загрязненные шахтными, причиняют большой экологический и материальный ущерб. В районе КМА в естественных водах рек Черни и Оскольца содержится 12-90 мг/л взвешенных частиц, а в шахтных водах от 13 до 1030 мг/л. В сбрасываемых водах в повышенных концентрациях содержатся нефтепродукты и тяжелые металлы. Очень сильно загрязняются реки взвешенными наносами ниже дражных полигонов. Мутность дражных стоков обычно равняется 15-20 г/л, что превышает бытовую мутность в сотни раз. В сбрасываемых водах присутствует такое количество механических взвесей, которое сопоставимо с массой наносов, поступающих во все реки России из природных источников. 7.10. Процессы в литосфере. Массированное наступление горнодобывающей промышленности на недра Земли вызывает проявление широкого спектра процессов на поверхности и внутри литосферы. Часть их возникает как прямой результат действия механизмов, взрывов, растворяющих веществ и микроорганизмов, с помощью которых осуществляется добыча. Поведение пород, слагающих уступы, борта и отвалы на карьерах зависит от географических, геологических, гидрогеологических, инженерногеологических и горнотехнических условий. В подземных выработках антропогенные процессы проявляются в виде обрушения кровли или стенок, осыпания и оползания материала последних, а также в форме деформаций вмещающих пород. Помимо всего, значительную роль играют ускоренные человеком поверхностные экзодинамические процессы. Выветривание и почвообразование. Породы, обнаженные при образовании выработок и сгруженные в отвалы, в поверхностном слое подвергаются интенсивному выветриванию. Ю.Д.Матвеев, проводивший натурные наблюдения за выветриванием неизмененных осадочных пород в свежих стенках карьеров, пришел к выводу, что этот процесс в умеренном поясе осуществляется с начальными скоростями порядка нескольких десятков сантиметров в год. Однако со временем, по мере оформления профиля коры выветривания скорость разрушения пород постепенно снижается. Поверхностное преобразование материала отвалов происходит по-разному, в зависимости от их состава и гидротермических условий месторождения. Отвалы, на поверхности которых развиты фитотоксичные породы, могут в течение десятилетий служить ареной физического и химического выветривания. Однако, оставаясь безжизненными и оголенными, они служат источником сноса вредных веществ. 143

Почвообразование на галечниках, слагающих отвалы от промывки россыпных полезных ископаемых и вследствие этого утративших основную массу мелкозема, идет очень медленно. Наблюдения А.В.Накарякова и С.С.Трофимова на Среднем Урале показывают, что основные особенности почвообразования на галечниковых отвалах определяются главным образом количеством и свойствами остатков мелкозема. При достижении 40-70-летнего возраста почвы на отвалах по контрастности, выраженности генетических горизонтов становятся близкими к зрелым почвам окружающих ландшафтов, но характеризуются карликовостью, сжатостью всего профиля. Мощность таких почв, формирующихся по буроземному типу почвообразования, обычно не превышает 10 см. В то же время при зарастании отвалов, сложенных рыхлыми дисперсными породами, на них быстро развивается почвенный профиль, лишь по некоторым признакам отличающийся от зонального. Поверхностный смыв и намыв. Плоскостному и ручейковому смыву подвергаются стенки выемок и склоны отвалов. Имеющиеся количественные оценки ускоренной эрозии на этих поверхностях рельефа свидетельствуют о ее большой интенсивности. По измерениям Л.В.Моториной на Кимовском и Ушаковском углеразрезах Тульской области модуль смыва с отвалов колеблется от 1384 до 7959 м3/га⋅год, а средний показатель за 10-15 лет составляет 2000-2500 м3/га⋅год. Происходящий при этом вынос ионов Н+, Fе+2, SO4--2 оказывает отрицательное воздействие на почву и урожайность на примыкающих к отвалам пахотных угодьях. Разнос продуктов смыва значителен. Величина затеков составляет на Ушаковском разрезе от 6,4 до 14,4, а на Кимовском - от 8,4 до 31,2% от всей площади отвалов. Детальное изучение размыва склонов отвалов проведено в Польше, в ВерхнеСилезском угольном бассейне. Отвалы сложены грубообломочными породами с преобладанием щебня и дресвы. На 10 репрезентативных участках выявлены два типа эрозионных форм - промоины, прорезающие склоны отвалов на всем протяжении, и рытвины, приуроченные к бровкам склонов. Рост промоин приводит к параллельному отступлению склонов со скоростью 1,73 см/год, а рытвины выполаживают прибровочные части склонов со скоростью 0,5-0,9 см/год. При затухании эрозии смыв происходит преимущественно в средней части склонов (0,4-0,7 см/год). Рекомендуется для предупреждения размыва придавать склонам отвалов выпуклую форму без выраженной бровки. На отвалах карьеров на западе Северной Дакоты (США) проведено экспериментальное изучение ускоренной эрозии. Отвалы образованы суглинистыми породами вскрыши. Производилось искусственное дождевание - в течение двух часов отвалы подвергали воздействию 64 мм осадков, а в случае исследования почвозащитной роли соломы в дозе 4,5 т/га - осуществлялось дополнительное получасовое дождевание той же интенсивности. Исследования велись на стоковых площадках размером 4х22 м с уклонами от 2°30′ до 10°. На вскрышных породах, покрытых гумусированным слоем, смыв доходил до 74 т/га, тогда как на породах без покрытия его значение было 18 т/га. Смыв с участка пастбища с ненарушенным растительным покровом при тех же условиях опыта составил всего 0,2 т/га. Таким образом, при образовании отвалов поверхностный смыв усиливался в 90-370 раз. Соломенная мульча снижала смыв на 84% - на участках с нанесенным гумусированным слоем и на 93% - на участках без этого слоя. На основании проведенного эксперимента установлены масштабы усиления смыва на площадях, занятых отвалами, и сделано заключение о необходимости противоэрозионной защиты их при рекультивации. 144

Ускоренная аккумуляция вещества в районах добычи полезных ископаемых связана как с процессами размыва, так и с высокой мутностью сбрасываемых технологических вод. Осадконакопление идет как в стоячих водоемах на дне брошенных карьеров, так и в русле и на пойме рек. Кроме того, продукты смыва с отвалов в виде шлейфа распространяются на прилегающие к ним земли. В затопленных карьерах скорость аккумуляции очень высока. Так, на открытых разработках в бассейне ручья Бивер-Крик, в штате Кентукки (США), мощность донных осадков в таких водоемах варьировала от десятков сантиметров до 1 м. Седиментация осуществлялась в течение 4-6 лет. На плесах рек Черни и Осколец (район КМА) толщина слоя ила ниже сбросов шахтных вод достигает 0,4-0,6 м. О масштабах ускоренной аккумуляции на дне долин можно судить по такому примеру. Между 1849 и 1914 гг. на западном склоне хребта Сьерра-Невада велась интенсивная гидравлическая разработка россыпей, и в р.Сакраменто и ее притоки было сброшено более 1,13 км3 наносов. Это вызвало ускоренную аккумуляцию на днищах долин, включая низовья р.Сакраменто. Пострадал и залив Сан-Франциско, площадь которого за 120 лет сократилась с 1233 до 1096 км2 , т.е. на 11%. Правда, в заполнении мелководий залива наносами виновата не только добыча золота в его бассейне, но и бесконтрольная распашка земель. Оба мероприятия были причиной поступления в залив обломочного материала объемом примерно в 1,7 км3 . Образование культурного слоя. Чаще всего оно происходит стихийно. Например, в штате Иллинойс (США) вокруг заброшенных шахт обычно развит почти сплошной культурный слой, состоящий из пустой породы и имеющий мощность от 1 до 3 м . Овражная эрозия. Она проявляется при сбросе шахтных и бытовых вод в районе горнодобывающих предприятий. Оврагообразование широко распространено и обычно имеет значительные скорости порядка 10-20 м в год и более. Оползни. Это наиболее опасная и широко распространенная форма разрушения откосов выемок и уступов отвалов. В практике горных работ известны оползни объемом в сотни тысяч и десятки миллионов кубических метров. Иногда оползни перед отвалами перекрывали площади, в десятки раз превышающие занятые самими отвалами. Оползанию нередко предшествуют другие явления, например, оплывание или пластическое течение подстилающих пород. Нередко оползание идет одновременно с оплыванием. В этом случав имеют место сложные оползни - оползни оплывания, пластического течения и др. По объему сползших масс различают оползни мелкие (сотни-тысячи м3), средние (десятки тысяч м3), крупные (сотни тысяч м3) и очень крупные (миллионы м3). Помимо оползней на участках выемки и отсыпки горных масс развивается ряд других процессов. Обрушения и обвалы. К ним принадлежат быстрые смещения и падения блоков и пачек пород, оторвавшихся от уступов или бортов карьера. Обрушения нередко начинаются с оскользней по подрезанным откосам карьера и поверхностям ослабления. Осыпи. Осыпание происходит в форме смещения и падения мелких обломков и зерен пород, отделившихся в результате выветривания. Осыпи, вызванные или усиленные действием вибрации, называется осовами. Оплывины. В условиях значительного обводнения в бортах карьеров, сложенных фильтрационно неустойчивыми породами, наблюдается их оплывание. Оно особенно интенсивно в период вскрытия и в начале разработки месторождения, когда дренирующее действие карьера и водопонизительных устройств еще не проявилось в полной 145

мере. Оплывание - одно из наиболее распространенных и важных видов фильтрационного разрушения откосов из несцементированных и обводненных пород. Просадки. Это явление выражается в виде вертикального опускания прибортовых участков высокопористых рыхлых горных масс без образования сплошной поверхности скольжения. Уплотнение пород. Консолидация пород бортовых массивов происходит за счет снятия эффекта гидростатического взвешивания и устранения действия фильтрационного давления при осушении обводненных месторождений полезных ископаемых. Уплотнение пород отвалов под действием их собственного веса сопровождается уменьшением их пористости и влажности. Сдвижение пород в массиве. Деформации пород, залегающих над выработками, носят различный характер - от плавных без нарушения сплошности пород до их полной дезинтеграции. При глубине залегания разрабатываемых пластов меньше 30-40кратной величины их мощности просадка налегающих пород осуществляется весьма интенсивно. Возникающие провалы могут быть подразделены, по В.А.Овчинникову, на пять типов: 1) мульдообразные - при разработке пластовых залежей средней (от 1,5 до 3 м) и большой (более 3 м) мощности, горизонтального и волнистого залегания или пологого падения (до 27°). Мульда сдвижения горных пород находится в зоне прогиба; 2) мульдообразные террасированные - при разработке эалежей пологого или наклонного (от 27О до 45°) падения. Мульда сдвижения горных пород находится в зонах прогибов или обрушения; 3) каньонообразные - при разработке пластовых залежей средней и большой мощности, крутого падения (более 45°), с обрушением вмещающих пород. Мульда сдвижения находится в зоне обрушения. 4) каньонообразные с останцами - при разработке сближенных пластов с крепкими вмещающими метаморфическими породами, стойкими к выветриванию; 5) кольцевые - при разработке крутопадающих штокообразных залежей. Мульда сдвижения находится в зоне обрушения. Оседание поверхности с образованием мульд и разрывов. Это происходит при избыточном расходовании подземных вод на орошение. Аналогичная картина имеет место при водопонижении в районах разработки месторождений твердых полезных ископаемых, а также на площадях, где внутрипластовое давление снижается из-за добычи нефти и газа. Мульды оседания часто заболачиваются или даже заполняются водой. Оседание на 2-3 м вызывает снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 10%, на 5-6 м - на 50%. При просадках более чем на 8 м земельные угодья разрушаются полностью. Образование провалов. Активизация процессов выщелачивания и снятие сил гидростатического взвешивания в зонах депрессионных воронок иногда приводит к формированию провалов. Так, в Казахстане, в предгорьях Каратау, на окраине г. Кентау в 1978 г. произошел карстовый провал в девонских известняках. Он сопровождался сотрясением земли, гулом и образованием грибовидного столба пыли. Площадь устья провала составила 1200 м2 и видимая глубина достигла 50-55 м. Для засыпки провала потребовалось около 30 тыс. м3 пустой породы. Описанное явление было вызвано нарушением естественного режима гидрогеологических и инженерно-геологических условий вследствие многолетней откачки воды из действующего рудника полиметаллического комбината и понижения уровня подземных вод на глубину 200 м. Вокруг месторождения с охватом всей территории города образовалась огромная депрессионная воронка площадью 1000 км2. 146

По-видимому, аналогичные явления неоднократно имели месте в районе Иоханнесбурга (ЮАР), где ведется подземная добыча рудного золота. Здесь в результате понижения уровня подземных вод в мощной (до 1000 м) доломитово-известняковой свите Трансвааль неоднократно возникали провальные воронки диаметром свыше 50 м и глубиной более 30 м и ряд более мелких. В декабре 1962 г. внезапно возник крупный провал под заводом, располагавшимся вблизи ствола одной из шахт. Завод полностью был поглощен провалом, при этом погибло 29 человек. В августе 1964 г. при сходных обстоятельствах провал поглотил дом вместе с пятью жильцами. Горные удары и стреляние обломками пород. Этот вид экзодинамических процессов как и ряд других рассматриваемых ниже осуществляются за счет реализации природных источников энергии, тогда как деятельность человека служит лишь своего рода спусковым крючком для них. Горные удары и стреляние обломками происходят в результате мгновенной разгрузки упругих деформаций высокопрочных скальных пород в местах максимальной концентрации напряжений и их перераспределении в связи с проходкой выработок обычно на глубинах свыше 200 м. Внезапные выбросы пород, воды, газов. Наиболее часто это имеет место в местах пересечения выработками тектонических нарушений на глубинах свыше 100 м. Прорывы вод и плывунов. Эти процессы возникают внезапно при вскрытии напорных водоносных горизонтов или плывунных пород, при малой мощности водоупоров, при наличии разломов, трещин, пустот и больших гидравлических градиентов. В местах прорывов затапливаются выработки, могут исчезнуть поверхностные водоемы и образоваться провалы. Суффозионно-карстовое разрушение. Такого рода подземная денудация приводит к разуплотнению и декольматации горных пород, а также их удалению в другие участки подземного пространства. В результате могут происходить провалы. Особенно интенсивно суффозионно-карстовая денудация развивается в зонах водопонижения, где скорость движения подземных вод увеличивается. Подземные пожары. Эти стихийные бедствия - результат самовозгорания или загорания пластов каменного угля, горючих сланцев или торфяников при производстве горных работ. Подземные пожары приводят к выгоранию значительных объемов горючих горных пород и сопровождаются обрушением и сдвижением геологических тел. Самовозгорание терриконов. О масштабах развития пожаров, связанных с породными отвалами угольных шахт можно судить на примере Донбасса. Здесь большинство отвалов являются горящими. Это ведет к значительному загрязнению воздуха. В Львовско-Волынском угольном бассейне с 1 м2 горящих отвалов в сутки выделялись 10,8 кг окиси углерода, 6-5 кг сернистого газа, 0,6 кг сероводорода и окислов азота. Термические оползни-обрушения и выбросы породы. Такие процессы имеют место на горящих и интенсивно горящих отвалах. Выбросы возникают под действием пара, образующегося в теле отвала (пустотах, трещинах) при попадании туда воды. Эти процессы способствуют загрязнению воздуха. 7.11. Процессы в криолитозоне. В области развития многолетнемерзлых пород воздействие человека на земную кору при добыче полезных ископаемых приводит к очень серьезному нарушению комплексов природных экзодинамических процессов. Относительная сбалансированность в их действии в таких районах зиждется на весьма хрупкой основе, заключающейся в примерном постоянстве мерзлотных условий природных грунтов. В поддержании этого постоянства очень велика роль растительного покрова и подстилки, аккумуляция которой происходит длительное время. 147

Добыча полезных ископаемых радикально нарушает мерзлотные условия в местах соэдания выработок и отвалов. В пределах криолитозоны отвалы, отсыпанные вне днищ речных долин, промерзают даже там, где их подошвой служат талые грунты. Изменение температурного режима при создании карьера зависит от его величины и формы, а также от состава и свойств вскрываемых пород. В частности, открытым выемкам в галечниках свойственно увеличение температур внутри них на 2-2,5°. Специфические изменения претерпевают отвалы, возникающие при снятии лессоволедовой покровной толщи, широко распространенной в перигляциальной области криолитозоны. Такие отвалы протаивают и превращаются в пульпу, которая растекается по долинам ручьев, заполняя небольшие озерные котловины. Помимо всего, сброс больших объемов воды при откачках, производимых при добыче полезных ископаемых из-под мерзлотных горизонтов, при низких температурах приводит к образованию наледей значительной мощности. Последние разрушают дороги, выводят из строя поверхностные сооружения. Кроме того, они способствуют развитию таликов, которые становятся каналами питания подземных вод. В результате всего этого усиливается образование термокарстовых озер. Сброс шахтных вод в летнее время вызывает загрязнение рек, усиление эрозии и аккумуляции. Кроме того, мощные наледи становятся плотинами в долинах рек, вызывая затопление, заболачивание и образование небольших озер. Образующиеся при подземных разработках прогибы и провалы способствуют развитию озер и заболоченности территории, образованию таликов и поступлению поверхностных вод в подземные водоносные горизонты с последующим их загрязнением. Вспучивание кровли подземных выработок происходит при их заполнении водой и ее замерзании, когда проходка ведется в условиях развития многолетнемерзлых пород. Угольная пыль и мерзлотный ландшафт. Е.А.Ельчанов и А.И.Шор изучили последствия загрязнения снега угольной пылью в криолитозоне. Ее повышенное количество вблизи шахт и карьеров в криолитозоне связано с тем, что мерзлые угли более хрупки, а это вызывает повышенное пылеобразование при их отбойке. Из шахт выносится вентиляционными струями большое количество угольной пыли, и еще больший разнос пыли происходит при погрузке мерзлых углей в транспорт на поверхности. В результате территория вокруг шахты в радиусе 15-20 км засоряется угольной пылью. Таяние снежного покрова происходит здесь раньше обычного, а глубина протаивания грунтов увеличивается в 2,5-3 раза по сравнению с нормой. Все это вызывает образование озер и повышенную заболоченность территории. Из-за выноса пыли вода в озерах в весенний период содержит до З0-60 г/л взвешенных частиц и совершенно непригодна для водоснабжения населения. Загрязнение поверхностных вод приводит к разрушению зооценоза на площади, значительно превышающей размеры эолового рессеивания угольной пыли. Такое нарушение природного круговорота вещества в конце концов вызывает очень сильную деградацию ландшафта. Активизация склоновых процессов. Б.А.Оловиным проанализировано влияние подрезки склонов долин, образованных льдистыми отложениями, при разработке россыпных месторождений. При такого рода работах объем отвалов оказывается меньше объема вынутой породы из-за сброса мелкозернистого материала в водотоки. В результате на месте разработок понижается базис денудации склонов, а интенсивность склоновых процессов соответственно возрастает. На участках склона протяженностью в десятки или даже сотни метров существенная подрезка его основания вызывает разрыв моховодернового покрова и небольшие термокарстовые просадки. В месте перехода вскрытой части склона в закрытую моховодерновым покровом происходит сползание образую148

щейся при избыточном протаивании пульпы со скоростью 10-20 м в год. Активизация солифлюкции и оползневой деятельности вызывается также отводом подземных вод при их откачках в овраги и речные долины. Деградация вечной мерзлоты. Это обычный процесс в условиях непрерывного отепляющего воздействия на них при различных мероприятиях. Создание при добыче полезных ископаемых наземных и подземных сооружений, их обогрев и вентиляция, а также откачка подземных вод - все это приводит к протаиванию пород. На Крайнем Севере России строительство рудников и сопутствующих им комплексов наземных и подземных сооружений вызвало изменение мерзлотных и геологических условий. В пределах поселков с отапливаемыми зданиями происходит оттаивание пород. Глубины оттаивания под зданиями изменяются от 14 до 50 м в зависимости от габаритов здания и температуры внутри помещения. Промышленное освоение месторождений подземным способом вызывает локальную деградацию многолетнемерзлых пород. Это обусловлено отепляющим действием вентиляции. Согласно Л.М.Демидюк, за 10 лет зксплуатации размеры ареолов оттаивания вокруг стволов на одном из рудников Норильского промрегиона достигли от 8 до 20 м в зависимости от состава и свойств пород. С максимальной скоростью оттаивание происходило в первые годы работы рудника, а затем оно замедлилось. Деградация мерзлоты и отепление талых пород происходит в зоне водозабора. В ней за первые пять лет произошло не только оттаивание мерзлых пород, но и отепление массива, особенно значительное, в интервале глубин от 0 до 15 м. 7.12. Меры по снижению эффекта негативных последствий. Усиление мер, препятствующих чрезмерному ухудшению качества окружающей среды в районах добычи полезных ископаемых, осуществляется одновременно с ростом извлечения полезных ископаемых. В отечественной и зарубежной практике разработки рудных месторождений накоплен опыт применения эффективных мер по снижению нарушений поверхности. Даже при отработке месторождений открытым способом или с обрушением вмещающих пород на подземных рудниках, характеризующихся наибольшими масштабами нарушения земель, принимаются меры по снижению этого ущерба. Например, на карьерах находят применение системы разработки с внутренним отвалообразованием. Появились схемы разделения карьерного поля, когда первоначально часть карьера отрабатывают с временным складированием пород вскрыши на борту карьера, а оставшуюся часть отрабатывают с внутренним отвалообразованием и направляют заскладированные породы в выработанное пространство. Представляют интерес попытки добычи полезных ископаемых открытым способом из-под воды, заполняющей выработку, с целью сохранения уровня грунтовых вод. При закладке пустой породой выработанного пространства снимается вопрос о нарушении поверхности при подземных горных работах. Площадь отчужденных для размещения отвалов и хвостохранилищ земель сокращают, внедряя следующие мероприятия: 1) размещение отвалов на непригодных и малопригодных для сельского хозяйства землях; 2) использование пустой породы и снимаемого при промышленном строительстве почвенного слоя для улучшения прилегающих участков неудобий (оврагов, лощин, малопригодных земель); 3) совершенствование самого процесса отвалообразования (выбор способа отвалообразования с наименьшим отчуждением земель или с возможностью осуществления быстрой и простой схемы рекультивации); 4) своевременная рекультивации отвалов пород. К мерам по борьбе с загрязнением атмосферы пылью и аэрозолями при открытых разработках относятся: 1) подавление, связывание и улавливание пыли в процессе бу149

ровзрывных и погрузочно-транспортных работ (мокрое бурение, бурение с отсосом пыли, применение взрывов без развала горной массы, орошение водой и растворами, применение пен и др.); 2) нанесение на отвалы, борта карьеров и карьерные дороги эмульсионных и пленочных покрытий, а также их орошение; 3) биологическая рекультивация отвалов и карьерных выемок; 4) утилизация отвальных пород. Комплекс мер при подземных работах во многом напоминает вышеприведенный. Кроме того, разработана система мер по борьбе с загрязнением атмосферы вредными газами. В частности производится отвод дымов и газов через высокие трубы, используются эффективные газоочистные установки; отсыпка терриконов ведется по схемам, исключающим самовозгорание пород и т.п. Меры по улучшению состояния водных ресурсов направлены на снижение влияния на них рудничных, шахтных и карьерных вод. Различают профилактические и радикальные меры. Первые включают: 1) уменьшение водопритоков в горные выработки путем организации предварительного осушения, заградительного дренажа (в том числе контурного и с использованием систем водопонизительных и водопоглощающих скважин, обеспечивающих минимальное изменение водных объектов прилегающих территорий), поглощающего дренажа с обособленным отводом воды, изоляции водоисточников, например, водонепроницаемыми завесами (экранами), надежных систем канализирования ливневого и талого стока с территории горного отвода, откачек скоплений талых и дождевых вод из зон оседания и обрушения поверхности, расхода технологической воды в соответствии с нормами; 2) направление водопритоков по путям, обеспечивающим минимальное попутное дополнительное загрязнение (в том числе устройство изолированных от горного массива водоотливных канав), на рудниках подземной добычи - устройство промежуточных водосборников нестандартного типа для сбора незагрязненных вод, на карьерах - регулирование внутрикарьерного стока с устройством временных отстойников. К радикальным мерам относятся: 1) очистка рудничных вод (нейтрализация, осветление от механических примесей, извлечение органических соединений, солей и металлов химическими, физическими и биологическими методами); 2) использование рудничных вод в замкнутом цикле горнодобывающего и рудоперерабатывающего производств. Кроме того, проводится работа по обезвреживанию сточных вод территории горного предприятия. Сюда относятся очистка сточных вод от масел и других органических веществ, а также от механических примесей, охлаждение до нормы и ряд других мер. Актуальной задачей является снижение негативных последствий для природной среды при дражной разработке россыпей. Существуют приемы по охране поверхностных вод. При отработке долинной россыпи насыщенные наносами воды сбрасываются в специально сооруженное водохранилище-отстойник с площадью до 1,5 км. В результате загрязненность сточных вод снижается в десятки раз. При отработке террасовой россыпи пойменно-русловая часть реки отделяется от дражного разреза ограждающей дамбой. В результате значительно уменьшается количество взвесей в сливных водах. Однако самыми эффективными являются условия, когда драга работает в "глухом" забое. Очистка воды в дражном разрезе производится путем разового обмена всего объема на подготовленную очищенную с помощью каогулянта воду. Последняя находится за перемычкой впереди драги в водоеме с уровнем воды на 30-50 см выше, чем в дражном разрезе. 150

7.13. Рекультивация. "Шрамы", оставляемые на земной поверхности горнодобывающей промышленностью, полностью не могут быть ликвидированы хотя бы потому, что немалая доля извлеченного из недр вещества идет на создание городов, поселков, коммуникаций, транспорта и др. Другая часть расходуется как топливо. Долгое время большинство нарушенных земель просто бросали на произвол судьбы. Большие территории занимают терриконы угольных шахт, наносящие к тому же значительный экологический ущерб. Однако сейчас такому расточительному использованию земельных ресурсов пришел конец. Во многих странах сейчас проводятся мероприятия по сокращению площади, занимаемой отвалами и пустошами. В частности, ведется спуск в подземное пространство шахт материала, слагающего терриконы. Широкий размах приобрели работы по преобразованию бесплодных нарушенных земель в пригодные для различного использования. При этом улучшаются не только земли, нарушенные горными разработками, но и антропогенные пустоши иного происхождения. Рекультивация - это возвращение в состав продуктивных и селитебных земель техногенных бедлендов, а также превращение последних во вместилища для отходов или водоемы различного хозяйственного назначения. Больше всего земель выводится из строя горными разработками и при строительстве линейных сооружений. Нормативно-технической базой при решении вопросов, связанных с восстановлением земель, нарушенных при добыче полезных ископаемых, строительных, геологоразведочных и изыскательских работах, являются Государственные стандарты в области рекультивации земель. Однако, как отмечает Л.П.Капелькина (1996), прямой перенос приемов и способов рекультивации, успешно применяемых в одних регионах, в местности с другим климатом или другим типом нарушений может приводить к необоснованному удорожанию работ или быть неэффективным. А на Крайнем Севере такой подход может быть не только нецелесообразным, но и противопоказанным. Развивая сказанное, Л.П.Капелькина справедливо настаивает на возможно более полном учете конкретных геолого-географических, геохимических и мерзлотногидрогеологических особенностей рекультивируемого объекта, как природных, так и техногенных. Творческое использование такой информации позволяет разработать и внедрить такой план рекультивации, который невозможно подготовить, базируясь только на нормативных документах. Площадь земель, ежегодно нарушаемая горными разработками, достигает порядка 0,4 млн.га. Всего в мире площадь таких земель вряд ли может быть больше 12-15 млн.га. Основные виды. Рекультивационные работы принято делить на два этапа: первый горнотехнический и второй - биологический. При горнотехнических мероприятиях производится выполаживание откосов отвалов и бортов карьеров, планировка “вершинной” поверхности каждого отвала и днищ карьеров, покрытие, если необходимо, сформированных наклонных и горизонтальных поверхностей потенциально плодородными рыхлыми отложениями или почвами, которые были предварительно сняты и складированы отдельно от вскрышных пород. Горнотехнические мероприятия, по существу, так меняют геолого-геоморфологическое строение нарушенной местности, что в итоге создается специфический запланированный рельеф с насыпными поверхностными отложениями, которые образуют прерывистый или сплошной чехол, верхним слоем которого иногда служат настланные почвы. Характер работ при биологической рекультивации зависит от выбранного направления восстановления земель, а оно - от их провинциально-зональной приуроченности, а также от местной цены на земельные угодья. 151

В зависимости от назначения высвобождаемых от горных работ земель различают семь направлений рекультивации: - сельскохозяйственное (создание пашни, лугов, пастбищ, многолетних насаждений); - лесохозяйственное (лесопосадки эксплуатационного и специального назначения);. - рекреационное (создание на нарушенных землях объектов отдыха); - рыбохозяйственное (создание в понижениях техногенного рельефа рыбоводческих прудов); - водохозяйственное (создание в понижениях техногенного рельефа водоемов различного назначения); - санитарно-гигиеническое (биологическая или техническая консервация нарушенных земель, оказывающих неблагоприятное воздействие на окружающую среду, рекультивация которых для народнохозяйственного использования экономически нецелесообразна); - строительное (приведение нарушенных земель в состояние, пригодное для промышленного и гражданского строительства). Сельскохозяйственная рекультивация. Она проводится, как правило, в районах с высокой плотностью сельского населения и благоприятными климатическими условиями. При проведении гидротехнических мероприятий нередко оказывается возможным создание такого искусственного почвенного покрова, потенциальная продуктивность которого не уступает или даже превышает продуктивность уничтоженной почвы, особенно если последняя была истощена нерациональным сельскохозяйственным использованием. В США, на севере Великих равнин, были проведены исследования по выявлению оптимальных габаритов вновь образуемого почвенного покрова. Оказалось, что 90% от максимального урожая при возделывании трав и зерновых культур можно получить при создании корнеобитаемого слоя, состоящего из 20-сантиметрового гумусированного слоя и 70 см потенциально плодородных рыхлых отложений. В некоторых случаях оптимальная мощность наносимого гумусированного горизонта должна быть увеличена, но не более чем вдвое. Для обеспечения устойчивых урожаев на землях с восстановленным почвенным покровом необходимо, чтобы в них были накоплены значительные запасы Nорг. , в количестве до нескольких тонн на гектар. Для этой цели используются посадки бобовых растений или внесение обезвреженного осадка сточных вод. Исследования, проведенные на рекультивированных землях, которые были нарушены при добыче марганцевых руд из Никопольского месторождения, позволили наметить три пути повышения их плодородия: 1) увеличение мощности гумусового слоя почвы до 70-80 см. Урожай зерна кукурузы, произраставшей на таких участках, на 3540% выше урожая кукурузы, получаемого на старопахотных ненарушенных участках; 2) внесение азотнофосфорных удобрений, оптимальная доза которых под яровой ячмень и кукурузу составила: на серо-зеленых глинах 120, на лессовидных суглинках и красно-бурых глинах - 160 и на гумусированном слое почвы 80-120 кг действующего вещества на 1 га; 3) применение фитомелиоративных севоооборотов. Плодородие рекультивированных красно-бурых и серо-зеленых глин после четырехлетнего произрастания на них люцерны синегибридной увеличилось в 3-6 раз. Это позволяет осваивать рекультивированные земли без нанесения на них гумусированного слоя почвы под высокопродуктивные кормовые севообороты. Кроме увеличения урожайности испытанных в опытах культур, данные приемы способствовали улучшению качества получаемой продукции. Белковость зерна, в сравнении с контрольными вариантами, возрастала в 1,3-1,5 раза. 152

Хорошие результаты дает также создание такой почвы, в основании которой могли бы создаваться значительные запасы влаги. Для этой цели предлагается формировать трехслойную подпочвенную толщу из водопроницаемых пород на глубине 3-4 м, выше водопроницаемых и еще выше лессовых. Выбор варианта рекультивации нарушенных земель для целей полеводства определяется степенью их будущей рентабельности и стоимостью различных видов землевания и удобрений. Нередко для нанесения гумусированного слоя используются не только сохраненные в гуртах почвы вскрыши месторождений, но и специально снимаемые для этого богатые гумусом поверхностные аллювиальные накопления речных пойм и гумусированный делювий оснований склонов, возникший при эрозии почвы с примыкающих полей. В некоторых случаях дополнительными ресурсами для землевания могут служить современные аккумулятивные заполнения мелких озер, находящихся среди земледельческих угодий. Лесная рекультивация. Она применяется весьма часто, так как не требует больших затрат и может осуществляться на токсичных грунтах и в неблагоприятных условиях рельефа. Приживаемость и рост лесных пород зависят от механического состава грунтов и их химических свойств. Наиболее неблагоприятными для лесной растительности являются крайние значения рН (3,0 или 9,0). По механическому составу наиболее благоприятны песчаные грунты. Облесение отвалов производится не посевом древесных пород (прорастающие сеянцы высыхают и поедаются грызунами), а посадкой однолетних саженцев. Определение того, насколько данный вид подходит для посадок, производится по оценке его приживаемости и быстроте росте. Приживаемость более 60% считается удовлетворительной, 40-60% - достаточной, менее 40% - неудовлетворительной. При выборе древесных и кустарниковых пород для посадок на отвалах наиболее подходящими оказываются местные виды, приспособленные к физико-географическим условиям данного района. Они подразделяются на пионерные - породы подготовительного периода и породы хозяйственно ценные, которые высаживаются после вырубки деревьев-пионеров и которые в будущем годны для лесоразработок. На малоплодородных землях перед посадкой ценных хозяйственных пород применяются почвоулучшающие травянистые растения. В качестве деревьев-пионеров в зоне широколиственных лесов Средней Европы, например, используют ольху, иву, акации. Затем высаживаются ясень, дуб, тополь и производится постепенная вырубка деревьев-пионеров. После их полной вырубки образуются зрелые широколиственные леса, пригодные для лесоразработок. Разумеется в каждом конкретном случае могут наблюдаться различные отклонения от приведенной выше схемы. В ФРГ, например, из пустой породы угольных шахт созданы крупные искусственные холмы с террасированными склонами, на которых произрастают лесонасаждения смешанного состава. В Рейнском буроугольном бассейне в качестве пионерного вида лучше всего зарекомендовал себя тополь. Одновременно с ним сажают люпин, который обогащает почву азотом и препятствует развеванию опада ветром. В посадки тополя здесь включают ольху, поскольку смешанные насаждения обладают более высокой устойчивостью к болезням и вредителям. В дальнейшем тополь заменяется более ценными древесными породами. Специфическими чертами характеризуется рекультивация дражных отвалов, занимающих большие площади на днищах долин, где велась добыча россыпных полезных ископаемых. На горнотехническом этапе рекультивации проводятся следующие рабо153

ты: 1) устройство русла реки; 2) разравнивание и планировка отвалов для ликвидации гребнистости и создания правильной конфигурации участков; 3) засыпка мелких впадин; 4) создание или ликвидация подъездных путей; 5) землевание средних или высоких отвалов или заиливание низких; 6) известкование и внесение минеральных и органических удобрений. На биологическом этапе рекультивации производятся лесопосадки. Там, где дражные отвалы зарастают естественным путем, древесная растительность закрепляется на них лишь спустя 20-40 лет после отработки россыпи. Рекреационная рекультивация. Этот вид работ включает в себя создание площадок для строительства различных спортивно-оздоровительных сооружений, парков культуры и отдыха и т.д. Это могут быть выровненные отвалы с высокотоксичными грунтами, заполненные водой карьеры в сочетании с рыборазведением и лесопосадками на склонах и так далее. Например, в Польше, в центре горнопромышленного округа в г. Хожув на месте старых карьеров создан прекрасный парк культуры и отдыха, известный в стране и за рубежом своей оригинальной экспозицией под открытым небом - "долиной диназавров". Парк создан как дендросад, где высажено 227 видов деревьев и кустарников и проведена ландшафтная планировка территории. Рыбохозяйственная рекультивация. Это один из наиболее дешевых способов возвращения площадей, занятых отработанными карьерами, в хозяйственный оборот. Выгоды от эксплуатации рыбоводных прудов дополняются тем, что восстанавливается уровень грунтовых вод, который при разработке карьеров обычно резко снижается. К тому же почвенный горизонт, снятый с данного участка, может быть использован при сельскохозяйственной рекультивации, например, соседних территорий. Данный способ рекультивации наиболее применим в гумидных районах. Водохозяйственная рекультивация. Обычно при ее проведении преследуют несколько целей. Это, во-первых, создание резервов промышленных вод для нужд химической, металлургической, текстильной и других отраслей промышленности. Большое количество воды потребляют энергетика и сельское хозяйство. И, наконец, немаловажное значение имеет создание, когда это возможно, накопителей питьевой воды. Затоплению и превращению в водоемы подвергаются, как правило, глубокие карьеры, а также карьеры с высокотоксичными грунтами, не пригодные для иных способов рекультивации. Строительная рекультивация. На территории города и близ населенных пунктов на месте нарушенных промышленностью территорий проводится жилищное и промышленное строительство, а там, где это невозможно - санитарно-гигиеническая рекультивация, которая в сочетании с химической мелиорацией и лесопосадками может быть доведена до уровня рекреационной. 7.14. Выводы. Добыча полезных ископаемых затрагивает сравнительно небольшие площади. Однако благодаря огромному знергетическому вкладу человека в эти мероприятия на горнопромышленных территориях перемещается и с них выносится такое количество веществ, больше которого на Земле могут переместить и рассеять в какойто небольшой отрезок времени лишь вулканические аппараты при крупных извержениях. Механизмами человек вторгается в литосферу. При этом в большинстве случаев в создаваемые человеком или при его участии потоки вещества включается содержимое геохимических аномалий, ингредиенты которых были депонированы в земные недра на протяжении всей геологической истории во многом при участии живого вещества. Загрязнение, связанное с извлечением, переработкой и последующим использованием минеральных ресурсов, охватывает всю биосферу и по разнообразию проявлений не 154

имеет аналогов, если под таким же углом зрения рассматривать как исходные какиелибо другие виды деятельности человека. Горнопромышленные территории - места самой интенсивной антропогенной денудации и сопряженной аккумуляции. Очень велика роль непреднамеренных антропогенных и природно-антропогенных процессов. Это результат больших затрат энергии, вырабатываемой человеком. Формирование самого контрастного по вертикальному расчленению антропогенного рельефа порождает целую гамму гравитационных процессов, начиная от обрушений и обвалов и кончая некоторыми видами оседания местности. Проявление природно-антропогенных процессов на горнопромышленных территориях в основном обусловлено: 1) нарушением напряженного состояния земной коры, 2) способностью органогенных горных пород к самовозгоранию и к длительному горению, 3) изменением гидрогеологических и гидрологических условий, 4) выбросом с водами и воздухом большого количества загрязняющих веществ, 5) рассеиванием тепла, 6) беспрецедентным по интенсивности разрушением почвенно-растительного слоя. Активизация процессов экзодинамики при добыче полезных ископаемых серьезно нарушает рельеф, состояние почвенного покрова и биоты, поверхностных и подземных вод, а также воздуха в местах добычи и на прилежащих территориях. Актуальность рекультивации заброшенных и вновь нарушенных земель сейчас ни у кого не вызывает сомнений, ибо потребность в земельных ресурсах непрерывно растет. Поэтому при проведении горных работ, линейного строительства и других мероприятий, резко ухудшающих состояние ландшафта, сейчас заранее предусматривается и комплекс рекультивационных преобразований. При этом уже при планировании производства основного вида работ, например, добычи полезных ископаемых, предусматривается создание оптимальных для рекультивации условий. Такое опережающее планирование рекультивации имеет большое будущее и открывает широкие перспективы перед отраслями науки и техники, связанными с проблемами рационального природопользования.

8. Водохранилища

8.1. Человек и гидрологический цикл. Управление водными ресурсами является необходимым условием производства в развитом обществе. Большие количества воды нужны городам, промышленным комплексам, агропроизводству, в особенности при использовании орошения земель. Без управления стоком рек не всегда удается создать противопаводковую защиту, использовать водный транспорт, осуществлять рекреационные мероприятия, связанные с водоемами. Обилие природных пресноводных объектов - большое достояние для любой страны. Между тем, в настоящее время деятельность человека больше способствует истощению запасов воды на суше, чем их приумножению. Это выражается в следующем: 1) в сокращении протяженности мелкой речной сети; 2) в понижении уровня ряда озер или их полном иссушении; 3) превращении заболоченных земель в осушенные; 4) значительной потере влаги почвами и подстилающими породами в областях антропогенного опустынивания; 5) понижении уровня подземных вод в районах избыточного водозабора. 155

По мнению Р.К.Клиге, для суши характерен отрицательный водный баланс. Сокращение объема озер и подземных вод соответственно оценено им в 38 и 108 км3/год, таяние ледников в 429 км3/год, тогда как создание водохранилищ прибавляет на суше всего 32 км3/год воды. Пополнение океана достигает 543 км3/год. Из этих цифр видно, что в глобальном масштабе человечество компенсирует сокращение объема озер созданием водохранилищ, но очень расточительно тратит подземные воды. Правда там, где создаются водохранилища, каналы и ирригационные системы, запасы подземных вод увеличиваются. Однако этот прирост количества воды в литосфере пока не оценен. Водохозяйственными сооружениями, вызывающими значительные по масштабам изменения в литосфере, являются водопроводные системы, водонапорные скважины, различного рода водооткачивающие и стоковые устройства и т.п. Геологические результаты их функционирования частично рассматриваются в разделах, посвященных сельскохозяйственным и урбано-промышленным территориям, а также участкам, где ведется добыча полезных ископаемых. Водораспределение на этих территориях и связанные с ним последствия являются органической составляющей сложного комплекса антропогенных процессов, имеющих место в таких районах. Иначе обстоит дело с достаточно крупными водохранилищами и каналами, роль которых в экзодинамике литосферы должна быть рассмотрена особо. 8.2. Типы водохранилищ. Создание крупных водохранилищ в целом компенсирует изъятие с суши воды, связанное с сокращением объема озер. Однако далеко не всякое водохранилище служит для пополнения запасов воды на ней. Многие из них создаются для получения дешевой электроэнергии как раз там, где вода имеется в избытке. В этом случае обводняются и без того избыточно увлажненные территории. Тем не менее на данном этапе экономического развития водохранилища имеют огромное хозяйственное значение. Но не менее огромен и вред от водохранилищ, которые, бывало, создавались в ущерб многим жизненным интересам общества. Водохранилища классифицируются по различным категориям. По условиям аккумуляции воды принято выделять: 1) водохранилища в долинах рек, перегороженных плотинами (в том числе и расположенные на временных водотоках); 2) озераводохранилища, зарегулированные плотинами; 3) наливные водохранилища; 4) водохранилища в местах выхода подземных вод, в том числе в условиях карста; 5) водохранилища, созданные в эстуариях и прибрежных участках моря, отделенные от него дамбами. Больше всего водохранилищ создано в США (рис. 15).

156

1

Рис.15 Распространение водохранилищ мира с полным объемом более 1 куб.км (по А.Б.Авакяну)

Россия выделяется сосредоточением огромных равнинных водохранилищ. Ни одна страна мира не может конкурировать с нами по этому показателю. Наибольшее распространение имеют водохранилища, созданные в речных долинах. Самое большое из них по площади - водохранилище Вольта (8480 км2) в Гане, Куйбышевское (5900 км2) на Волге пока на втором месте. А самое емкое - водохранилище Кариба (175 км3) на р.Замбези - принадлежит Замбии и Зимбабве. Наше Братское водохранилище (169,3 км3) на р.Ангаре - второе по объему. Водохранилища занимают около 589 тыс. км2, причем из этой площади 236 тыс. км2 принадлежит озерам в подпоре. Дополнительно накапливать воду в озерных котловинах, особенно в горах - это, пожалуй, одно из лучших решений гидроэнергетиков. Таким приемом воспользовались в котловине оз.Виктория, в Африке, правда, прихватив и большую территорию (8000 км2) побережья озера и долины р.Нил-Виктория, вытекающей из него. Плотина на этой реке подняла воду в озере на 31 м, что позволило собрать дополнительно 204,8 км3 живительной влаги. Это пока самая большая водная масса, задерживаемая человеком в одной акватории. Ее площадь 76 000 км2. Уровни водохранилищ в течение года изменяются от долей до десятков метров, а в редких случаях и более чем на 100 м. Изменение гидрологического режима зарегулированной реки далеко не во всем оказывается благоприятным. Водохранилища - огромные испарители влаги. В аридных областях с их поверхности ежегодно испаряется слой влаги до 2000 мм и более. На большей части территории России этот показатель равен 800-1000 мм. А.Б.Авакян и В.А.Шарапов подразделяют функции водохранилищ на следующие виды: - “склад” воды, обеспечивающий: а) круглогодичное бесперебойное снабжение водой городов, промышленных предприятий, орошаемых и обводняемых массивов, б) улучшение и удешевление забора воды насосными станциями; - акватория разноцелевого назначения, используемая для рекреации, судоходства, рыбного хозяйства и др.; - источник и аккумулятор энергии, вырабатываемой ГЭС; - регулятор стока в многолетнем, сезонном, недельном и суточном разрезах в интересах различных отраслей хозяйства; - объект, изменяющий качество воды в лучшую (уменьшение мутности, цветности, запаха, содержания в воде сапрофитных бактерий и кишечной палочки) и худшую стороны; - объект, влияющий на земельные ресурсы в худшую (затопление, подтопление, переработка берегов, образование островов, обезвоживание и осуходоливание пойменных угодий в нижнем бьефе и др.) и в лучшую (увеличение возможности орошения и обводнения земель, улучшение возможности использования земель в нижних бьефах в районах, страдающих от наводнений) стороны; - объект, вносящий некоторые другие положительные и отрицательные изменения в природу и хозяйство. К их числу относится влияние на климатические условия в прибрежной полосе, на русловые процессы в нижнем бьефе, на сроки становления и вскрытия ледостава на реке ниже плотины и др. Влияние крупного водохранилища или их каскада на природу гораздо шире изложенного перечня. Однако об это чуть позже. 8.3.Подготовка инфраструктуры. Таковой являются строительство плотины и связанных с ней объектов (шлюзы, проходы для рыбы, пропуска леса и др.), а также инженерные защитные работы. В цикл работ входит также перенос из будущей зоны затоп158

ления населенных пунктов на новые места, прокладка новых коммуникаций, сельскохозяйственное использование до этого неосвоенных земель. При строительстве водохранилищ в плотины укладываются огромные массы искусственных грунтов. Только одна высотная (234 м) плотина им. Гувера в Гранд-Каньоне р. Колорадо содержит столько бетона, сколько нужно, чтобы построить двустороннюю автостраду из Чикаго до Сан-Франциско. В комплекс инженерных сооружений защитных работ входят: обваловывание территорий; укрепление берегов и откосов существующих земляных сооружений; устройство волноломных и волноотбойных сооружений; подсыпка (намыв) берегов и защитных пляжей; дренаж обвалованных и подтопляемых территорий; планировка дна и берегов водохранилища; гидроизоляционные и другие работы по локальной защите и приспособлению объектов к новым гидрогеологическим условиям. Чтобы предотвратить загрязнение вод будущего искусственного озера на его дне сводится древесная растительность, а массивы торфяников по возможности засыпаются щебнем и гравием для предотвращения всплывания этих органогенных образований. В европейских странах часто осуществляется обваловывание и защита пойменных земель от низких и иногда средних паводков. При относительно высоких подъемах воды земли затапливаются, что способствует их обводнению и удобрению илом. Применяются также системы двойных дамб. Ближняя к водохранилищу предохраняет луга и леса от низких и иногда средних паводков, а более высокая система дамб рассчитана на защиту от высоких паводков пахотных земель, поселков и коммуникаций. Инженерные мероприятия проводятся также для защиты городов, поселков и отдельно расположенных фабрик и заводов. В России благодаря обваловыванию и другим способам защиты от воздействия водохранилищ предохранены более 50 городов и поселков городского типа, в том числе такие крупные города, как Ульяновск, Саратов, Краснодар, Казань и Черкассы. Защищаются также и участки ценных сельскохозяйственных земель. Имеются водохранилища, полностью окаймляемые насыпями. Широко используется укрепление берегов там, где проходят железные и шоссейные дороги. Инженерная защита осуществляется также в нижнем бьефе некоторых гидроузлов там, где конструкциям, находящимся в сфере действия речной эрозии, угрожает повреждение от активизации последней. Так, в нижних бьефах Горьковского, Рыбинского, Угличского и Камского гидроузлов на отдельных участках укреплены берега, усилены коммунальные сооружения (водозаборы, выпуски канализации, опоры мостов, причалы и др.), осуществлена подсыпка территории с укреплением откосов в городах Балахане, Правдинске, Рыбинске и др. 8.4. Заполнение водой. В крупных водохранилищах вода может накапливаться несколько лет. Из-за перехвата части воды река в нижнем бьефе становится маловодной. Между тем, в чаше водохранилища активизируются волновые процессы и переформирование берегов. Начинается отложение донных илов. Органические материалы всплывают. Под массой плотины и воды начинает оседать литосфера. Иногда водный резервуар так и не удается заполнить, как это произошло с Капчагайским водохранилищем на р.Или в Казахстане. Перехват воды этой реки вызвал увеличение минерализации в конечном водоеме стока - оз.Балхаш. Это отрицательно сказалось на водоснабжении Прибалхашья и насилие над Балхашом было приостановлено. Капчагайское водохранилище не набрало запланированного объема воды. Явная ошибка проектировщиков-гидростроителей. Для различных зон, которые наиболее тесно связаны с долинным водохранилищем, свойственен свой комплекс природно-антропогенных процессов. Такими зонами явля159

ются: 1) участок влияния подпора (верхний бьеф), 2) чаша водохранилища, 3) подтапливаемое окаймление, 4) нижний бьеф. 8.5. Участок влияния подпора. После создания водохранилища в примыкающем подпруженном участке русла реки резко усиливаются аккумуляция и одновременно денудационные процессы. Регрессивная аккумуляция. Последняя на равнинных реках регрессивно распространяется на значительное расстояние вверх по течению. Начало аккумуляции приурочено к тому времени, когда в зоне выклинивания подпора осядет столько наносов, что в верхней части водохранилища сопротивление движению воды увеличится. Гидравлический напор, необходимый для преодоления добавочных сопротивлений, получается за счет кинетической энергии потока на вышележащем участке реки, где по этой причине скорость течения заметно убывает. Здесь начинается аккумуляция наносов, которая вызывает в свою очередь уменьшение скорости течения на соседнем участке выше по реке. Эксперименты показали, что объем отложений в зоне регрессивной аккумуляции лишь немного уступает объему донных осадков в чаше водохранилища. Р.С.Чалов проанализировал данные о влиянии водохранилищ на русловой процесс в долинах рек Оби, Дона, Днепра, Волги, Камы и Енисея и установил, что регрессивная аккмуляция очень резко выражена на всех реках с высоким твердым стоком. Быстрее всего осадконакопление осуществляется в зоне переменного подпора, достигая здесь 35 см/год. Ниже по течению интенсивность наращивания отметок дна падает из-за уменьшения объема твердого стока реки при наступлении межени. Накопление аллювия на границе максимального распространения подпора приводит в повышению уровня воды в реке, а это, в свою очередь, вызывает распространение аккумуляции вверх по течению. В общей сложности в зоне регрессивной аккумуляции Новосибирского водохранилища накапливается более четверти годового твердого стока р. Оби, а сама зона продвигается вверх по течению и распространилась с 1959 г. за почти 40 лет функционирования на 400 км выше границы максимального подпора, т.е. до г.Барнаул. В районе нижней границы зоны регрессивной аккумуляции седиментация идет со скоростью n⋅см/год и соизмерима с темпами заиления чаши водохранилища. Из-за повышения дна р. Оби в зоне регрессивной аккумуляции увеличилась и продолжает расти затопляемость поймы. Глубинная эрозия. Она в определенных условиях проявляется в зоне переменного подпора. Это выявлено, например, на Новосибирском водохранилище. Уровни воды в нем сильно меняются в течение года. Значительно колеблются и расходы воды в Оби. Вследствие этого граница выклинивания подпора перемещается вниз и вверх по реке на значительные расстояния. Оживление эрозионных процессов фиксируется также в пределах пойменных рукавов как следствие увеличения затопляемости поймы в зоне регрессивной аккумуляции. Подтопление. Этот процесс имеет место на низких частях дна долины в связи с повышением уровня воды в реке в зоне регрессивной аккумуляции. В определенных условиях подтопление активизирует карст, суффозию, оползание и т.п. 8.6. Чаша водохранилища. Качество воды в водохранилище во многом зависит от гидробиологических процессов, происходящих в его водной массе, а также от функционирования системы вода - донные осадки. Только на 1/5 из существующих водохранилищ эвтрофикация отсутствовала. Эвтрофикация. Причина этого - аномально высокое содержание биогенных веществ в воде, связанное с вспышкой природно-антропогенных процессов, которая происходит 160

при его создании и в течение некоторого последующего срока, особенно в первые 3-4 года. Основными поставщиками биогенов являются: 1) сельскохозяйственные угодья (пашня и пастбища), 2) животноводческие фермы, 3) урбанизированные территории и 4) автострады. Вынос соединений азота и фосфора из этих источников осуществляется с подземными и поверхностными водами, с ветром, а также путем прямого антропогенного сброса. Большую роль в поставке биогенов в первые годы существования водохранилища играет абразия. Биогенные вещества вносятся в значительных количествах и за счет их ремобилизации из затопленных почв и растительности, а по мере накопления донных осадков частично поступают в воду и из них. Источником повышенного количества биогенов могут быть воды главной реки, втекающей в водохранилище. Соединения азота, кроме того, поступают в водоем из воздуха с грозовыми осадками в результате азотофиксации. Связанный при грозах азот выпадает в количестве от 2 до 10 кг/га в год. Благоприятная ситуация для эвтрофикации создается самим наличием водоема с медленным водообменом и гораздо большей площадью, нежели у существовавшей на его месте гидросети. Последнее обстоятельство обусловливает увеличение улавливания потока биогенов из воздуха, а вследствие замедленного водообмена снижается поглощение кислорода на единицу объема воды, происходит стратификация водной массы и образование обедненных этим газом придонных слоев. Иногда вместо термина “эвтрофикация” используется другой - “цветение воды”. В прижизненных выделениях водорослей обнаруживаются органические кислоты, аминокислоты, пептиды, полисахариды, эфирные масла, карбонильные соединения, эндотоксины и другие биологически активные вещества. При гибели и распаде водорослей выделяются фенолы, маркаптаны, алифатические кислоты, присутствие которых делает воду не пригодной для питьевых целей, а также для существования гидробионтов. На первой стадии эвтрофикация выглядит как положительный процесс, так как в только что образованном водохранилище быстро повышается продуктивность всех населяющих водоем сообществ, в том числе рыб. Правда, рост продуктивности рыб идет в основном за счет малоценных видов. Затем по мере развития эвтрофикации качество промысловых рыб постепенно снижается. В конечной фазе развиваются заморные явления и наступает омертвение водоема. Оно происходит из-за того, что количество отмирающего фитопланктона становится очень большим, и на окисление мертвого органического вещества расходуется почти весь растворенный кислород воды. Всплывание торфяников. Это одно из негативных следствий затопления болот. Явление всплывания торфяников широко наблюдается на водохранилищах России, Канады, Швеции и Финляндии. В 1946 г. произошел курьезный случай на Рыбинском водохранилище. Следовавший по нему пароход “Рульков” вместе с составом барж был приподнят всплывшим торфяным массивом. В этом водном резервуаре только за первые четыре года с момента его образования зафиксировали более 1100 га плавающих торфяников. На Нарвском водохранилище за период в восемь лет торф всплыл на площади порядка 3500 га, что больше 50% площади затопленных болот. Позднее процесс этот ослаб и, согласно Д.П.Финарову, за 21 год существования акватории площадь торфяных массивов, которые когда-либо дрейфовали по ней, не превысила 4000 га. Наиболее интенсивно торфяники вырываются из пучины на водную гладь в течение 2-5 лет после образования водоема. Их отрыв ото дна и подъем на поверхность происходит из-за малой плотности торфа и внутреннего давления газов, образующихся в процессе гумификации мертвой торфо-растительной массы анаэробными бактериями. 161

Показателями плавучести являются следующие свойства торфа: удельный вес во влажном состоянии 93%, степень гумификации менее Н5 и среднее содержание газов >43 л/м3. При всплывании торфяной материал разносится по акватории и загрязняет воду детритом, гуминовыми кислотами и соединениями азота и фосфора. Переработка берегов. Появление значительной, а иногда очень большой массы воды там, где до этого функционировала более или менее сбалансированная система экзодинамических процессов, резко разрушает, подавляет и меняет их действие. Одним из наиболее активных процессов становится переработка берегов созданного водоема. Ими оказываются поверхности или уступы террас, аккумулятивные шлейфы подножья, коренные склоны, а иногда искусственные сооружения - дамбы и др. Факторами, способствующими разрушению берегов, являются: 1) их сложение рыхлыми породами; 2) крутосклонность и приглубость берегов; 3) развитие оползней и других процессов быстрого разрушения склонов; 4) отсутствие или подавленность водной и наземной растительности; 5) ветровое волнение, интенсивность которого зависит от орографии (горные водохранилища лучше защищены от ветров, чем равнинные), от продолжительности ледостава и ряда других особенностей рельефа и климата; 6) удаление продуктов абразии и другого материала вдольбереговыми течениями; 7) перемещения контакта вода-берег в течение года, которые составляют у некоторых водохранилищ по вертикали до 100-170 м и по горизонтали до 5-15 км. У больших равнинных водохранилищ С.Л.Вендровым выделено пять гидрологических зон со своей спецификой гидродинамических условий и формирования берега: 1) приплотинная зона, как правило, наиболее широкая и глубокая и поэтому с наибольшим гидродинамическим воздействием на берег. Разрушение берега при прочих равных условиях идет здесь быстрее всего, а наносы аккумулируются только на глубине за пределами зоны сработки; 2) средняя зона, которая при НПУ по интенсивности воздействия на берег мало чем отличается от плотинной. Однако при сработке уровня водохранилище здесь становится мелководным и волновая переработка значительно ослабевает; 3) верхняя зона, которая при НПУ мелководна, вследствие чего волновая переработка берега малоинтенсивна. Здесь откладывается преобладающая часть приносимых рекой наносов и быстро формируется прибрежная отмель; 4) зона выклинивания подпора, которая в зависимости от высоты уровня воды представляет собой дельту или русло реки. Формирование берега здесь осуществляется главным образом за счет эрозионно-аккумулятивных процессов; 5) зона небольших заливов, в которых идет относительно быстрая аккумуляция материала, поставляемого склоновыми процессами. Последние играют главную роль в формировании берега. В развитии берегов крупных водохранилищ выделяют два основных периода. Первый период - становление берегов. Во время него преобладает абразия. Второй период это время их стабилизации, когда определяющую роль играют аккмулятивные процессы. В зависимости от сочетания факторов, определяющих береговую динамику, скорость отступания или роста берегов на разных водохранилищах, характер моделировки и особенности их строения оказываются неодинаковыми. Представляют интерес данные об особенностях формирования берегов на водохранилищах различных зональнопровинциальных групп, по Д.П.Финарову. Наиболее типичны для России пять таких подразделений: 1. Водохранилища провинции лесной зоны Русской равнины с небольшими колебаниями уровня (Горьковское, Камское и др.); 162

2. Водохранилища провинции лесостепной зоны Русской равнины со значительными колебаниями уровня: (Новосибирское и др.); 3. Водохранилища провинции степной зоны Русской равнины с небольшими колебаниями уровня (Волгоградское и др.); 4. Водохранилища провинции степной зоны Русской равнины со значительными колебаниями уровня (Цимлянское и др.); 5. Водохранилища провинции лесной зоны Средней Сибири со значительными колебаниями уровня (Братское, Вилюйское и др.). Наиболее крупные долинные водохранилища первой группы - Горьковское и Камское - созданы в слабо врезанных долинах, выработанных в ледниковых и водноледниковых отложениях. Выработка подводных и надводных абразионных форм на берегах, сложенных мореной, происходит с образованием естественной отмостки из скапливающихся валунов у уреза воды. Эти скопления приводят к образованию своеобразного крутого пляжа и на значительных участках образуют поверхностный слой отмели. Вследствие этого переработка берегов резко ослабевает. Для водохранилищ этой группы характерны большие площади мелководий и широкое распространение низких отмелых берегов в связи с небольшим врезом долин. Весьма динамична переработка берегов на водохранилищах второй и третьей зонально-провинциальной групп. Они располагаются в сравнительно глубоко врезанных и наиболее древних по возрасту долинах рек внеледниковой Русской и ЗападноСибирской равнин. Берега сложены преимущественно лессовидными рыхлыми породами, которые легко разрушаются не только ветровыми волнами, но и вследствие размокания, растворения и выветривания. При абразии лессовых берегов основная часть обрушенного материала выносится во взвешенном состоянии и не участвует в формировании отмели, так как пылеватые лессовые частички обладают высокой плавучестью. Вследствие этого отмель длительное время сохраняет абразионный характер, затухания переработки берегов здесь не наступает длительный срок. Интенсивная овражная эрозия, стимулируемая абразией и наличием лессовых отложений, способствует быстрому отступанию берегов. Большая продолжительность безледного периода (на 1-1,5 месяца) в степной зоне, по сравнению с лесной, более интенсивные ветровые нагоны и волнение, приглубость берегов и наличие чрезвычайно податливых к разрушению водой лессовых пород - все это обусловливает очень значительную величину переформирования берегов, которая в среднем достигает свыше 100 м за 10 лет. Максимальные величины переработки берегов в лесной зоне существенно меньше и составляют 40-60 м. На Красноярском водохранилище Д.П.Финаров выявил участок в районе пос.Куртак, где лессовые береговая зона отступила почти на 400 м. Водохранилища пятой зонально-провинциальной подгруппы (Братское, УстьИлимское, Вилюйское и др.) созданы в древних, глубоко врезанных долинах и находятся в условиях сурового климата, обусловливающего относительную непродолжительность безморозного периода (100-150 дней). Поэтому суммарная энергия ветрового волнения здесь оказывается небольшой. Тем не менее, берега подверглись серьезному разрушению из-за низкой устойчивости их отдельных участков и чрезмерно больших размеров акваторий. Разрушение берегов в условиях сурового климата стимулируется мощным морозным выветриванием. Интенсивная дезинтеграция пород происходит не только на береговых склонах, но и на отмели. В зимнее время при низких уровнях увлажненные отложения отмели разрушаются, а весной и летом при подъеме уровня воды породы ра163

зуплотненного слоя быстро размываются. Наблюдения на Братском водохранилище показывают, что мощность такого “срезаемого” слоя здесь достигает 1,3 м, что приводит к увеличению глубин на отмели и последующему усилению абразии берегов. В областях развития четвертичных многолетнемерзлых пород переформирование чаши и берегов водохранилища первоначально должно сопровождаться ощутимым увеличением его объема. Это связано: 1) с деградацией мерзлоты в пределах чаши водоема; 2) с уменьшением объема пород, содержащих подземный лед; 3) с всплыванием торфяников и последующим значительным уничтожением растительного детрита. Имеются данные, что увеличение объема Хантайского водохранилища за счет указанных процессов составило около 3-3,5 км3. Особые процессы расчленения береговых склонов происходят на водохранилищах, чаша которых располагается в кристаллических многолетнемерзлых породах. Так, трапповые породы (долериты, диабазы) в долине р. Вилюй до глубины 30-40 м включают большое количество льда либо льдистых отложений, заполняющих древние оползневые рвы и трещины. В результате образования Вилюйского водохранилища под воздействием отепляющего влияния воды лед и льдистые отложения во рвах и трещинах протаивают. На береговых склонах возникли и продолжают формироваться огромные каньонообразые провалы, ямы, рвы, воронки, пещеры, трещины и другие формы рельефа. Глубина их 30-40 и ширина от нескольких сантиметров до 5-8 м при длине 80100 м и более. Специфичны и процессы переработки берегов водохранилищ Средней Азии. Они находятся в долинах, выработанных преимущественно в малоустойчивых породах (аллювиальные и эоловые пески, каменные лессы и др.). В переформировании берегов существенное участие в этом пронимают эоловые процессы. Объемы разрушения берегов в результате действия ветра соизмеримы, а иногда и превышают волновые размывы. Действие ветра проявляется в непосредственном выдувании песков, слагающих берег, а также в выдувании песков с обнажившихся отмелей в периоды сработки водохранилища. Дефляция отложений отмели приводит к увеличению глубин, а отсюда и к увеличению размывающей энергии ветровых волн во время последующего повышения уровня воды в водохранилище. Высокая интенсивность процессов взаимодействия водной массы с берегами обусловлена очень большой продолжительностью безморозного периода (от 250 дней до года). Приведенные сведения показывают, что масштабы переработки берегов на крупных равнинных водохранилищах значительно варьируют. Однако, как правило, в период становления берегов в составе осадочного материала, заиливающего водохранилище, продукты абразии либо преобладает над его поступлением из других источников, либо незначительно уступают по количеству твердому стоку подпруженных рек. Так, например, в течение 15 лет существования в Новосибирском водохранилище в результате переработки берегов, размыва дна и островов ежегодно аккумулировалось 7,0 млн. м3 осадков. В Иваньковском, Угличском и Рыбинском водохранилищах в течение 40 лет после их создания сток наносов составлял от 17,5 до 38,9%, а продукты размыва дна и берегов от 58,1 до 66,1% от общего количества поступившего в них материала. Заиливание. В состав донных отложений водохранилищ входят: 1) автохтонное органическое вещество: 2) речные наносы; 3) продукты разрушения берегов и мелководий, а также выносов временных потоков; 4) эоловый материал; 5) антропогенные сбросы. Основную роль в заиливании обычно играют три первые категории вещества. Поступление речных наносов зависит, как это было показано в ряде предыдущих разделов, от природных условий и особенностей использования земель речного бассей164

на. Известные коррективы в это вносит степень интенсивности регрессивной аккумуляции в речных долинах, привязанных к водохранилищу. По-видимому, для горных водохранилищ этот фактор не существенен. В то же время на равнинах, особенно там, где они расчленены широкими долинами с пологими продольными профилями, в рукотворных морях и их верхних бьефах в результате регрессивной аккумуляции оседает значительная доля твердого и даже некоторая часть растворенного материала, несомого реками. Однако не весь обломочный материал, поступивший в водохранилище, оседает. Его доля, выносимая в нижний бьеф, бывает довольно значительной, если ее сравнивать с речным твердым стоком. В водохранилищах США в большинстве случаев оседает до 85% речных наносов. Но отклонения от указанной цифры бывают значительными в обе стороны. Например, Новосибирское водохранилище удерживает 97% вносимых в него речных наносов. Создание водохранилища может быть лишено всякого смысла, если оно не опирается на обоснованный прогноз темпов его будущего заиливания. В настоящее время уже существуют водохранилища, полностью выполненные наносами и лишенные функций накопителя и регулятора речных вод. Однако поскольку прогнозы заиливания искусственных водоемов в большей или меньшей степени отличаются от натурных наблюдений, изучение заиливания водохранилищ является практически важным. Хорошо изучены в этом отношении верхневолжские водохранилища: Иваньковское, Угличское и Рыбинское. Эти водоемы в большей мере заполняются илами, часто опесчаненными. При этом в них сохраняются значительные площади, лишенные донных осадков. Песчаные наносы откладываются в Угличском водохранилище на глубинах менее 2 м, в Иваньковском - на глубинах до 4 м, а в Рыбинском - до 10 м. Существенную роль в осадконакоплении в водохранилищах играет органическое вещество. В южных водохранилищах Европейской части России преобладает автохтонное органическое вещество, а в северных аллохтонное. В торфянистых илах Рыбинского водохранилища содержание Сорг равняется 30-35%, в осадках Горьковского водохранилища - 2-5%, Киевского - 3,3%, Кременчугского - 2,9-5,2%, Каховского - 3,3-5,5%, Цимлянского, Веселовского и Новотроицкого - 1,5%. Высокие запасы органического вещества в донных осадках сочетаются со значительным присутствием в них биогенных веществ. В связи в этим донные илы равнинных водохранилищ рассматриваются как огромный потенциальный источник удобрений. Однако пока биогенные вещества донных илов, в особенности на водохранилищах со значительными колебаниями уровня, служат существенным фактором их эвтрофикации, поскольку при взмучивании донных осадков биогены вновь возвращаются в воду. Кроме того, по-видимому, далеко не каждое водохранилище может быть использовано для добычи из него илов-удобрений из-за загрязнения последних тяжелыми металлами, поверхностно-активными веществами и ядохимикатами. Такое загрязнение имеет место там, где к водохранилищу примыкают крупные города, горнодобывающие центры или поля, интенсивно обрабатываемые пестицидами. При наличии каскада водохранилищ наибольшую роль в их заиливании играют продукты разрушения берегов и мелководий. Скорость заиливания относительно небольшого Иваньковского водохранилища (1,12 км3) равна 0,7% в год. Между тем, Рыбинское водохранилище, имеющее полный объем 25,4 км3 и к тому же образованное в озерной котловине, потеряло лишь немногим более 1% емкости за срок в 25 лет! Сле165

довательно, средняя скорость убывания его емкости на полтора порядка ниже и равняется 0,04% в год. Быстрее заиливается Новосибирское водохранилище, теряющее около 0,2% в год своей емкости. У крупных равнинных водохранилищ потеря емкости снижается во времени. Приплотинные участки водохранилищ и затопленные русла заиливаются в 1,5-3,5 раза интенсивнее остальных. Снижение средней скорости роста слоя донных осадков в водохранилищах объясняется не только прогрессивным уменьшением поступления осадочного материала, но и уплотнением этого слоя по мере аккумуляции. Для прогноза срока заиления американские авторы используют статистику по седиментации в зависимости от размеров водохранилищ. Водохранилища США с объемом более 1,24 км3 ежегодно теряют в среднем около 0,16% емкости, для водохранилищ с объемом от 12,4 до 124 тыс.м3 этот показатель в среднем составляет 2,7%, а для водохранилищ с объемом менее 12,4 тыс.м3 - в среднем 3,5%. Однако в экстремальных случаях заполнение водохранилищ происходит очень быстро. Это в первую очередь относится к горным водохранилищам, созданным на реках с аномально высоким твердым стоком. Так, Чирюртское водохранилище на р.Сулак одной из наиболее мутных на Кавказе и, по-видимому, в мире - заилилось на 100% своего объема (94-95 млн.м3) в течение 10 лет с 1959 по 1968 г. В настоящее время в водохранилищах мира аккумулируется огромное количество осадочного материала, вполне соизмеримое с речным твердым стоком в океан. Борьба с заилением. При значительных уклонах дна водохранилища (более 0,2 м/км) потоки с большим количеством наносов могут проходить через отверстия в плотине. Обычно отверстия открывают во время паводка. Так в плотине построенного в 19601962 гг. водохранилища Саньмынься на р.Хуанхэ этим способом удается противостоять заиливанию, несмотря на принос рекой колоссальных масс наносов порядка 1,5 млрд.т/год. В условиях малых уклонов количество изъятого материала бывает столь невелико, что усилия по промывке не оправдываются. Однако в Алжире, где цена воды очень высока, в голове водохранилищ иногда устраивают дополнительную плотину, задерживающую наносы. Периодически в этой плотине открывают ворота, и наносы транзитом проносятся с паводковой волной через главную часть водохранилища в нижний бьеф. Искусственное осаждение взвесей и очистку воды в водохранилищах проводят с помощью химических веществ, что позволяет избежать полного заиления водоема. Для ускорения выпадения взвешенного материала в верхней части водохранилища на дно вводятся безвредные химические вещества. Здесь специально отведенное место служит искусственной ловушкой наносов. При достижении определенного уровня последние извлекаются землечерпательными устройствами. 8.7. Подтапливаемое окаймление. В равнинных условиях на территории, прилегающей к водохранилищу, происходят большие изменения в подземном пространстве. Аккумуляция подземных вод. Образование водохранилища обычно сопровождается увеличением запасов подземных вод на окаймляющей площади. Так, например, в зоне влияния крупных равнинных водохранилищ на Волге и Каме повышение уровня подземных вод в связи с подпором захватило по ширине километровую полосу, вытянутую на несколько тысяч км. Запасы подземных вод здесь стали исчисляться десятками км3. В районе г.Братска уровень водоносного горизонта в песчаниках после создания водохранилища поднялся более чем на 100 м. 166

Активизаци подземных процессов. Подъем уровня грунтовых вод вызывает подтопление низинных участков, примыкающих к водохранилищу. В подзоне сильного подтопления (с глубиной залегания грунтовых вод менее 1м) в гумидных областях происходит заболачивание, а в аридных - вторичное засоление почв. В подзонах умеренного и слабого подтопления грунтовые воды находятся соответственно на глубинах 1-2 и 23 м и от поверхности. В этих подзонах также наблюдается интенсивная трансформация почвенного и подпочвенного слоев. Большой негативный эффект от подтопления имеет место в областях развития трещиноватых карстующихся карбонатных и загипсованных пород. Так, подтопленные Братским водохранилищем сельскохозяйственные земли, располагающиеся в месте развития указанных пород, нарушаются деформациями и провалами из-за активизации карста, суффозии и подземного размыва. В прибрежной полосе шириной 50-100 м выщелоченные черноземы деградируют из-за вторичного засоления с образованием корковых солончаков и часто с накоплением гипса. Согласно Т.П.Федосеевой, на каждую тысячу гектаров земель, занятых под водохранилища, в России приходится 100-270 га подтопленных угодий, в том числе 70-150 га используемых для сельского хозяйства. Катастрофические затопления побережья. Они отмечены вокруг Вилюйского водохранилища, в которое в основном впадают реки, текущие с юга и поэтому вскрывающиеся гораздо раньше, чем освобождается ото льда рукотворное озеро. На границе со скованным мощным ледовым панцырем водохранилищем, в устьях рек весной формируются громадные заторы и скапливаются столь большие массы льда, что поздней весной его таяние приводит к подъему уровня резервуара, реально угрожающего близ расположенным поселкам и промышленным объектам. 8.8. Нижний бьеф. В этой зоне влияния водохранилища особенно неприятными являются негативные изменения земельных ресурсов, а иногда и гидрометеорологических условий. Трансгрессивная эрозия. Основным процессом в нижнем бьефе водохранилища является ускоренная глубинная эрозия. Она возникает из-за того, что русло реки до зарегулирования взаимодействовало с потоком, содержащим определенное, нередко значительное количество наносов. С того момента, как большая часть речного твердого стока начала оставаться в водохранилище, характер взаимодействия между руслом и осветленным потоком становится иным и оказывается направлен на восстановление прежней - бытовой мутности реки. Глубинная эрозия вначале проявляется на приплотинном участке реки и затем трансгрессивно распространяется вниз по течению. Скорость продвижения “переднего фронта” трансгрессивной эрозии составляет на больших равнинных реках несколько километров, а на горных несколько десятков километров в год. Глубинная эрозия резко преобладает над боковой. Размыв берегов становится менее интенсивным, чем до зарегулирования реки. Заметно меняется форма сечения русла, ложе речного потока расширяется в придонных слоях, и средняя глубина русла увеличивается. Происходит снижение уровня воды в реке, особенно заметное при малых расходах. Скорость снижения уровня зависит от уклона и расхода воды и, кроме того, от состава донных отложений. На различных гидроузлах она колеблется от 1-2 см до нескольких десятков см/год. Если под русловым аллювием залегают рыхлые отложения, то в этом случае трансгрессивная глубинная эрозия должна приводить к значительной 167

трансформации продольного профиля реки. Меняется и поперечное сечение русла. По мере врезания главного водотока отмирает большинство второстепенных рукавов. Примером может служить р.Обь. На ней глубинная эрозия ниже Новосибирского водохранилища распространялась вниз по течению со скоростью 12-15 км в год и в настоящее время видоизменила отрезок реки протяженностью 300 км, т.е. до устья р.Томь. При этом изменилась форма живого сечения русла: местами средняя глубина и ширина последнего за почти 40 лет увеличилась более чем в два раза. Большой объем карьерных разработок аллювиальных песков в русле привел к значительному увеличению емкости русла непосредственно вблизи плотины. Это привело к дополнительному снижению уровней, достигшему в итоге 1,5 м по сравнению с бытовым режимом. Снижение уровня половодья на зарегулированных реках приводят к интенсивной глубинной эрозии в низовьях притоков. Благодаря этому из них выносится такое количество наносов, которое не в состоянии сразу удалить зарегулированная река. Так, Северский Донец в первые годы эксплуатации Цимлянского водохранилища буквально перекрывал своими выносами русло Нижнего Дона, а глубина плесов в низовьях названного притока увеличилась в 2-3 раза. С усилением эрозии в нижнем бьефе водохранилища связана трансформация поймы в первую надпойменную террасу. Ускоренная глубинная эрозия в нижних бьефах водохранилищ продолжается до тех пор, пока не установится новое равновесие между речным потоком и руслом. До этого времени идет интенсивное удаление материала с речного дна, происходящее на очень большом его отрезке. Так, на р. Оби, ниже Новосибирского водохранилища, восстановление бытовой мутности происходит лишь через 500-600 км, а на р. Енисей ниже Красноярского водохранилища - более чем через 1000 км. Насыщение осветленных вод наносами происходит в первую очередь за счет вымывания из донных отложений мелких фракций. Поэтому всюду, где такое вымывание имеет место, происходит погрубение поверхностного слоя русловых образований. После нескольких лет эксплуатации донные отложения становятся хорошо промытыми и поддаются интенсивному взвешиванию только при форсированных сбросах воды из верхних бьефов, например, в период паводков. В условиях небольших и средних сбросов воды преобладающим видом транспортировки наносов в нижнем бьефе является их перемещение в придонном слое потока. После строительства плотины им. Гувера на р. Колорадо произошло углубление ее русла на расстоянии около 150 км. При этом в ниже расположенное водохранилище Хаваси было дополнительно привнесено около 130 млн. м3 наносов. Однако не во всех реках может происходить полное восстановление бытовой мутности при их зарегулировании. Нередко расстояние от устья до нижней плотины оказывается для этого недостаточным, как это, например, имеет место на реках Волга и Дон, у которых среднегодовая мутность после зарегулирования вплоть до устья остается более низкой по сравнению с бытовой. Осуходоливание поймы. Понижение уровня грунтовых вод на пойме в связи с опусканием уреза воды в русле реки приводит к превращению почвы из гидроморфной в автоморфную. В связи с этим же меняется состав растительности. Так, например, на пойме р. Дон луговая растительность замещена степной, в связи с чем здесь стали проявляться эоловые процессы. Но беда, связанная с осуходоливанием поймы в нижних бьефах равнинных рек, заключается в потере их биологической продуктивности, в своеобразной дигрессии бывших когда-то заливными пастбищ без какого-либо воздействия пасущихся животных. Так на осуходоленной высокой пойме Оби, в нижнем бьефе Новосибирского водохра168

нилища, на 100-километровом отрезке ниже плотины произошло замещение луговой растительности не имеющими никакой кормовой ценности ассоциациями с преобладанием дикого хрена. Ботаники, установившие это, мрачно шутили, что благодаря гидростроителям обская пойма стала хреновой. Осуходоленная обская пойма к тому же подверглась перевыпасу, в связи с чем практически потеряла свою кормовую ценность. Между тем, вблизи Новосибирска, согласно В.В.Суркову, участки прежде заболоченной притеррасной поймы ныне оказались осушенными и интенсивно застраиваются. Зимняя полынья. Участки рек, превращенные в так называемые нижние бьефы водохранилищ, там, где они должны покрываться устойчивым ледяным покровом, во многих случаях теряют это свойство. В нижнем бьефе образуется и функционирует зимняя полынья, т.е. незамерзающая даже в самые лютые морозы река, а сменяющий ее ниже по течению покров льда оказывается непрочным, неровным и несплошным. Таким образом, ниже каждой крупной плотины зимой возникает непреодолимая преграда для миграции животных и для поддержания хозяйственных связей. Например, на р.Енисей зимняя полынья тянется от Дивногорска, что в 30 км выше Красноярска, и почти до устья Ангары. К концу зимы ее длина сокращается. Обычные изменения протяженности зимней полыньи р.Енисей составляют от 280 до 50 км. Протяженная зимняя полынья - результат поступления в нижний бьеф больших масс воды с температурой порядка 8-9О, что и имеет место при создании глубоких водохранилищ на крупных реках. Зимняя полынья есть и на Оби ниже Новосибирской ГЭС. Подтопление земель. Одним из наиболее неожиданных последствий строительства плотин на сибирских реках стало подтопление земель на отдельных участках в нижнем бьефе. Подтопление возникает при формировании заторов из шуги в незамерзающей части реки. Ледовая “каша” вместо ледостава. Зимой ниже Вилюйской ГЭС расход воды в реке намного превышает свойственный периоду зимней межени. В моменты особенно значительных попусков вода прорывается из-подо льда обычно у берегов и превращается в наледи. Процесс идет в течение всей зимы, и в результате лед покрывается кашеобразной массой слоем до полуметра и больше. По льду р.Вилюй теперь невозможно перемещаться на каком-либо транспорте, и даже переправа в этих условиях неосуществима. Река утратила свое значение как зимняя магистраль на протяжении более 1000 км, т.е. от плотины до устья, и стала опасным барьером для мигрирующих с берега на берег животных (Фоминых, Чигир, 1988). Избыточная аккумуляция наносов. Ниже плотины это происходит, когда водохранилище начинает терять свою водорегулирующую функцию из-за заполнения значительной части объема донными осадками. Такое наблюдалось в Средней Азии на горных реках с высокой мутностью, зарегулированных небольшими водохранилищами. Чем ближе водохранилище было к полному заилению, тем круче был уклон его дна и примыкающей выше по течению зоны подпора. Скорости течения в зоне подпора и в водохранилище росли, что приводило к увеличению транзита наносов через створ плотины. В результате поступления вод с повышенной мутностью (вместо ранее осветленных) в нижнем бьефе осуществлялась значительная по масштабам трансгрессивная аккумуляция наносов. Констративное развитие дна долины непосредственно ниже плотины было выражено особенно резко. Разбившись на рукава, река блуждала по наращиваемой кверху толще аллювия. Подъем уровня воды в реке вел к подтоплению прилежащих низменных участков. Отдельные рукава, мигрировавшие наиболее далеко вбок, осуществляли интенсивный размыв берегов. Подъем дна долины в месте примыкания к 169

плотине приводил к сокращению перепада между уровнями воды в верхнем и нижнем бьефе на такую величину, что пропускная способность плотины резко упала и возникла необходимость реконструкции гидроузла. Таким образом, сооружение небольших водохранилищ на реках с высокой мутностью вслед за обычным развитием в нижнем бьефе процессов трансгрессивной эрозии и понижения уровня воды в реке затем вызывает “захлестывание” наносами прилежащей к плотине части нижнего бьефа, что сопровождается целым рядом негативных последствий для хозяйственных структур значительного отрезка дна долины. Потеря потока биогенов. Так, после строительства Нурекского водохранилища на р.Вахш расположенные ниже по течению поливные земли, особенно в долине Амударьи, стали орошаться осветленными водами, содержание биогенных веществ в которых резко снизилось. Аналогичное воздействие оказала высотная Асуанская плотина на р.Нил, причем биогенных веществ лишились не только поливные земли в нижнем бьефе, но и экосистемы восточного сектора Средиземного моря, где уловы сардин упали со 150 тыс.т в 1964 г. до 554 т в 1966 г. Подробнее об этом - в разделе 6.4. 8.9. Разрушение плотин и катастрофические паводки. Эти явления возникают из-за недоучета эффекта геодинамических процессов, связанных с образованием плотин и водохранилища. Так, Тетонская земляная плотина высотой 93 м, сооруженная на р. Тетон в США, разрушилась в 1976 г. Течь, возникшая в правом примыкании, быстро увеличивалась. Несмотря на попытки ее закрыть, образовался прорыв воды с паводковой волной высотой 9 м. Было размыто 40% тела плотины и 115 000 м3 пород примыкания. Прорыв прибрежного примыкания произошел в результате интенсивной миграции глинистых частиц, слагавших ядро плотины, в открытые трещины скальных пород примыкания. Разрушение земляной плотины Сан-Фернандо в районе Лос-Анджелеса явилось результатом сильного землетрясения (магнитуда 6,6) в 1971 г. Под действием ускорения 0,5g произошла потеря прочности глинистыми породами основания и глинистыми материалами тела плотины, их разжижение и оползание. Наиболее вероятной причиной аварии земляной плотины Бодвин Хил в штате Калифорния в 1963 г. является проседание области водохранилища, вызванное нефтяными разработками. 8.10. Катастрофическое переливание воды через плотину. Примером этого явления может служить наводнение на р. Пьяве в Италии в октябре 1963 г. Водохранилище, образованное одной из крупнейших арочных плотин, неожиданно переполнилось, когда в него сошел крупный оползень. Перелившись через гребень плотины, вода устремилась по руслу реки, но быстро переполнила его, затопила и разрушила г. Лангорне. При этом несколько тысяч человек погибло. 8.11. Вызванные землетрясения. Впервые возбужденная сейсмичность под воздействием создания крупного водохранилища была установлена на оз.Мид (около 6 тыс. толчков за 1937-1944 гг.). Землетрясения, возбуждаемые заполнением водохранилищ, имеют определенные особенности. Они возникают в зонах природных тектонических нарушений. Сейсмоактивность индуцируется лишь при создании водоемов объемом более 1 км3 и глубиной свыше 90 м. Примерно четверть всех водохранилищ с такими параметрами вошли в летопись природы как возбудители сейсмических толчков. В этих случаях имела место гидравлическая связь между сейсмогенными трещиноватыми пластами и рукотворными акваториями. Появление водохранилищ ускоряло возникновение землетрясений. 170

Печальную известность приобрело землетрясение в районе города Койнанагар. Ранее данный участок Деканского плоскогорья считался асейсмичным. Землетрясение было спровоцировано созданием водохранилища Койна с плотиной высотой 103 м и объемом 2,78 км3. Максимальная глубина водоема достигала 100 м. В момент одного такого переполнения акватории и произошла беда, хотя несильные подземные толчки были и раньше. В ночь с 10 на 11 декабря 1967 г. сейсмический удар в эпицентре силой более 8 баллов разрушил 80% домов в Койнанагаре. Погибло около 200 человек, свыше 1500 человек было ранено, несколько тысяч жителей осталось без крова. Толчок ощущался в радиусе 700 км, причем сильные колебания поверхности отмечались в Бомбее, на расстоянии 230 км. Сопоставимое по силе землетрясение имело место лишь в Греции, к западу от города Пинд, в результате создания на р.Ахелоос водохранилища Кремаста. Несмотря на то, что в прилежащем поселке разрушению подверглись 1680 домов, погиб только один человек и 60 было ранено. Всего с августа 1965 г. по февраль 1966 г. в районе водохранилища зафиксировано 740 толчков, а разрушительный удар имел место 5 февраля. Необходимо заметить, что образование крупных водохранилищ не единственный путь воздействия на глубинный режим литосферы. Землетрясения могут наводиться закачками флюидов для активизации пластов при добыче нефти или с целью захоронения отходов; они сопровождают каждый подземный ядерный взрыв. 8.12. Образование мульд в литосфере. Вызванные землетрясения в местах создания водохранилищ коррелируются с прогибанием их дна и окаймляющей зоны под нагрузкой плотины и водной массы. Однако нисходящее движение литосферы, видимо, проявляется в местах создания всех крупнейших водохранилищ. В районе г. Братска под действием веса плотины длиной 3,7 км и высотой 126 м произошла осадка диабазов и песчаников основания на 8 мм еще до перекрытия Ангары. Затем, как и на Красноярском гидроузле, осадка резко увеличилась. Она достигла 63,6 мм при напорном уровне Братского моря около 70 м. Показательно, что с увеличением столба воды осадка увеличивалась от берегов к прежнему руслу, а воронка оседания распространилась на 2-3 км в сторону от водохранилища, достигнув 9-10 км в поперечнике. Строительство плотины им. Гувера в нижней части Большого каньона р. Колорадо закончилось созданием водохранилища (оз. Мид) с толщиной водного столба до 150 м и общим весом воды около 37 млрд. т. В 1935 г. в самом начале заполнения водохранилища Мид была осуществлена высокоточная нивелировка по нескольким линиям, часть из которых пересекала его чашу. В 1940-1941 гг. нивелирование было повторено по линиям общей длиной около 1100 км. Возможное прогибание коры под нагрузкой водной массы составило максимально 18 см при субконцентрическом протяжении изолиний вокруг контура водохранилища. Величина прогибаний в течение периода наполнения водохранилища до 80%-ного объема достигала 12 см. После наполнения водохранилища прогибание земной коры либо прекратилось, либо стало менее интенсивным. Согласно второй точке зрения, оно достигло 20 см к 1963 г. При этом скорость прогибания упала на порядок, от 20 мм/год до 2,3 мм/год. На основании сведений о вызванных движениях литосферы, имеющихся также для ряда других районов с крупными водохранилищами, А.А.Никонов сделал общие выводы относительно влияния нагрузки крупных водохранилищ на земную кору. Такие факты, как возникновение чаши прогибания вслед за появлением водохранилищ и сов171

падение в общих чертах участков максимального прогибания с участками наибольших глубин водохранилищ, позволяют считать, что нагрузка крупных водохранилищ, как и городов, - причина локального прогибания земной коры. Под дополнительной нагрузкой в 2-10 кг/см2 прогибание верхних частей земной коры превышает 10 см. Скорости прогибания (порядка 1-2 см/год) при резко приложенных дополнительных нагрузках очень велики. На платформах соизмеримые по скорости движения могут быть связаны еще только с изменениями нагрузки при материковом оледенении и дегляциации. Применительно к областям с повышенным фоном напряжений важен вывод о возможности проявления движений со скоростью порядка 1 см/год и возникновении землетрясений (с максимальной магнитудой 5-6) на платформах при изменении приложенного на поверхности давления порядка первых кг/см2. Прогибание литосферы под нагрузкой крупных антропогенных объектов можно рассматривать как крупномасштабный антропогенный резонансный процесс. 8.13. Регрессия конечных водоемов стока. Безвозвратное использование воды из водохранилищ на различные нужды и большие потери ее за счет испарения приводят к значительному понижения уровня проточных и бессточных озер, в которые впадают зарегулированные реки. Такая природноантропогенная регрессия в настоящее время свойственна, например, оз.Балхаш и особенно Аральскому морю. Во всех перечисленных случаях с регрессией связан целый комплекс неблагоприятных последствий. Информация о катастрофе Арала дана в другой главе. 8.14. Потеря поселений, земель и дикой природы. Волна гидростроительства поднялась в России еще в довоенное время, когда началось покорение Волги и других рек, часть которых ныне стали зарубежными. Статистика умалчивает о том, сколько людей было выселено из родных деревень и даже городов, уходивших под воду. Между тем, только при создании Новосибирского водохранилища ушли под воду 54 населенных пункта и были затоплены 281 км2 сельскохозяйственных угодий. Газеты писали, как взрывают скальные берега Енисея для образования Красноярской плотины. Но нигде, по крайней мере в центральной прессе, ни слова не появилось по поводу незамерзающего Енисея, как его зимние воды вдруг разорвали хозяйственные связи между поселениями противоположных берегов реки (обычный водный транспорт зимой использовать невозможно) и как ухудшился климат и экологические условия в Красноярске, а также ниже по течению в приенисейской полосе. Не было сделано подсчетов сколько ушло под воду сельхозугодий в Поволжье, Западной Сибири, Хакассии и Минусинской котловине, в Иркутской области с их черноземами и высокопродуктивными пойменными лугами. Гидростроители создавали фабрики электричества и взамен уничтожали лучшие житницы, пастбища и луга России, подрывая агропроизводство и ухудшая социальную структуру общества. И это в стране с самыми большими в мире запасами горючих ископаемых. А построенные гигантские ГЭС, например Красноярская, Братская и УстьИлимская, почти никогда не достигали проектной выработки электроэнергии. Существовал даже проект Салехардской ГЭС на Оби. Реализовать его не дали. А то бы Самотлор - нефтяное месторождение супергигант с его 6 млрд. т нефти осталось бы неоткрытым подо дном рукотворного моря. Ныне в печати встречается разрозненная информация о том, какой экологический и экономический ущерб несет создание гигантских плотин на равнинных реках и какой социальной трагедией оборачивается для местного населения их покорение. Примером 172

может служить ангарский каскад. Строительство трех водохранилищ на р.Ангаре - Иркутского, Братского и Усть-Илимского, привело, по И.Н.Иванову (1991), к следующим потерям: - затоплено 760 000 га земель, в том числе 230 000 га пахотных и пастбищных, 500 000 га - лесных и 30 000 га прочих земель, включая селитебные, на которых располагались города Балаганск и старый Братск, а также более 300 деревень; под водой оказался мост через Ангару и 110 км железной дороги; - при строительстве новых поселений и частичном переносе на новые места старых для размещения 102 тыс. жителей, выселенных из зоны затопления, природные лесные и лесостепные ландшафты на площади в несколько сотен тысяч гектаров превращены в городские и сельские; - при подготовке ложа водохранилищ производилась рубка и выжигание леса, правда “аутодафе”, как в Амазонии, не получилось; часть срубленной древесины и леса в прижизненном состоянии (35 млн.м3) были затоплены, из-за чего воды Братского и Усть-Илимского морей были засорены плавником, а придонные части акваторий из-за гниения биомассы заражены сероводородом. Отчасти в связи с вышеуказанными причинами произошла эвтрофикация водоемов, и в них исчезли ценные виды рыб - стерлядь, осетр, сиг, хариус, ленок, таймень; - из-за разрушения берегов водохранилищ волновой деятельностью и оползневыми процессами и процессами отседания, подтопления земель, окаймляющих акватории, и активизации карста и суффозии на них потеряно свыше 5300 га прибрежной полосы, разрушено или перенесено более 500 домов и ферм, переселено несколько тысяч жителей, потеряно свыше 3 млн. м3 древесины, которая попала в воду при размыве побережья; - огромный урон нанесен дикой природе, биоразнообразию и экологическим ресурсам; только из-за затопления 500 тыс. га тайги и 230 тыс. га лесостепи биосфера потеряла почти 100 млн.т фитомассы. В соизмеримых масштабах фитомасса была уничтожена при захвате природных, главным образом, лесных территорий под инфраструктуру хозяйства, перестроенного из-за эмиграции его из зоны затопления; - в условиях резко континентального климата с холодной зимой и достаточно жарким летом каскад ангарских водохранилища влияет на климат и фенологические фазы прилежащих территорий, удлиняя холодный период весной и теплое время - осенью; - незамерзающая Ангара (зимние полыньи тянутся от плотин Иркутской, Братской и Усть-Илимской ГЭС) стала причиной повышенной влажности воздуха иногда с образованием туманов в Иркутске, Ангарске, Братске и Усть-Илимске зимой, что способствует накоплению в воздухе загрязняющих веществ, отрицательно сказывается на здоровье сибиряков и работе транспорта, в особенности воздушного; - усилилась абразия берегов Байкала из-за увеличения на 1 м уровня воды в озере плотиной Иркутской ГЭС и ухудшились по той же причине условия нереста на прибрежных мелководьях, а вылов рыбопродукции упал в 2,5 раза; побережье (его протяженность 1800 км) отступило примерно на 4-20 м, причем местами подвергается размыву насыпь Транссибирской железнодорожной магистрали. Таковы только самые основные издержки создания рукотворных морей в Приангарье, где вскоре войдет в строй четвертое водохранилище каскада - Богучанское. Оно затопит земли одноименного, а также Кежмского районов. Касательно будущего рукотворного моря Л.А.Безруков и С.П.Елин провели впечатляющее социоэкологическое исследование. Оно показало: 173

- еще в середине 1960-х гг. жители многих поселений Богучанского и Кежмского районов имели родственников почти во всех населенных пунктах этой территории; - намечаемое переселение людей из зоны будущего водохранилища невольно активизирует распад семейно-родственных связей; - особенно тяжело переселение дается пожилым людям: старики буквально до последнего момента держатся за свои дома и огороды, а в новых поселках чувствуют себя чужими, будучи оторваны от родных мест и могил предков; - существенно ущемляется или даже сходит на нет хозяйство жителей упомянутых районов - земледелие в сочетании со скотоводством, рыболовство и охота, а также домашние промыслы (изготовление смолы, дегтя и др.); - отток старожильческого населения, понимающего, что рушится весь их жизненный уклад, происходит весьма болезненно и в очередной раз представляет собой трагедию, пережитую такими же людьми перед затоплением чаш водохранилищ действующего ангарского каскада; - ситуация в районе чрезвычайно осложнена из-за размещения в будущей чаше водохранилища колоний заключенных для производства лесоочистки и других подготовительных работ. Часть заключенных была расконвоирована. В местах их проживания резко возросла преступность; пьянство, разгул и хулиганство стали обыденным явлением. 8.15. Выводы. Создание водохранилищ и их каскадов меняет экзодинамику обширных территорий, а мероприятия, связанные с использованием накапливаемой воды, служат причиной распространения этих преобразований на еще большие площади. Экзодинамическое воздействие крупного водного тела на вмещающий его рельеф во многом развивается стихийно. Как бы человек не варьировал попусками воды в нижний бьеф, он не может приостановить абразию берегов, заиливание дна и др. Влияние крупных водохранилищ распространяется на территории, значительно превосходящие по площади сами водные объекты. Особенно чувствительные изменения в экзодинамику вносят крупные долинные водохранилица. Области их влияния четко подразделяются на функциональные зоны (участок влияния подпора, чаша водохранилища, зона подтопления, нижний бьеф), каждая из которых характеризуется своим набором природно-антропогенных процессов. Специфичен также и набор антропогенных процессов-следствий, в основном относящийся к чаше водохранилища. Ускоренный характер природно-антропогенных процессов свидетельствует о том, что переработка рельефа, не соответствующего параметрам зарегулированной реки и новообразованных подземных вод, происходит очень быстро, в особенности в первые годы. В регионах с контрастными по температурам сезонами многие водохранилища выступают как аккумуляторы тепла и холода. Термическое воздействие таких водохранилищ распространяется на прилежащие территории и часть нижнего бьефа. Мы привели весьма фрагментарные сведения о последствиях вторжения гидростроительства для природы и населения мало освоенного Приангарья, а в остальных случаях довольствовались узко научной информацией. Но даже этого достаточно для понимания, что при создании гигантских ГЭС в бывшем СССР не щадили ни природу, ни человека. Волюнтаризм, некомпетентность, экологическое варварство, насилие над людьми, и все это на фоне псевдопатриотической демагогии и шумихи, - вот что было характерно для такого рода “великих строек”, когда гигантские плотины расчленяли на куски созданные природой за многие миллионы лет главнейшие функциональные звенья биосферы, которые в той или иной степени были обустроены людьми и выполняли веками сложившиеся важные хозяйственные функции. Россияне гордились своими ве174

ликими реками, но не смогли защитить от технократического варварства тоталитарной системы ни Волгу, ни Обь, ни Енисей, ни Ангару. Создание водохранилищ - приводит к разрушению и отчасти погребению почвеннорастительного покрова, лишает местообитания и тем самым уничтожает животный мир и в зоне подтопления. Особенно серьезным возражением против широкого распространения крупных водохранилищ является безвозвратная потеря земель. Ограниченность земельных ресурсов в сумме с ростом населения обусловливает постоянный рост цены на землю. Особенно высока и продолжает расти стоимость продуктивных земель. А ведь, земельные ресурсы почти не восполнимы. И совершенно ничем невозможно компенсировать миллионы разрушенных человеческих судеб, которые были принесены в жертву выработке киловатт-часов на ГЭС Дона, Волги, Камы, Оби, Енисея, Ангары и других рек России. Особенно серьезный ущерб природе наносят каскады водохранилищ на равнинных реках. Ф.Я.Шипунов на примере бассейна р.Волги доказал, что эффект каскадности может быть катализатором ухудшения качества воды и опасных заболеваний ихтиофауны. Строительство водохранилищ часто создает сложные проблемы для городских и поселковых служб из-за негативного влияния подтопления на основания сооружений и коммуникации. Серьезный ущерб также причиняется сельскому и лесному хозяйству. 9 Каналы

9.1. Общие сведения. Эти искусственные звенья гидросферы создаются для разных целей и занимают неодинаковое положение в ее составе. Каналы могут быть искусственными фрагментами Мирового океана, т.е. являться самотечными морскими, бесшлюзовыми. Суэцкий канал протяженностью 161 км при ширине от 120 до 318 м и глубине фарватера в 18 м - пример такого сооружения. Построенный под руководством французского инженера Ф.Лессепса в 1859-1869 гг. канал оказался в зоне активных боевых действий в 1973 г. После этого он исправно функционирует, хотя, чтобы поддерживать его в рабочем состоянии, приходится драгировать дно, быстро мелеющее из-за оседания в канал материала пыльных бурь. Полагают, что объем осадков, удаленных со дна, многократно превысил бы вместимость канала. Так или иначе, на судах водоизмещением до 250 тыс.т за год провозят почти 250 млн.т грузов, и за эту нагрузку на Суэцкий канал в казну Египта поступает ежегодно около 1 млрд. долларов США. Панамский канал - шлюзовой. Он тянется 65,2 км по суше и в сумме 16,4 км по мелководному дну Панамского залива Тихого океана и бухты Лимон Карибского моря. Большая часть водной трассы с отметкой 25,9 м приурочена к искусственному оз.Гатун и Кулебрскому фрагменту прорытого канала. Ширина последнего 91,5 м, а также глубина в 12,5 м в пределах шлюзов являются лимитирующими габариты судов. Канал с 1979 г. принадлежит Панаме и ныне пропускает до 48 судов в сутки. За год на них провозится до 150 млн.т грузов. В последнее время ускоренными темпами заиливается оз.Гатун из-за ускоренной эрозии почв на полях прилежащих возвышенностей. Каналы, связанные с водоемами суши, тоже бывают самотечными, но, кроме того, и с искусственной подачей воды с низких участков на более высокие. Если морские каналы строятся почти исключительно для транспортных целей, то на суше искусственные водные артерии имеют более широкое хозяйственное назначение. Они устраиваются не только для создания водных путей сообщения (судоходные кана175

лы), но и для подачи воды на орошаемые поля, для осушения переувлажненных территорий и для получения электроэнергии, для лесосплава и для водоснабжения. Многие каналы используются одновременно для нескольких целей. В зависимости от назначения каналы могут различаться по своему положению в рельефе. Так, ирригационные каналы проводят по возвышенным по отношению к орошаемым угодьям местам. В этом случае вода самотеком может поступать на поля. Осушительные каналы устраиваются в наиболее пониженных местах. Деривационные каналы, подводящие воду из реки к гидроэлектростанциям, проводятся с уклонами значительно меньшими, чем уклоны реки, из которой они забирают воду и, следовательно, трассируются по линии, отклоняющейся от простирания главных элементов дна долины. Строительство и эксплуатация каналов требуют проведения сложного комплекса мероприятий. Чтобы приспособить канал к рельефу местности, его русло обычно размещают не только в двусторонней выемке, но и в односторонней, сочетающейся с дамбой или подпорной стенкой, а иногда и в насыпном грунте среди дамб. Для борьбы с фильтрацией в каналах часто устраивают глиняный экран, представляющий собой слой глины мощностью 5-10 см, положенный на дно и откосы. Выше накладывается защитный слой грунта мощностью 15-30 см. Существуют и другие способы борьбы с фильтрацией. Для предохранения от размыва создается одежда канала из хвороста, камня, бетона, железобетона или асфальтобетона. Кроме того, производится укрепление подводных откосов инженерно-техническими или биологическими методами. В голове канала устраивается водозаборное сооружение, а на трассе - шлюзы и насосные станции. Сооружение крупных каналов всегда связано с гигантскими по масштабам земляными работами. Поэтому их строительство растягивается на длительное время. Так Великий (бывший Императорский канал) в Восточном Китае начали строить в 540 г. до н.э. Канал протягивается на 1728 км от Пекина до Ханчжоу. Он пересекает рр.Янцзы и Хуанхэ, использует выпрямленные и зарегулированные участки русел многих второстепенных рек. Это гидротехническое сооружение строилось и перестраивалось тысячелетиями. В России создание судоходных каналов началось при Петре I. Строительство канала между реками Тверцой и Цной длилось с 1703 по 1709 гг. Этот канал длиной около 30 км образовал Вышневолоцкую соединительную систему, по которой суда могли проходить непрерывно водным путем от Волги к Петербургу. Всего до революции за двести с лишним лет было построено около 800 км искусственных судоходных каналов. После революции в СССР построены такие крупные воднотранспортные системы, как Беломоро-Балтийский канал и канал им. Москвы, сданные в эксплуатацию соответственно в 1933 и 1937 гг. В 1952 г. вступил в строй Волго-Донской канал им. Ленина. 9.2. Канал Москва - Волга: пример обустройства. Представление о том, насколько сложной водохозяйственной системой является крупный канал, можно составить по сведениям о канале им. Москвы. Основное назначение канала им. Москвы - снабжение питьевой водой Москвы. Попутно решаются задачи водного транспорта, энергетики и обводнения р. Москвы и ее притоков. Канал начинается из Иваньковского водохранилища на р. Волге и проходит почти меридианально до с. Щукино на р. Москва. Общая протяженность его 128 км, из них 19,4 он проходит по водохранилищам и 108,6 - по искусственному руслу. Соответственно рельефу местности канал на протяжении 32 км проходит в выемке, наибольшая 176

глубина которой достигает 23,5 м, на протяжении 68 км - в полувыемке-полунасыпи и на протяжении 28 км - в дамбах, наибольшая высота которых доходит до 14 м. Уровни воды на рр.Волге и Москве подняты плотинами. Высота подъема воды с р.Волги на водораздел равняется 38 м. Ее подъем осуществляется 5 насосными станциями. При строительстве канала объем земляных работ составил 154 млн.м3. Это позволило сделать его широким (по дну 46 м). Поперечное сечение канала трапециоидальной формы с откосами 1:4 на высоту 4 м от дна и далее с откосами 1:2,5. В пределах воздействия судоходной волны откосы укреплены каменной кладкой. Участки в проницаемых грунтах общей протяженностью 15 км покрыты экраном из суглинистых грунтов. Расчетный расход канала (в м3/сек): летний - 131,5, зимний - 83,0. На канале построено свыше 240 сооружений. Главнейшими из них являются 9 земляных и 3 водосливных плотины, 4 гидроэлектростанции, 11 шлюзов, 5 насосных станций. Питьевая вода подается по специальному водопроводному каналу, берущему начало на водораздельном участке, из Учинского водохранилища. На случай ремонта канала предусмотрен второй водозабор из Пяловского водохранилища. 9.3. Каракумский канал: проблемы ирригационного гиганта. Экономический эффект, намного превосходящий некоторые негативные последствия, дает сооружение крупных оросительных каналов. Естественно, что чем больше канал, доставляющий воду к массивам орошаемых земель, тем сложнее и напряженнее осуществляются экзодинамические процессы, связанные с его функционированием. Таким является Каракумский канал. Строительство Каракумского канала, начавшееся в 1954 г., было жизненно важно для развития экономики Туркменистана. В 1975 г. канал протянулся на 837 км от верхнего течения Амударьи через Мургабский и Тедженский оазисы вдоль северной подгорной равнины Копетдага до Геок-Тепе. Ныне он достиг Казанджика и его длина составила около 1200 км при ширине в пределах первой очереди примерно 100 м, а скорости течения - 0,5-1 м/сек. Площадь земель, пригодных для орошения, достигает в зоне канала более 5 млн. га. Каракумский канал приспособлен к естественному снижению поверхности от 250 м на Амударье до −28 м у Каспийского моря. Общий уклон в западу в среднем составляет 0,25 м/км. В зоне канала развиты мощные четвертичные отложения аллювиального, пролювиального и эолового генезиса. Поэтому канал проходит преимущественно в мелкоземистых грунтах, среди которых преобладают грунты с высокой водопроницаемостью. Среди процессов, имеющих место в зоне канала, главными можно считать следующие: 1) эрозия и аккумуляция в искусственном русле; 2) увеличение минерализации воды; 3) зарастание русла и берегов; 4) фильтрация и связанные с нею явления, 5) вторичное засоление и заболачивание в полосе окаймления водной артерии. Эрозия и аккумуляция. Каракумский канал работает круглогодично с регулированием свободного зимнего стока в Хаузханском и Ашхабадском водохранилищах. Режим работы Каракумского канала близок к режиму р. Амударьи. Минимальные расходы воды канала имеют место зимой, когда в его голове они составляют 140-150 м3/сек, максимальные в середине лета (360 м3/сек). При водозаборе в Каракумский канал поступает значительное количество взвешенных наносов. При этом большая часть наиболее крупных фракций осаждается в подводящих каналах еще до головного сооружения. Некоторое представление об этом процессе дают сведения об объемах ежегодной очистки подводящих каналов. В 1960 г. с 177

их дна извлекалось 1750 тыс.м3 наносов, в 1961 г. - 1090, в 1967 г. - 4160, в 1968 г. 5160 м3. Поступление наносов в Каракумский канал составляет около 30 млн. т, причем 76% этого количества приходится на весенне-летний период, а остальные 24% - на осеннезимний. Наносы транспортируются до Келифских озер, где происходит их осаждение. Келифские озера в настоящее время близки к полному заилению. Вода из них выходит чистой с ничтожным содержанием наносов. Тем не менее ниже озер русло канала непрерывно видоизменяется. По его дну перемещаются скопления наносов самых различных размеров: гряды длиной в несколько метров, побочни и осередки длиной в десятки и сотни метров. Ниже Келифских озер мутность воды в канале постепенно возрастает за счет размыва берегов потоком, судовыми ветровыми волнами, а также выпадения эолового материала. Ее значения колеблются от 15 до 106 мг/л на участке 100-300 км и от 150 до 300 мг/л на участке 300-745 км. Преобладающими фракциями наносов вод Каракумского канала являются частички с размерами 0,05-0,01 мм и < 0,01 мм. Заиливание канала идет такими темпами, что для борьбы с ним применяются большое число земснарядов. Они не только освобождают канал от наносов, но и планомерно расширяют русло для пропуска по нему больших объемов воды. На канале, подобно нормальной реке, сейчас развились излучины, возникли плесы и перекаты. Озерные котловины, полностью выполненные наносами, стали напоминать русла рек, находящиеся в стадии агградации и характеризующиеся наличием многочисленных проток и островов. Сила боковой эрозии на канале такова, что в местах, где он проходит в насыпи, постоянно ведутся работы по предупреждению прорыва дамб, ограничивающих канал. Возрастание минерализации воды. Протекая по каналу на громадное расстояние, вода делается худшего качества. Увеличение содержания в ней солей - серьезное негативное явление. Оно происходит в основном за счет вымывания солей и потерь на испарение, особенно значительных на озерах. В целом минерализация воды меняется примерно от 250-300 мг/л в пределах нижнего двухсоткилометрового отрезка канала до 450-600 мг/л на отрезке 450-600 км. Можно предположить, что в Казанджик притекает вода с минерализацией свыше 1 г/л. Между тем, минерализация поливной воды свыше 500 мг/л отрицательно сказывается на урожайности культур. Зарастание. Развитие водной растительности происходит особенно интенсивно на участках с низкими скоростями, т.е. главным образом в озерах и водохранилищах. Зарастание дна, развитие планктона и эвтрофикация приводят к снижению качества воды в канале. Одновременно уменьшается его пропускная способность. Образование полосы наземной растительности вдоль берегов канала изменило структуру теплового баланса этой ожившей части пустыни. В естественной пустыне поглощаемое тепло расходовалось на турбулентный теплообмен и эффективное излучение, с появлением же после проведения канала пышной влаголюбивой растительности большая его часть стала расходоваться на испарение путем транспирации. Аналогичные изменения, хотя и в несколько меньших масштабах, произошли на всех вновь созданных орошаемых угодьях. Естественным следствием всего этого является существенное преобразование в зоне канала микроклимата, связанных с ним таких факторов, как гидротермический режим, режим ветров и др. Фильтрация. Основную часть общих потерь воды в Каракумском канале составляют потери на фильтрацию. Они достигали первоначально 65-50% общего расхода воды. По 178

мере увеличения времени эксплуатации канала потери воды стали меньше и составили в 1970 г. 20-30%. Вне оазисов фильтрации вод из Каракумского канала сопровождается подъемом и формированием грунтовых вод на прилегающей к каналу местности. Однако этот процесс пока не привел к широкому развитию солончаков. Например, за время работы первой очереди канала воздействие фильтрационных вод проявилось на площади порядка 4500-5000 км2, из них к концу 1974 г. солончаки занимали всего 40 км2. При этом часть из них существовала и ранее. Воздействие фильтрационных вод проявляется преимущественно в пределах полосы 5-25 км по обе стороны от канала. При этом в понижениях рельефа возникают фильтрационные озера или заболоченность. В дельтах Мургаба и Теджена из-за несовершенства систем орошения в пределах оазисов и из-за слабого развития дренажных систем быстрый подъем уровня грунтовых вод привел к вторичному засолению почв. 9.4. Другие проблемы, связанные с ирригацией. Одна из проблем, связанная с эксплуатацией ирригационных каналов, - просадки. А.А.Мустафаев проанализировал особенности просадочных явлений на различных оросительных системах Закавказья, Северного Кавказа и Средней Азии и пришел к выводу об их сходстве. Большинство каналов, на которых наблюдались и наблюдаются просадки, проходят в областях развития покатых предгорных равнин, сложенных пролювиальными отложениями. Группы просадочных участков в основном состоят из лессовидных суглинков, которым свойственны большая пористость и низкая влажность. Возникают просадки обычно после первого попуска воды - иногда через несколько дней, а иногда и через несколько часов и продолжаются в течение ряда лет, постепенно затухая. Просадка грунтов проявляется прежде всего в оседании дна канала и прилегающих к нему участков. Просадка дна сопровождается нарушением целостности массива, который распадается на ряд террас, разделенных зияющими трещинами. Последние в большинстве своем располагаются параллельно каналу, окаймляя его с обеих сторон. Поскольку не все участки канала испытывают просадку, то распространение трещин носит очаговый характер. Там, где просевший участок заканчивается, трещины приближаются к каналу, пересекают его и смыкаются с трещинами с другого берега. Террасы проседания, заключенные между трещинами, образуют обычно несколько эллипсов проседания, вложенных друг в друга и вытянутых вдоль оси канала. Длина этих эллипсов бывает различна. На одних объектах она достигает нескольких десятков метров. На других эллипсы проседания, накладываясь друг на друга, образуют протяженные участки свыше 1 км. Просадка дна обычно достигает 1 м, в редких случаях 2 м. Ширина трещин не превышает нескольких дециметров. Книзу трещины сужаются и на глубине искривляются в сторону канала. Максимальная глубина их 10-15 м. Террасы смещаются друг относительно друга на 0,5 м каждая. Самые значительные просадки имеют место на территориях с глубоким залеганием грунтовых вод. На равнинах просадки дна канала могут существенно не повлиять на его работу. Однако в условиях пересеченного рельефа даже небольшие деформации легко приводят к прорывам бортов канала. Для борьбы с последствиями просадок дна каналов предложен ряд мер. А.А.Мустафаев считает, что хорошие результаты дает заполнение пульпой трещин, образовавшихся при просадках. 9.5. Выводы. Режим наземных каналов почти полностью задается и регулируется человеком. Поэтому большинство феноменов экзодинамики в зоне канала являются ан179

тропогенными процессами-следствиями, чего нельзя сказать о водохранилищах, питаемых речными водами. Для функционирования наземного канала, как правило, необходимо расходовать энергию. Для сохранения крупного долинного водохранилища этого можно не делать длительный срок. Такова принципиальная разница между наиболее типичными представителями двух рассмотренных категорий водохозяйственных объектов. 10. Лес - “шагреневая кожа” цивилизации

Леса называют легкими планеты. Но это не отражает в полной мере их роли в биосфере. Полноценные лесные ландшафты - это самые высокоразвитые и сложноорганиэованные составляющие биосферы. Только в так называемых дождевых или влажнотропических лесах сконцентрировано не менее 20-30% всех видов живых организмов от известных на Земле. А, возможно, и гораздо больше. Эти леса - самые крупные хранилища генофонда биосферы. Многообразие экологических, хозяйственных и социальных функций леса поразительно, и утрата лесов была бы непоправимым бедствием для человечества. Лесную растительность можно с полным правом назвать “шагреневой кожей” цивилизации. Хаос неорганической природы, который можно наблюдать на антропогенных пустошах - это запыленная атмосфера, мутные потоки, изборожденный рытвинами и промоинами рельеф. Такое имеет место, когда колебания температур, влажности, замерзание и оттаивание, смыв, выдувание и другие экзодинамические процессы с большой энергией обрушиваются на незащищенную поверхность литосферы и когда так называемая физическая (механическая) денудация проявляется как бы в чистом виде. Живая природа на суше подавляет хаос неорганической материи во многом или в основном, переводя энергию физической денудации в биологическое движение материи и связанные с ним биогеохимические и биогеофизические процессы. Центральная роль в этом принадлежит лесу. 10.1. Дерево. Это эволюционно наиболее древний тип жизненной формы семенных растений, возникший около 400 млн. лет назад, самое совершенное творение природы и основа лесных ландшафтов. Дерево растет вверх, вниз и в толщину. Оно обладает достаточно развитым, одревесневшим стволом, разветвленным или неветвящимся, сохраняющимся в течение всей его жизни - от десятков до тысячи лет и более. По жизненным формам деревья объединяют в 5 типов: 1) лесного типа с единственным стволом; 2) кустовидного типа с несколькими стволами, растущими из основания материнского ствола; 3) лесостепного, или плодового типа со стволом, рано теряющим преобладание в росте над боковыми ветвями; 4) сезонно-суккулентные деревья, практически безлистные с зелеными суккулентными однолетними побегами; 5) деревьястланцы, у которых главный ствол полегает на землю и укореняется (Булыгин, 1985). Отечественная дендрология выделяет деревья первой величины от 20 м и выше. Это основные лесообразующие породы: ель, пихта, сосна, кедровая сосна, лиственница, береза, осина, ольха черная, дуб, липа, ясень, некоторые виды клена и др. К деревьям второй величины - от 10 до 20 м - принадлежат рябина, ольха серая, черемуха, древовидные ивы и др. Высота деревьев третьей величины от 7 до 10 м. Это яблоня, боярышник сибирский, клен татарский, крушина, многие виды можжевельника, саксаул и др. Существуют и деревья-гиганты, например, секвойя и эвкалипт до 100 м и выше. Диаметр ствола у деревьев чаще бывает от 10 до 150 см, но у дуба, тополя, платана, каштана, секвойи может быть более 3 м, у баобаба - до 9 м и более. Обычная плотность 180

древесины составляет 400 кг/м3 или немногим более, но у лиственницы она достигает 620-700 кг/м3. При сгорании 1 кг абсолютно сухой древесины в среднем выделяется 19,621,4 МДж. Для бересты этот показатель равен 35 МДж. Химический состав древесины (сухой вес) таков: С - 49-50%, О - 43-44%, Н ~ 6%, N 0,1-0,3%, неорганическая часть (зола) - 0,1-1,0%. Для создания 1 г органического вещества (сухой вес) деревья расходуют на два порядка больше воды: дуб - 340 г, береза - 320, сосна - 300, лиственница - 260, ель - 230, бук - 170 г. Однако в экстремальных условиях, например при засухе, расход влаги может даже удвоиться. Деревья, как и другие растения, чутко реагируют на изменение условий произрастания. Так на Памире дуб зацветает на четвертом году жизни, а на равнине лишь в 10-15летнем возрасте. 10.2. Сколько леса осталось на Земле. Уничтожение лесов человеком продолжается несколько тысячелетий и печальное достижение в этой области измеряется внушительными цифрами. В раннем голоцене, 8-9 тыс. лет назад, под лесами было 6.2 млрд.га. Сначала были сведены леса на огромных пространствах Северного и Восточного Китая, затем в Индии, позже в Средиземноморье, в Западной, Центральной и Восточной Европе, затем в Северной Америке, частично в Африке и в Южной Америке. В настоящее время антропогенная нагрузка на лесные ресурсы и на лесные земли быстро растет. Ускоренными темпами сводятся леса в тропическом поясе. В умеренном поясе в широких масштабах происходит рекреационная дигрессия лесной растительности, а также заболевание и гибель лесов вследствие загрязнения воздуха. К 1995 г. леса сохранились на площади менее 3,5 млрд.га. При этом под сомкнутыми лесами находится менее 3 млрд.га, остальные немногим более 0,5 млрд.га - это различного рода редколесья и редины. В развитых странах под лесом находилась площадь в 1493 млн.га, а в развивающихся - в 1961 млн.га (State of the World’s Forests, 1997). Если расположить страны мира по степени убывания площадей находящихся в них лесов и выразить эти величины в процентах от мировой лесной площади, то получим следующий ряд: Россия - 22,1%, Бразилия - 15,9%, Канада - 7,1%, США - 6,2%, Китай 3,9%, Индонезия - 3,2%, Заир - 3,1%. На остальные чуть менее двухсот стран приходится 38,5%. Эти цифры хорошо объясняют причину повышенного внимания международных экологических организаций к российским лесам. Их сбережение во многом гарантирует сохранение экологических ресурсов планеты. Согласно последним данным ФАО площадь лесов в целом по миру сокращается ежегодно на 11,3 млн.га. В период 1990-1995 гг. главным образом в развивающихся странах леса сведены на площади 65,2 млн.га, в то время как в промышленно развитых странах и в странах с переходной экономикой лесопокрытая площадь возросла на 8,8 млн.га. Основная причина обезлесения - растущая потребность быстро увеличивающегося населения третьего мира в земельных площадях и продовольствии. 10.3. Экологические функции леса. Леса обладают способностью поглощать солнечную энергию в увеличенных дозах. Этим обеспечивается их высокая продуктивность и огромная фитомасса. Так, альбедо поверхности, где произрастает темнохвойная тайга, летом равняется всего 8-9%, а зимой составляет около 28%. В то же время для находящейся по соседству открытой местности сезонные показатели альбедо составляли летом 25% и зимой 93%. При сравнении величин радиационного баланса оказалось, что у леса он на 50-60% выше, чем у открытой местности. 181

Колебания температур в приземном слое воздуха в лесу и на открытой местности весьма значительны. Так, по С.Н.Голубчикову, наибольшие различия между температурой воздуха в лиственном лесу и в поле возникают в ясные, радиационные дни, причем в большей степени это обусловлено не площадью кроны, а суммарной общей площадью листовой поверхности дерева. Тем самым открывается путь к пониманию интересного явления. Оказывается, что поглощение деревьями тепла, включая и адвективное, прямо зависит от мощности их фотосинтеза, т.е. растительность, создающая большую тень, но обладающая невысокой продукционной способностью, не так эффективно снижает жару под своим пологом, как высокопродуктивная. В городских условиях, где идущие от улиц и домов потоки горячего воздуха буквально обжигают посетителей бульваров и парков, подбор древесных пород по принципу наибольшей продуктивности мог бы оказаться весьма полезным. Городским властям следует понимать, что неудачно расположив посадки деревьев и затем без конца проводя существенную подрезку их крон и ветвей, они не только впустую растрачивают деньги налогоплательщиков, но и сильно ухудшают экологическую обстановку Леса выполняют важнейшую работу по сохранению высокого качества воздуха. Кислород, вырабатываемый ими, качественно отличается от продуцируемого планктоном морей и океанов, так как насыщен ионами отрицательного заряда, благоприятно влияющими на организм людей. Хвойные леса умеренного пояса продуцируют в год в среднем 30 т/га кислорода, а лиственные около 16 т/га. Лесной воздух имеет ярко выраженные антимикробные свойства благодаря выделению деревьями специфических веществ, подавляющих развитие патогенных бактерий. В 1 м3 воздуха в лесу их содержится не более 500, тогда как в городе 36 000. Лесные насаждения отфильтровывают из воздуха пыль (ель - 32 т/га в год, сосна - 36, дуб - 56, бук - 63 т/га в год). Однако широколиственные ассоциации удаляют вдвое меньше субмикронных частиц, чем хвойные. Растительный покров, в особенности лесной, играет главную роль в очищении атмосферы от пыли. Лесная растительность обладает замечательными водорегулирующими свойствами. Так, леса умеренного пояса характеризуются следующими средними показателями перераспределения воды от суммы осадков: задерживается кронами - 30% ; поверхностный сток - 5%; физическое испарение и десукция напочвенным растительным покровом - 10%; внутрипочвенный сток - 10%; десукция древесным пологом - 30%: грунтовый подпочвенный сток - 15%. Высокой влагоемкостью обладают лесная подстилка и почва. Наименьшая водопроницаемость свойственна солонцовым почвам, а также сильно подзолистым суглинистым и глинистым, наибольшая - темно-серым почвам и особенно черноземам. Наилучшие водопоглощающие свойства у почвы при прочих равных условиях создаются под средневозрастными лесами, а в молодняках (до 20-25 лет) и в перестойных насаждениях (200-250 лет) они снижаются. Коэффициент стока в лесах колеблется от 0,01 до 0,09 на песчаных и супесчаных почвах; на глинистых почвах - от 0,12 в сосновых насаждениях до 0,38-0,58 в еловых. На луговых и других безлесных участках он составляет 0,50-0,96. 182

По О.И.Крестовскому, наиболее велика роль спелых и перестойных лесов в формировании водных ресурсов любого региона. Сглаживая сезонные контрасты расходов рек, такие леса к тому же не столь значительно транспирируют влагу, как молодые, средневозрастные и приспевающие. Тем самым больше воды поступает в сток. Даже изменение состава лесной растительности влияет на системы стока. Так, по С.Н.Голубчикову, причина вырождения части малых рек в Подмосковном регионе - это распространение елово-мелколиственных лесов на месте дубрав или смешанных лесов с участием дуба. При такого рода антропогенной сукцессии ухудшаются фильтрационные качества почвенно-элювиального слоя, соответственно увеличивается поверхностный сток и снижается подземный. Это и ведет к некоторой деградации бассейноворечных систем. Будучи зимой в мерзлом состоянии, лесные почвы все равно обладают значительной водопроницаемостью, тогда как промерзшие нелесные почвы обычно не пропускают воду. Под пологом леса глубина промерзания всегда меньше, чем на открытых пространствах. Исключение составляют лесные поляны или небольшие вырубки, где обычно скапливается аномально мощный снеговой покров, защищающий почву от глубокого промерзания. Глубже всегда промерзает почва в ельниках (порядка 0,6 м в Подмосковье) из-за малого количества снега на почве. В этой связи любопытны наблюдения С.Н.Голубчикова. Он указывает на полезную способность лиственных лесов в максимальной степени накапливать зимние осадки и тем самым снижать воздействие мерзлотных процессов на биоту почвенноэлювиального слоя. Ельники оказываются в этом отношении наименее ценными и, таким образом, необходимость их репродуцирования для целей более успешного ведения лесного хозяйства наталкивается на интересы улучшения экологического потенциала лесов. Таяние снега и оттаивание почвы в лесу происходит медленнее, чем на открытых пространствах. С.Н.Голубчиков приводит следующий ряд, характеризующий среднемноголетнюю интенсивность снеготаяния: опушка > поле > березово-осиновый лес > хвойно-мелколиственный > ельник. Таким образом, благодаря наличию леса растягиваются сроки половодья и снижаются его уровни. Более плавному ходу половодья способствует и то, что скорости внутрипочвенного стока в лесу обычно меньше, чем на пашне. С увеличением лесистости бассейнов рек на каждые 10% средний годовой слой стока с них увеличивается на 10-15 мм. Есть данные, что на облесенные водосборы выпадает больше осадков, чем на соседствующие с ними безлесные, например, представляющие собой гари. Леса выполняют колоссальную работу по восстановлению высокого качества водных ресурсов. У воды, прошедшей через лесные насаждения, уменьшаются мутность и цветность, увеличивается прозрачность, улучшается вкус и запах. Содержание нитратного и аммиачного азота в водах, прошедших через лесные насаждения, уменьшается на 25-60%. В равнинных условиях полоса леса шириной 30 м почти полностью задерживает продукты твердого стока, поступающие с безлесного пахотного склона длиной 190 м и крутизной 3°. Показателен такой пример. На пашне мутность потока составляла 14-19 мг/л, а ниже указанной лесной полосы она падала до 0,08-0,12 мг/л. Лесные насаждения очищают поверхностные воды от пестицидов. Наибольшим очистительным эффектом обладают сосновые и кленово-липовые ассоциации. Велика разница в бактериальном загрязнении воды, дренирующей лесные и нелесные земли, например, пастбища. В 1 л воды, поступающей в водохранилище с выгона, 183

обнаружено 920 кишечных палочек (коли-индекс), тогда как вода из сосновых насаждений содержала их в 18 раз меньше, а из смешанного дубового леса - в 23 раза меньше. Количество кишечных палочек в воде, проходящей через лесную полосу шириной 30-45 м, в 2-2,5 раза меньше, чем в стекающей с открытых площадей (Средоулучшающая роль леса, 1984). В горах леса выполняют не только водорегулирующую, но и противолавинную функцию. Наилучшими противолавинными свойствами обладают разновозрастные и разнопородные насаждения. Чрезвычайно полезны маргинальные леса Крайнего Севера, сдерживающие распространение тундровой зоны на юг. Всюду, где растет лес, практически отсутствует или относительно невелика эрозия почв. Таким образом, лесная растительность оздоравливает воздух, очищает воду, регулирует сток, защищает от разрушения почву, в повышенных количествах ассимилирует солнечное тепло, противодействует многим неблагоприятным природным явлениям. Лесная растительность выполняет главную работу по оптимизации биосферы. 10.4. Продукция леса. Во влажнотропических лесах на фотосинтез брутто- и неттопродукции соответственно используется примерно 4,5 и 1,5% от величины поступающей ФАР, доля поглощения которой обычно составляет около 40% от всей приходящей коротковолновой радиации. Под брутто-продукцией понимается весь прирост живой органической массы, включая расходуемую на дыхание; под нетто-продукцией - только чистый прирост. И та и другая измеряются в т/га⋅год, кг/м2 ⋅год, г/см2⋅год и т.п. Для листопадных лесов эти показатели соответственно равняются 1,6 и 1,0% для бореальных хвойных - 1,1 и 0,75%, для наиболее продуктивных природных травянистых сообществ - 0,6 и 0,5%, для площадей земледельческого использования 0,7 и 0,6%. Люди быстро уменьшают фитомассу лесов. Тем не менее на нее приходится основная доля планетарной биомассы. Из оставшихся на Земле 1300 млрд.т. фитомассы (сухой вес) на долю лесов приходится 1095, т. е. 84,2% (дождевые и сезонновлажные тропические леса - 36,5 %, вечнозеленые, листопадные и лесопосадки умеренного пояса 18,5%, смешанные леса - 3,2%, тайга - 23,0%, склерофильные леса и чапараль - 3,0%) и на остальную фитомассу только 15,8% (природные нелесные ассоциации - 13,8%, культурная растительность 2,0%). Таким образом, соотношение фитомассы тропических и всех прочих лесов примерно равно 3:4. Чистая годовая продукция мировых лесов определяется цифрами от 50 до 70 млрд.т сухого органического вещества, из которых 53% приходится на тропические леса. Только доля этой продукции может быть использована человеком в виде древесины, так как большая часть прироста, представленная корнями, листвой, плодами, тонкими ветками и т. п., обычно не утилизуется по экономическим и техническим причинам. Поэтому годовой прирост древесины, доступный для использования, составляет, по различным оценкам, от 7 до 10 млрд. м3. Специальное исследование по оценке прироста древесины в различных лесных формациях суши свидетельствует, что по этому показателю наблюдается примерное равенство между лесами тропиков и субтропиков, с одной стороны, и умеренного и бореального поясов, с другой (табл. 6). Таблица 6. Прирост древесины в главных типах лесов мира (по H.W.Windhorst) Площадь

Прирост древесины 184

Тип леса

(млн.га)

(%) /га⋅го д

Дождевые тропические: нижний пояс горный пояс Переменновлажные тропические и субтропические Сухие субтропические и горные Переменновлажные умеренные листопадные и лавровые Жестколистные Летнезеленые и горные хвойные Тайга Всего

млн. т/год

%

418 45 260

17,1 1,8 10,7

3,5 2,9 2,0

1463,0 130,5 520,0

27,0 2,4 9,6

510

20,9

1,0

510,0

9,4

20

0,9

6,0

120,0

2,2

170 395

7,0 16,2

1,3 4,0

221 1580,0

4,1 29,2

620 2438

25,4 100,0

1,4 22,1

868,0 5412,5

16,1 100,0

Мировой прирост древесины оценен им в 5,4 млрд.т/год сухого органического вещества, что в пересчете на объемную массу составляет 10 млрд.м3 /год. Обращает на себя внимание тот факт, что возобновление ресурсов древесины влажнотропических лесов составляет менее 1/3 общемировой величины. Между тем хозяйственная нагрузка на эти леса продолжает расти с угрожающей скоростью. При сохранении существующего темпа рубок к 2000 г. в тропиках может остаться слишком мало пригодных для лесозаготовок коренных типов леса. Деревья служат поставщиками ценного сырья: живицы (из нее получают канифоль, скипидар), гумми (получают гуммиарабик), древесной смолы, дубильных соединений, лекарственных веществ (березовый сок, чага и др.), пищевых продуктов (орехи, плоды), кормовых добавок в пищу скоту. В лесах собирают ягоды, грибы, лекарственные растения, заготавливают сено; ведут пушной промысел, добывают дичь. Выделяемые рябиной фитонциды обладают способностью убивать водные микроорганизмы. Ветка рябины, стоящая в воде, сохраняет ее чистоту пока не погибнет сама. Березовый веник, применяемый в бане, великолепно лечит сосудистые заболевания и многие другие хвори. 10.5. География лесных угодий. Россия. Около 1/5 лесной площади России находится в ее европейском сегменте и 4/5 - в азиатской части. Огромные пространства лесов нашей страны выполняют важнейшие экологические функции в масштабах всей биосферы (восстановление чистоты воздуха и высокого качества природных вод, поддержание плодородия почв и сохранение биоразнообразия, защита от водной и ветровой 185

эрозии, регулирование речного стока, сохранение низкого альбедо, резервуар для стока атмосферного СО2 в том числе при аккумуляции торфяников болот и др.). На территории нашей страны леса распределены неравномерно. От границы самой лесистой европейской страны Финляндии (лесные земли занимают 76% сухопутной территории) на западе сплошной пояс лесов тянется, расширяясь, через всю Россию на восток. Сосновые боры Карелии сменяются преимущественно ельниками бассейнов рек Онеги, Северной Двины, Печоры и Камы. Здесь также нередки березняки и боры. Небольшие дубравы, боры и березняки спорадически встречаются на востоке и юге Средне-Русской и Приволжской возвышенностей. Широколиственные леса преобладают на Кавказе. За Уралом, в пределах болотистой Западно-Сибирской низменности, в северной ее части, больше распространены ель, кедр и лиственница, в средней - сосна, а на юге - береза. Неповторима пестрая мозаика лесов Приенисейской Сибири, где чередуются боры, кедрачи, ельники, пихтарники, березняки и осинники, а на севере широкой полосой тянутся лиственничники. Как бы подчиняясь расширению ареала многолетнемерзлых горных пород к востоку от Енисея, лиственничники захватывают пространства севера и центра СреднеСибирского плоскогорья и почти весь бассейн р. Лены, а также рек Яны, Индигирки и Колымы. На юге Сибири сохраняется пестрый набор хвойных пород при подчиненном значении мелколиственных. Своеобразны и очень богаты леса юга Дальнего Востока с обилием кедра, а также леса Сахалина (лиственница, береза, ель, пихта и др.) и Камчатки. В горах северной части Дальнего Востока леса не имеют сплошного распространения и в большинстве своем представлены лиственничниками, а в подгольцовом поясе гор - зарослями кедрового стланика. Как выглядит лесное богатство нашей страны, если на него посмотреть через призму статистических данных? Площадь земель лесного фонда по состоянию на 1 января 1993 г. составляла 1183 млн. га, в том числе покрытая лесом 771 млн. га. Из 118 млн.га безлесной территории редины занимают 58%, гари 26%, прогалины и вырубки 8%. Общий запас древесины в лесах - 80,68 млрд. м3 ,в том числе спелых и перестойных насаждений - 44,11 млрд. м3, из них хвойных 35,31 млрд. м3. Лесистость территории России достигает 44,7%. Пожары охватывают примерно 1 млн.га ежегодно, из которых на четвертой части образуются гари. Леса высыхают на площади 2-2,5 млн. га каждый год. В результате многолетней хищнической эксплуатации лесных ресурсов России больше всего пострадали верхневолжские, северокавказские и уссурийские леса, где утрачено более 50% их фитомассы. Трудно поддающийся учету урон наносят лесам России различные отрасли хозяйства. Около 1 млн.га лесных земель нарушено горными разработками и почти столько же подтоплено из-за создания водохранилищ. Леса заболевают и погибают от дымогазовых эмиссий предприятий. Площадь зачернения снега вокруг только одного Норильского горнометаллургического комбината достигает 90 тыс.га. Усыхающий и мертвый лес тянется на юг от Норильска на расстояние около 100 км. Мертвые и усыхающие леса примыкают к металлургическим предприятиям Кольского полуострова, Урала, Красноярского края и других мест. Большие площади нарушенных лесов приурочены к местам расположения глубоких карьеров. Очень важные природоохранные функции в условиях малолесных и горных районов южной части России выполняют широколиственные леса. Тревожная обстановка возникла в лесной и лесостепной зонах с насаждениями дуба. Из-за неблагоприятных климатических условий, воздействия промышленности на атмосферный воздух, болезней и 186

вредителей, а также высокой рекреационной нагрузки значительно ослабла устойчивость дубрав, а их площадь сократилась в Европейско-Уральской зоне России на 79 тыс.га. Сильно пострадали низкоствольные дубняки различных генераций. Их площадь уменьшилась на 176 тыс.га. Наибольшие очаги усыхания находятся в Поволжье и в некоторых областях Центрального экономического района. Специалисты считают, что для сохранения и восстановления дубовых лесов необходимо расширить замену порослевых насаждений семенными на селекционной основе. Необходимы также меры по улучшению состояния воздушного бассейна, регулированию рекреационной нагрузки и борьбе с вредителями. Для многоцелевого использования лесных ресурсов разработано районирование России по степени облесенности и классификация лесов по их назначению. По степени облесенности различают зоны: многолесную - лесистость 33-35% и более, среднелесистую - 15-32%, малолесистую - менее 15% и безлесную. Использование лесов в России строится исходя из их принадлежности к указанным зонам, а также из того, какое назначение предписано тем или иным лесным массивам. Всего выделено три группы лесов. 1-я группа включает: запретные полосы лесов вдоль рек, вокруг озер и других водоемов (водоохранные леса); зеленые зоны городов; курортные леса; полезащитные и почвозащитные насаждения; защитные полосы вдоль железных и автомобильных дорог; орехопромысловые зоны; защитные полосы притундровых лесов; защитноэксплуатационные леса; прочие леса (ленточные боры, степные колки, горные леса противолавинной защиты и др.). 2-я группа - это леса густонаселенных районов с ограниченными лесными ресурсами. Рубки в них регулируются в соответствии со средним годичным приростом, проводятся с расчетом не только получения древесины, но и сохранения и восстановления защитных свойств леса, особенно повышения его водоохранных и водорегулирующих функций. 3-я группа включает леса многолесных слабоосвоенных районов. В них проводятся крупные промышленные заготовки древесины. Исключение составляют резервные леса, не вовлекаемые в эксплуатацию. Размеры рубок в этих лесах определяются потребностями народного хозяйства в древесине. К первой группе относится примерно 1/5 земель под лесом, ко второй - около 5% их площади и к третьей - 3/4. Катастрофа на Чернобыльской АЭС в 1986 г. привела к загрязнению земель радионуклидами в 16 областях и трех республиках Российской федерации (Белгородская, Брянская, Воронежская, Калужская, Курская, Ленинградская, Липецкая, Нижегородская, Орловская, Пензенская, Рязанская, Саратовская, Смоленская, Тамбовская, Тульская, Ульяновская области, Мордовия, Татарстан, Чувашия) общей площадью около 5,6 млн. га. Хотя специальная статистика нам не известна, можно утверждать, что больше половины указанной площади - это лесные земли. Несмотря на перечисленные негативные явления, российские леса есть и будут главнейшим фактором поддержания экологического баланса в биосфере. Зарубежная Европа. На территории Зарубежной Европы почти нет лесов, которые не были бы затронуты хозяйственной деятельностью. Наибольшая лесистость свойственна Фенноскандии. Почти полностью уничтожены леса в пределах Среднеевропейской равнины. Горные массивы Центральной Европы все еще хорошо одеты лесной растительностью. Меньше лесов на юге Европы. Так в 1995 г. площадь лесов Зарубежной Европы достигла 170 млн.га, т.е. 29,8% сухопутной площади. 187

В последние десятилетия в европейских странах широко проводится лесовосстановление и организация высокопродуктивных лесных плантаций. Интересно проследить, как менялась облесенность территории ряда государств в течение пятнадцати лет (1978-1993 гг.). Всего лесистость Зарубежной Европы увеличилась на 3,2 млн. га. Наибольший прирост лесных земель (тыс. га): в Испании (735), Португалии (500), Италии (435), Германии (431), Франции (380), Великобритании (376), Швейцарии (200), Швеции (120) и т.д. Леса Зарубежной Европы как ни одной другой части света пострадали от кислотных осадков. Зарубежная Азия. За период с 1978 по 1993 гг. площадь лесных земель уменьшилась на 23,6 млн. га. А в 1995 г. под лесами в Зарубежной Азии оставалась территория в 503 млн.га, т.е. 17% сухопутной площади. Леса сохранились главным образом в Индокитайском регионе, Бирме, на Зондских, Филиппинских и Японских островах, в меньшей мере на севере КНР и КНДР, в Индии, Непале и Шри-Ланке. Остальная гигантская площадь Зарубежной Азии почти безлесна. Для зарубежной части величайшего материка характерно разнообразие древесных пород и типов лесов, обусловленное богатством и дифференцированностью лесорастительных условий. Здесь произрастают различные вечнозеленые, листопадные, хвойные, низкорослые, ксерофильные и мангровые леса. Доступные леса площадью свыше 300 млн. га используются с максимальной нагрузкой. Большую экологическую угрозу представляет дигрессия и сведение лесов в горах. Так, по данным спутниковых наблюдений в Центральных Гималаях (Индия), на площади около 5 млн.га лесная растительность покрывает 28,7%, но полноценные леса занимают лишь 4,4%. Фиксируются признаки быстрого сокращения лесов. Это происходит из-за рубок деревьев на топливо и из-за сведения леса для увеличения размеров обрабатываемых земель. Обезлесению и распашке подвергаются горные склоны, и это приводит к сильной эрозии почв. В настоящее время проблема сохранения лесов как в горах, так и на равнинах в тропическом поясе Азии стоит чрезвычайно остро. Необходимо отметить, что в ряде азиатских стран предпринимаются большие усилия, направленные на увеличение площади лесных земель. В частности, в Китае в 1995 г. под лесом было уже 133,3 млн. га, тогда как в 1949 г. площадь лесных земель составляла всего 50 млн. га. Северная Америка. На этом континенте 85% площади лесных земель приходится на США и Канаду, а всего на континенте под лесами находятся 536 млн.га, т.е. 25% сухопутной площади. Лесистость второй по величине страны мира - Канады - составляет 27%. В Канаде широкой полосой протягивается зона тайги, сменяющаяся к югу смешанными лесами. Ежегодник ФАО сообщает, что площадь лесных земель Канады в течение периода 1978-1993 гг. увеличилась на 158 млн. га. Такая метаморфоза объясняется, несомненно, изменением принципов учета облесенных территорий страны. Достаточной для эксплуатации продуктивностью обладает немногим более половины лесов Канады. Лесистость территории США - 22%; 1/3 площади лесных земель США находится на Аляске. В целом же леса этой страны гораздо разнообразнее, чем канадские. Так, на юге США произрастают широколиственные леса, причем к югу от 35° с. ш. к листопадным породам добавляются вечнозеленые. На северо-востоке и вблизи Великих озер распространены хвойно-широколиственные леса. На западе США, на склонах Кордильер, преобладают хвойные породы, причем для Тихоокеанского побережья характерны очень густые леса с высокой биомассой. 188

Так, в девственном влажном хвойном лесу полуострова Олимпик (штат Вашингтон) ее запасы составляют 2000 т/га. Для сравнения можно указать, что аналогичный показатель для влажнотропических лесов Кот-д'Ивуара (район Банко) равен 562 т/га. За период 1990-95 гг. площадь лесов в Канаде и США возросла на 3,8 млн.га. Почти 4/5 этой территории приходится на Соединенные Штаты. Южная Америка. Общая площадь лесных земель стремительно сокращается и в упомянутый выше 5-летний промежуток у лесов было отвоевано еще почти 24 млн.га. Тем не менее, в 1995 г. на континенте под лесами все еще было 870 млн. га, т.е. около 50% сухопутной площади. Вторая в мире страна по площади лесов (551 млн.га) - Бразилия все еще на 2/3 покрыта ими: ее лесистость составляет 65%. Благодаря наличию жаркого и теплого, влажного климата на большей части Южной Америки, материк покрыт богатой древесной растительностью. Это прежде всего влажнотропические леса бассейна р.Амазонки. В горах Центральной Америки широко развиты переменновлажные листопадные леса, а на восточных склонах Анд вечнозеленые леса с листопадными породами, в частности, туманные леса, называемые так за приуроченность к поясу гор с очень высоким увлажнением. К югу от 20° ю. ш. распространены сухие субтропические леса. Африка. Из-за широкого распространения аридных территорий леса занимают на этом континенте ограниченные площади. В 1995 г. под лесами находились 520 млн.га, т.е. 17% сухопутной территории, а потеря лесных земель за предыдущие пять лет достигла почти 19 млн.га. Влажнотропические леса распространены в экваториальной зоне, главным образом в бассейне р.Конго и на территории стран к северу от Гвинейского залива. По периферии указанных регионов произрастают переменновлажные листопадно-вечнозеленые леса. Кроме того, они есть на восточном побережье континента в Мозамбике и Танганьике. Сухие леса и редколесья развиты к югу от зоны Сахеля. Кроме того, леса имеются на Мадагаскаре, в горах Северной Африки и на юге континента. Из-за распространения подсечно-огневого земледелия, заготовок древесины на топливо и для промышленного использования в Африке происходит обезлесение, Австралия. Это один из наименее облесенных континентов на Земле. На лесные земли приходится всего 40,9 млн.га, т.е. 5,3% сухопутной площади. Почти всю лесную площадь (97%) занимают лиственные породы, образующие преимущественно эвкалиптовые древостои, а в районах высокого увлажнения восточной Австралии - влажные вечнозеленые леса. Хвойные насаждения образуют разрозненные массивы и находятся к западу от Большого Водораздельного хребта. Влажнотропические вечнозеленые леса имеются лишь на полуострове Кейп-Йорк (север материка). Все большую роль приобретают искусственные лесонасаждения из быстрорастущих хвойных пород. Причинами были высокая хозяйственная нагрузка на них и частые пожары, ежегодно уничтожавшие лесную растительность на площади 1 млн. га и более. В Австралии ведутся работы по лесовосстановлению. Океания. Без Австралии регион составляют многочисленные острова главным образом в тропической части Тихого океана. Основные массивы лесов находятся в Папуа Новой Гвинеи, в Новой Зеландии и на Соломоновых островах. В целом лесистость этого региона достигает 61%, но она убывает везде, кроме Новой Зеландии. Общая площадь лесов всех островных государств была 49,8 млн.га в 1995 г. 10.6. Использование богатств леса. Естественные леса и лесопосадки служат источником древесных, рекреационных, пастбищных и биологических ресурсов. 189

Древесина как сырье представляет собой поистине универсальный материал, из которого получают 15-20 тыс. видов изделий и продуктов. Особенно широко она используется в химической промышленности. Вот перечень некоторых самых главных продуктов лесохимической промышленности. Это древесный уголь, поташ, пихтовое масло, живица, древесный спирт, древесный уксус, отстойные смолы, древесная смола, горючий газ, дубильные вещества, глюкоза, кормовой сахар, целлюлоза. Перечисленные вещества служат сырьем для получения необходимых людям изделий и материалов - бумаги, кинопленки, пластмасс, синтетического каучука и многих других. Замена древесиной некоторых строительных материалов дает большую экономию энергии. На выработку кирпича затрачивается в 4 раза больше энергии, чем на воспроизводство и получение эквивалентного количества древесины, на производство цемента - в 5, пластмасс - в 6, стекла - в 14, стали - в 23 и алюминия - в 120 раз. Сплошные рубки - это главный прием получения древесины. Они наименее трудоемки и дают человечеству свыше 90% заготавливаемой древесины. Применяются также постепенные и выборочные рубки. Разница между названными видами рубок главного пользования состоит в следующем. При сплошных рубках деревья на лесосеке вырубаются одновременно и сплошь, за исключением подроста и семенников; при постепенных - древостой вырубают сплошь, но не одновременно, а в несколько приемов, в зависимости от появления самосева, при выборочных - срубаются только отдельные деревья. Проблема рационального использования лесных ресурсов прямо зависит от степени утилизации различных частей срубаемого дерева. Для лесов России принято, что 65% объема заготавливаемого дерева приходится на ствол, 8,5% - на сучья и ветви, 4,5% - на листья и хвою, 13% - на пень и корни и 9% - на кору. Однако и стволовая древесина используется не полностью, так как часть теряется в процессе валки, трелевки и вывоза. Поэтому при традиционных технологических процессах лесозаготовок достигнутый уровень доставки древесины на нижние склады леспромхозов составляет лишь 50 - 60% от полного объема срубаемых деревьев. В итоге гектар спелого леса обычно дает 140 150 м3 древесины. Для более полного использования лесных ресурсов в нашей стране создаются лесокомбинаты. Это - шаг вперед по сравнению с лесхозами и леспромхозами. Лесокомбинаты устраняют последствия чрезмерных и непродуманных рубок прошлых лет, широко осуществляют лесоразведение, утилизируют отходы от лесозаготовок и лесопиления (сучья, ветки, хвоя, пни, опилки и др.). Особенно велик экологический ущерб от сплошных рубок в тропических лесах. В них механизированный лесоповал и устройство путей для вывоза крупных бревен ведутся одновременно с уничтожением большого количества деревьев разных пород и гибелью до 50% молодой древесной поросли на месте рубок и трелевки. Использование механизмов вызывает уничтожение почвенного покрова примерно на 1/3 площади лесоразработок. А получение кругляковой древесины от каждого дерева невелико. Например, во влажнотропическом лесу Кот-д'Ивуара на стволы и крупные ветви приходится лишь 64% биомассы. В 1994 г. в мире заготовлено немногим менее 3,36 млрд.м3 древесины. Немногим более половины ее объема (1,89 млрд.м3) потребили на топливо, причем 9/10 в развивающихся странах. Другая часть (1,47 млрд.м3), полученная целиком в виде круглого леса, в большинстве своем использовалась для производства более дорогостоящей продукции. Были изготовлены пиломатериалы (0,40 млрд.м3), древесно-стружечные плиты 190

(0,18 млрд.м3), целлюлоза для получения бумаги (270 млн.т), а также бумага и картон (270 млн.т). Хотя потребности в некоторых видах продукции, в особенности в бумаге и картоне, быстро возрастают, рост заготовок древесины замедляется. Одна из причин этого улучшение технологий по производству товарной древесины и древесных изделий, благодаря чему уменьшаются неиспользуемые потери древесной массы. Другая причина - рост производства вторичной бумаги; в конце 1980-х гг. в Японии ее потребление достигло 50%, в Швеции - 40%, в Латинской Америке - 32%, в США - 29%, в Норвегии - 27%, в Индии - 26%. Потребление бумаги и картона в развитых странах колеблется от 151 (Норвегия) до 317 (США) кг/чел⋅год; в развивающихся - оно составляет от 2 (Индия) до 25 (Латинская Америка) кг/чел⋅ год. 10.7. Лесосплав. Этот прием является специфическим звеном в лесном хозяйстве ряда стран и особенно России. В нашей стране только на малых реках лесосплавные участки в сумме составляют около 150 тыс. км. Потери сплавляемого леса происходят главным образом в результате утопа древесины в запанях и на путях сплава (42% потерь), разноса бревен по поймам неустроенных рек (18%), аварий плотов (8%), поломки древесины, “подныра” и других видов потерь (32%). Цифры, довольно приблизительные, взяты еще из источников двадцатилетней давности. С целью сокращения потерь древесины от утопа и разноса на реках стали устанавливать лесонаправляющие и лесоограждающие сооружения, а также применять прогрессивные безостановочные способы сплава. На дне рек, по которым сплавляют древесину, накапливаются потерявшие плавучесть топляки. Особенно много топляков в заводях, где они стали неотъемлемой частью донных отложений. Имеются и целиком сложенные из бревен донные образования. Из затопленной древесины выделяются в воду различные органические соединения, и это в некоторых случаях наносит большой ущерб водным экосистемам. Для очистки засоренных рек производят подъем затонувшего леса и сбор разнесенной древесины. 10.8. Уход за лесом. Улучшение состояния лесных насаждений включает различные приемы. В частности, применяются рубки ухода. Их цель - сокращение сроков выращивания желательных по составу насаждений, улучшение их качества, санитарного состояния, повышение продуктивности, устойчивости и защитных свойств. В зависимости от возраста насаждений рубки ухода делятся на следующие виды: осветление, прочистка, прореживание, проходные рубки. Осушение переувлажненных лесных земель оказывается эффективным приемом повышения прироста древесины. Однако далеко не все заболоченные леса оказываются отзывчивыми на дренаж. Так, наблюдения в Полесье показали, что осушать верховые торфяные болота с произраста-ющими на них сосняками нецелесообразно. Осушение болот переходного типа для выращивания леса дает наибольшую лесоводческую эффективность. 10.9. Лесные плантации. Их создание - это наиболее капиталоемкий способ получения товарной древесины и в то же время самый эффективный в долговременном аспекте. Дело в том, что деревья чрезвычайно отзывчивы на хороший уход, который заключается в правильном подборе культур в соответствии с почвенно-экологическими условиями, своевременном прореживании посадок, защите от вредителей, внесении значительных доз удобрений. Как показывает опыт, применение удобрений обходится довольно дорого. Однако эти затраты в целом окупаются. Так, высота сосновых деревьев за четыре года увели191

чивается вдвое в результате внесения удобрений через три месяца после их посадки. На опытных станциях отмечалось увеличение диаметра ствола на уровне груди на 65% за счет удобрений. В среднем темпы роста насаждений возраста до двух лет на удобренных почвах увеличивались в 3-6 раз по сравнению с контрольными посадками, и такой эффект наблюдался в течение нескольких лет. Внесение удобрений улучшает не только количественные показатели насаждений, но и их качественные характеристики. Так, азотные удобрения оказываются весьма эффективными для улучшения окраски и получения более густой и прочной хвои у елей. Применение удобрений, как показывает опыт, повышает сопротивляемость дерева к болезням и насекомым-вредителям. Значительно уменьшается и опасность поражения кроны деревьев тлей, гусеницами, непарным шелкопрядом. Вместе с тем наблюдается и отрицательное воздействие химических удобрений. В ряде случаев они создают благоприятные условия для жизнедеятельности ряда насекомых-вредителей и появления некоторых видов болезней. Это свидетельствует о необходимости тщательного изучения всех факторов повышения продуктивности лесных земель и их взаимосвязи. Плантационные хозяйства способствуют удовлетворению спроса на древесину в Аргентине, Австралии, Бразилии, Чили, Новой Зеландии, Португалии, ЮАР, Испании, Венесуэле. Лесные фермы дают 20-35 м3/га⋅ год древесины, т.е. в 10 раз больше естественных вторичных лесов. В Латинской Америке плантации леса занимают менее 1% площади лесов, но дают 1/3 всех лесозаготовок. В Чили, где посадки монтеррейской сосны занимают более 1 млн.га, с лесных плантаций получают 95% от всей заготавливаемой древесины. Около 60% таковой поставляют “лесные огороды” в Бразилии и Аргентине. В странах, где под лесные плантации отведены наибольшие площади, их размеры таковы (тыс.га): Китай - 33 800, Индия - 14 620, Индонезия - 6125, Бразилия - 4900, Вьетнам - 1470, Южная Корея - 1400, Чили - 1015, Аргентина - 547, Таиланд - 529, Марокко - 321, Бангладеш - 310, Мньяма - 276, Венесуэла -253, Куба - 245, Филиппины 203. Общая площадь лесоплантационных земель в 1995 г. достигала 80-100 млн.га (State of the World’s Forests, 1997). Весьма широко распространены плантации эвкалипта. Эта культура, имеющая твердую древесину, очень быстро растет и некоторые виды (всего их около 500) достигают высоты 100 м. Помимо древесины используются листья для получения эвкалиптового масла. Посадки эвкалипта потребляют так много воды, что их создают там, где необходимо ликвидировать болота как очаги малярии. Эвкалиптовые плантации распространены в Австралии, на юго-востоке Азии и в Южной Америке. Лесные плантации прежде всего ослабляют нагрузку на природные экосистемы тропиков. Высаживаются быстро растущие породы деревьев. Однако качество молодой древесины ниже, чем у взрослых деревьев. Некоторую конкуренцию посадкам леса составляют бамбуковые плантации. Например, в Китае этим гигантским стремительно растущим злаком заняты 2 млн. га. Напомним, что молодые побеги бамбука съедобны, а кроме того в некоторых случаях он может использоваться вместо древесины. 10.10. Проблема сохранения влажнотропических лесов. Они занимают самые жаркие и влажные территории суши. Области их распространения окаймляются среднегодовыми изотермами +24ОС и характеризуются ежемесячными суммами осадков не менее 100 мм. В этих областях допустимы некоторые колебания в увлажнении, но не чаще, чем в одном из трех последовательных годов. Однако полностью исключается наличие дней с близкими к 0ОС, хотя и положительными температурами. 192

Огромно видовое богатство влажнотропических лесов, где сосредоточено, по подсчетам разных авторов, от 0,5 до 3 млн. видов организмов. В экосистемах участвует до 2,0 тыс. видов пальм из 2,7 тыс. известных их видов. На 1 га леса встречается свыше 100 видов деревьев. Наиболее богаты в видовом отношении равнинные леса, находящиеся не выше 500 м. Между тем, Терри Эрвин обнаружил в Перу на 1 га влажнотропического леса 41 тыс. видов одних только насекомых. Работая в Панаме и других местах, ученый установил, что видовая локализация этого класса животных чрезвычайно высока. Экстраполяция на влажнотропические леса всей суши привела Эрвина к выводу о существовании в них до 30 млн. видов насекомых. В настоящее время площадь девственных влажнотропических лесов катастрофически убывает, что связано с переводом части земель под ними в сельскохозяйственное использование (создание постоянно обрабатываемых угодий, пастбищ, подсечное земледелие), а также для строительства дорог и поселков. Кроме того, сведение лесов идет в связи с необходимостью удовлетворять растущие потребности местного населения в топливной древесине. Очень большую роль играют также промышленные рубки леса на экспорт. Даже переложное подсечно-огневое земледелие наносит трудно поправимый вред девственным лесам. Видовое разнообразие вторичных лесов, которые возникают на месте покинутых полей, много беднее. А для их восстановления до уровня девственных экосистем требуется около 150 лет. Амазонская сельва - один из регионов, где происходит катастрофически быстрое сведение влажнотропических лесов. Еще в 1950-х гг. в Бразилии была разработана программа освоения влажнотропических лесов для решения некоторых острых социальноэкономических проблем, в частности продовольственной. Предполагалось, что на отвоеванные у сельвы земли будет переселено до 5 млн. сельских жителей в основном из засушливой, перенаселенной и отсталой северо-восточной части Бразилии. Было намечено прорезать девственные леса Амазонии сетью шоссейных дорог. Эта программа начала внедряться в 1970-е годы. Трансамазонское шоссе прорезало влажнотропический лес с востока на запад от Атлантического океана до границы с Перу на протяжении более 5 тыс. км. Для строительства магистрали в лесу прорубалась просека шириной до 70 м. Освоение 200-километровой полосы вдоль магистрали переселенцами оказалось непростым. Всего в этой зоне насчитывалось в конце 1970-х годов около 100 тыс. человек. В использовании земель амазонской сельвы активно участвуют некоторые капиталистические государства. Например, отдельные крупные фирмы из Италии и ФРГ купили участки такой земли, выжгли на них лес, а на освободившейся площади организовали пастбищное скотоводство. Мясную продукцию они вывозят в свои страны. Выжигание леса носило варварский характер. Оно проводилось неоднократно в течение 2-3 лет, чтобы исключить возможность развития какой-либо растительности, кроме травянистой. Бурую плотную мглу от пожарищ, временами застилающую значительные площади над Амазонией, известный биолог А.Грейнджер назвал величайшим крематорием или самым большим аутодафе. Сильное развитие эрозии почв на высвобождаемых участках усугубляется из-за перевыпаса на них. Пастбища быстро истощаются и забрасываются, когда они доходят до состояния бедленда. Наличие таких участков стало основанием для высказываний о 193

возможности своеобразного антропогенного опустынивания на месте сводимых влажнотропических лесов. Иностранные компании ведут также и комплексное хозяйственное использование Амазонии. Так, американский мультимиллионер Д.Людвиг создал на отданной ему в концессию площади свыше 1 млн. га пастбища, плантации эвкалиптов и других быстрорастущих древесных пород, работающую на дровах ТЭС и целлюлозно-бумажное предприятие. Здесь же эксплуатируются месторождения каолиновых глин и подготавливаются площади для добычи бокситов и создания алюминиевого комбината. В начале 1980-х гг. Д.Людвиг продал концессию Бразилии. В настощее время в Бразилии изучается вопрос о создании на обезлесенных землях крупных плантаций быстрорастущих культур, в частности сахарного тростника, для переработки выращиваемой биомассы в моторное топливо. При строительстве дорог и освоении примыкающих зон в Бразилии леса амазонской сельвы были сведены на площади около 36 млн. га. Структура использования обезлесеных земель выглядит примерно так: для животноводства в крупных фермерских хозяйствах - 38%, для подсечно-огневого земледелия - 30, для дорожного и других видов строительства - 25, для заготовки древесины - 6, для прочих нужд - 1%. Ожидаемого в связи со строительством ряда магистральных дорог в Амазонии экономического эффекта добиться не удалось. Трансамазонское шоссе в конце 70-х годов на большей части было узкой просекой с двумя однорядными проезжими полосами, почти без всякого движения транспорта, местами затопленными или заросшими. В такое состояние оно пришло из-за нерентабельности перевозок бревен или руды на тысячи километров. Половина сельскохозяйственных земель, созданных на месте сельвы, ныне заброшена. Амазония - это лишь один, может быть, самый яркий пример быстрого сведения влажнотропических лесов. По оценкам С.Поустел и Дж.Рьяна, в конце 1980-х гг. девственные влажнотропические леса занимали примерно 10% площади лесных земель мира. В странах, где этими лесами заняты наибольшие территории, произошли такие изменения (табл.7): Площадь, занятая тропическими лесами в середине 70-х годов, по-видимому, была близка к 1,2 млрд.га. Согласно М.Б.Горнунгу, за период 1960-1980 гг. площадь влажнотропических лесов уменьшилась с 0,77 до 0,35 млрд.га, а всех тропических лесов с 1,32 до 0,94 млрд. га. По данным ФАО в период 1980-1990-х гг. скорость их сведения достигала 15,4 млн.га/год. Наиболее быстро вырубка шла в Латинской Америке и Карибском бассейне (7,4 млн.га/год), несколько медленее - в Африке (4,1 млн.га/год) и в АзиатскоТихоокеанском регионе (3,9 млн.га/год). Наряду с этим, до конца 1990 г. в тропиках осуществлено лесовосстановление на площади 43,8 млн.га. Однако леса хорошо прижились на 30,7 млн.га. Таблица 7. Сокращение площади влажнотропических лесов (по С.Поустел и Дж.Рьяну) Перво- Современная начальная Бразилия Заир

286 125

180 70

Вторичные леса 40 30 194

Сведенный лес 66 25

Индонезия Перу Венесуэла Колумбия Папуа-Новая Гвинея Всего

122 70 42 70 43

53 42 30 18 18

33 10 5 10 18

36 18 7 42 7

758

411

146

201

В настоящее время тропические леса вырубаются со скоростью 13,7 млн.га/год. Влажнотропические леса не возобновляются после сведения; на их месте возникают вторичные леса или даже травянисто-кустарниковые ассоциации, особенно если сведение леса было неоднократным. Поэтому девственные влажнотропические леса и их громадный генофонд - это невозобновляемые природные ресурсы. Как сохранить в максимальном объеме эту бесценную для человечества основу биосферы? Ведь в географическом пространстве, где разместились развивающиеся страны, “трагически совместились биологическое богатство и человеческая бедность” - взятая в кавычки часть фразы биолога Э.Вольфа образно и очень точно отражает суть дела. Богатейшие в мире экосистемы превращаются в дрова и в меньшей степени в продукты питания и валюту, из-за отсутствия у их владельцев других возможностей для выживания. ЮНЕСКО в рамках проекта МАБ (Сохранение природных зон и содержащегося в них генетического материала) стремится максимально увеличить число биосферных резерватов в районах произрастания влажнотропических лесов. Предполагают, что в таких рамках необходимо сохранить не менее 10% площади их современного распространения, что, вероятно, обеспечит защиту хотя бы 50% видов организмов, входящих в экосистемы влажнотропических лесов. Ряд заповедников уже созданы. Планируются также меры, которые бы снижали нагрузку на влажные тропические леса. Для этого предпринимаются усилия для максимального расширения лесных плантаций, общая площадь которых сейчас достигает нескольких миллионов гектаров. Рощи эвкалиптов служат для получения низкокачественной древесины уже через 5-10 лет после их заложения. Однако в эвкалиптовых насаждениях очень интенсивна эрозия почв. Меньше она развивается в местах посадки бамбука, но сфера применения его древесины весьма ограничена. Учитывая неизбежность сведения в ближайшие десятилетия большей части влажнотропических лесов, специалисты по природным ресурсам стран, где это произойдет, высказываются за целесообразность плантационного освоения высвобождающихся земель. Если плантации технических и продовольственных культур смогут обеспечить потребности внутреннего и внешнего рынка стран влажных тропиков, то тем самым антропогенная нагрузка на девственные леса будет сведена до минимума. Возможна и оплата сохранения девственных влажно-тропических лесов. Боливия стала первой страной, взявшей под охрану находящиеся под угрозой экосистемы в обмен на списание внешней задолженности. Однако вмешательство капиталистических монополий, стремящихся к источникам дешевого сырья, может осложнить выполнение экологических задач в странах, находящихся во влажных тропиках. 10.11. Мангры. Мангровые заросли относятся к типичным лесным экосистемам, которые приурочены к приливно-отливной полосе побережий тропических и субтропических районов Азии, Северной Америки, Африки, Австралии и и многих островов. Осо195

бенно широко мангры распространены в прибрежных зонах, находящихся внутри низкоширотной части земной поверхности между 25О с.ш. и 25О ю.ш. Здесь манграм принадлежит 50-60% от общей протяженности всей прибрежной полосы. Мангровые сообщества легко распознаются по живородящим семенам деревьев и обилию переплетенных опорных корней. Корни снабжают растения водой и питательными веществами и в то же время служат противосолевыми фильтрами. Чистая первичная продуктивность сообщества в среднем оценивается в 10 т/га⋅год. Пальма нипа (Nipa fruticans) - одно из важнейших растений в нем. В естественном состоянии нипа произрастает в мангровых лесах Азии и Океании; интродуцирована в Западной Африке. Листья, сок, плоды пальмы служат сырьем для получения широкого ассортимента продуктов, на чем базируются кустарные ремесла и торговля. В целом использование продукции мангровых лесов поддерживает такие отрасли хозяйства как энергоснабжение (древесное топливо); строительство (материалы из древесины); сельское хозяйство (корма, зеленые удобрения); бумажная, текстильная и кожевенная промышленность; производство продуктов питания, медикаментов, напитков, предметов бытового обихода; рыбный промысел. Кроме того, мангры используются под аквакультуру и для туризма. Мангровые заросли защищают побережья от разрушительного воздействия тайфунов, ураганов и циклонов, служат естественным регулятором абразии берегов, местом питания и размножения ценных видов рыб, креветок и других морских организмов. В ненарушенном состоянии мангры содержат ценнейший генетический фонд. В последние десятилетия антропогенная нагрузка на мангровые леса стала черезмерной. Представляют интерес данные В.Микуса и М.Хубеле (Mikus, Hubele, 1996) о разрушении мангровых экосистем на побережье Карибского моря, в районе устья р.Магдалена (Северная Колумбия). Здесь за последние 25 лет погибли мангровые леса на площади 51 тыс.га, а сохранились лишь на площади 23 тыс.га, но и они находятся в плохом состоянии. Имеется несколько причин их разрушения и деградации. Система крупных лагун с манграми была отсечена от моря из-за строительства дамбы. Часть мелководий лагуны превращены в польдеры. Сток небольших рек в лагуну в большой мере разбирается на орошение. Таким образом, был нарушен водообмен с морем и уменьшен приток пресных вод в мангровые заросли лагуны. Гибель и деградацию экосистем стимулировали смыв с плантаций в лагуну ядохимикатов, цветение воды в ней и формирование анаэробной среды при седиментации, заражение иловых вод тионовыми и железобактериями, распространение различных вредителей (термиты, древоточцы, грибковые организмы и др.). Из лагуны, где нанесен столь большой урон мангровым лесам, ныне вылавливается около 1 тыс.т рыбопродукции вместо 4 тыс.т, как это было прежде. Между тем, только потеря 100 га рыбопродуктивного водоема, каким являются мангровые экосистемы, оценивается как убыток в 120 тыс. долларов США в год. Экологический ущерб из-за потери биоразнообразия гораздо значительнее. 10.12. Защита спелых девственных лесов. Такая проблема была поставлена в недавнее время биологами перед лесорубами. Рубки необходимо вести только во вторичных раз и навсегда отведенных лесных массивах, а коренные леса оставлять постоянно нетронутыми, ибо в них в максимальной степени сосредоточены различные виды растений и животных, например, насекомые-хищники, без которых лес не будет сохраняться в здоровом состоянии; важна также грибковая плесень, обитающая на корнях растений. Она помогает деревьям извлекать питательные вещества и воду из почвы, а также ус196

ваивать азот. Плесень поедают и разносят мелкие млекопитающие. При рубках и связанном с ними разрушении почвенного покрова экологические функции плесени резко сокращаются. Нельзя уничтожать и сухостой: мертвые деревья - важные местообитания растений и животных. Крайне важно, чтобы дорожная сеть, по которой вывозится древесина с лесозаготовок, как можно дальше обходила массивы коренных лесов, так как по мере прокладки дорог, вырубок и расчистки лесов обширные ареалы различных биологических видов превращаются в маленькие островки среди моря деградированных земель. Пограничные зоны лесных островков быстро разрушаются. В Тихоокеанском регионе США вследствие такого “пограничного эффекта” на каждые 10 га вырубленных лесов приходится еще 14 га деградированных спелых лесов. Чрезмерная вырубка и создание монокультурных лесов - это опасный путь, ибо такие экосистемы характеризуются повышенной уязвимостью. Они сильнее нарушаются от воздействия загрязняющих веществ и инфекций. На северо-западе США лесозаготовки ведутся таким образом, что делянки, где рубят лес, - это соединенные по наикратчайшему расстоянию островки внутри пространства девственных лесов. 10.13. Дигрессия и гибель лесов от загрязнения воздуха. Главной проблемой в охране лесов Зарубежной Европы, востока Северной Америки и ряда других регионов мира стало спасение их от негативного воздействия загрязненного воздуха. Особенно остро стоит вопрос о том, как защитить лесные земли от вреда, наносимого выпадениями соединений серы и азота. Еще 200 лет назад дождевая и снеговая вода была практически нейтральной, тогда как в настоящее время она стала слабым раствором серной и азотной кислот. Осадки с рН F2mn) и гомеостатичное (F1mn < F2mx) состояния биосферы. Для краткости первое состояние назовем первой природой, второе - второй природой. 245

В период НТР обезлесение и особенно сжигание ископаемого топлива стали главными причинами драматического нарушения цикла углерода и это вслед за В.Г.Горшковым принимается в качестве основного критерия антропогенной дестабилизации биосферы - нарушения гомеостаза в ней. Современная дестабилизация биосферы произошла в условиях второй природы при F1mn < F2mx. Стихийное развитие цивилизации проявляется в форме F3 = F3nh + F3h, где F3nh > F3h (nh - указывает на негомеостатическую направленность большей составляющей F3h - на гомеостатическую направленность меньшей составляющей). Поэтому эффект вторжения F3 выразился в ослаблении F2mx и усилении F1mn, несмотря на проявление F3h. При этом под воздействием F3 произошло уменьшение F2mx до некоторой величины F2md, которая все же больше, чем F2mn, и усиление F1mn до F1md. Таким образом, современное природно-антропогенное нарушение гомеостаза можно записать в такой форме: F1md + F3nh > F2md + F3h. Это и есть характеристика третьей природы. Если знак “больше” человечество в состоянии повернуть в противоположную сторону, то это будет четвертая природа, гомеостатичность которой будет иметь природно-антропогенное происхождение. Ясно, что такой гомеостаз лучше, чем никакой. Но на первых порах важно разобраться в свойствах третьей природы. Как выглядит соотношение первой и второй сил? Рассмотрим два примера, предварительно заметив, что они строятся на хрестоматийных наработках климатической геоморфологии с некоторыми дополнениями экологического характера и что, несмотря на весьма высокую схематичность сравниваемых обстановок и, следовательно, получаемых выводов, они оказываются вполне конкретными применительно к решению одной из задач глобального уровня. Обстановка N 1. Это негомеостатичная ситуация, так как ей свойственно господство первой силы. Гляциально-нивальный пояс в горах почти лишен жизни. Тектоническому поднятию горных массивов здесь противостоит интенсивная физическая денудация. Резкие перепады температур, расклинивающее действие замерзающей воды в трещинах горных пород, работа гольцового льда и выдувание, а также эпизодический подповерхностный смыв в движущихся каменных морях, лавинный снос, соскальзывание осыпей, камнепады, водоснежные потоки, ветровой перенос и, конечно, деятельность ледников - все это в итоги суммируется в виде самого быстрого на суше снижения земной поверхности экзодинамическими процессами, измеряемого обычно несколькими сантиметрами в год. Такое прямое массированное, физическое воздействие воды (в твердой и жидкой фазах) на литосферу в составе факторов денудации выражается в формировании латеральных потоков вещества большого объема. В составе потоков господствуют продукты физического выветривания - обломочный материал, непреобразованный или слабо преобразованный химическими процессами. Денудация в гляциально-нивальном поясе весьма энергоемка, несмотря на постоянно холодные условия, связанные не только с эффектом высокого гипсометрического положения, но и с большим альбедо поверхности из чередующихся участков снежного покрова, ледников и голых горных пород. Высокая энергетика гляциально-нивальной денудации обеспечивается в частности благодаря очень значительной водообеспеченности экзодинамических процессов. Согласно Ж.Корбелю, для районов современного наступания горных ледников денудационный срез оценивается в 10-50 мм/год, а для районов их стабильного положения или отступания - в 2 мм/год. По М.В.Петкевичу, в долине Актру (Центральный 246

Алтай) средняя скорость отступания склонов, разрушаемых камнепадами, обвалами и лавинами, равняется 7-8 мм/год. Хотя методика оценки энергетики денудации не разработана, можно осуществить грубую прикидку затрат энергии, расходуемой непосредственно на снижение территории в гляциально-нивальных условиях, например, со скоростью 10 мм/год. Если считать, что поверхностная энергия частиц продуктов выветривания в какой-то мере и есть тот пай энергии, который затрачивается при преобразовании плотных пород в пыль, песок, дресву, щебень и глыбы, то оценка таких затрат возможна по формуле: ∆А = σ⋅∆а, где ∆А - затраты энергии, ∆а - прирост поверхности при образовании частиц в см2, σ - переходный коэффициент, равный 0,0001-0,00015 Дж/см2. Используем допущение, что каждый кубический сантиметр плотной породы преобразуется в песок с размером частиц в 0,1 мм. Тогда затраты энергии составят чуть меньше 0,1 Дж/cм3. Из этого примера видно, что грубое физическое выветривание плотных пород является малоэнергоемким. При сносе по склонам с высоты 1 км слоя в 1 см в виде обломков с удельным весом 2,5 г/cм3 расходуется около 25 Дж/см2 гравитационной энергии и еще не менее, чем на два порядка больше внешней солнечной энергии на преодоление трения и другие процессы. Таким образом, всего за год в гляциально-нивальных условиях на процессы физической денудации может расходоваться по самым минимальным меркам порядка 2500 Дж/cм2⋅год. Заметим, что в какой-то мере сходная денудация в экстрааридных условиях, т.е. практически без участия воды, оценивается скоростями снижения поверхности, которые на три-четыре порядка ниже темпов гляциально-нивального денудационного среза. Пустынная денудация - это как бы обескровленная (из-за дефицита воды) гляциальнонивальная и поэтому она гораздо менее энергоемкая. Характерно, что и в гляциально-нивальных, и в экстрааридных условиях живое вещество не оказывет сколько-нибудь заметного влияния на работу систем экзодинамических процессов, хотя микроорганизмы и накипные лишайники здесь осуществляют незначительное по масштабам биогеохимическое и даже биомеханическое разрушение горных пород. Тем не менее, прямой природообразующий эффект биологического движения материи в таких обстановках близок к нулю. Обстановка N 2. Речь идет о гомеостатичной ситуации, где господствует вторая сила. В горах, покрытых дождевым тропическим лесом система действующих здесь экзодинамических процессов как бы настроена на удовлетворение нужд живой природы. Лес в светлую часть суток поглощает около 90% солнечной радиации и, кроме того, круглосуточно может впитывать так называемое адвективное тепло, т.е. тепло воздуха, приносимое также из других мест. Скорость разложения опада измеряется неделями, а высвобождающиеся биогенные вещества почти целиком снова включаются в биологический круговорот. Даже выдыхаемые растениями с водяным паром дефицитные элементы, например, калий, с осадками обратно возвращаются в экосистему из приземного слоя воздуха. Фотосинтез и прирост фитомассы сопровождаются возвратом в атмосферу как правило большей части осадков, что свидетельствует о значительной интенсификации влагооборота биотическим фактором. Хорошо развитый растительный покров подавляет поверхностный сток, переводя его в различные формы подземного стока; в водотоки 247

разгружаются в основном подземные воды. Тем самым поддерживается определенная норма слоя стока и его структура. Определяя функциональные позиции ветвей гидрологического цикла, живое вещество тем самым решающим образом влияет на структуру и состав потоков вещества, т.е. выступает как сила, трансформирующая систему экзодинамических процессов. В горных породах, в корнеобитаемой зоне и ниже под лесом образуется глинистая, обычно латеритная или сиаллитная кора выветривания, мощностью до 3 м на крутых склонах и до 12 м и более на пологих склонах, а также в днищах долин, включая и их подрусловые части. Нужно отметить длительность образования поверхностных кор выветривания влажных тропиков, исчисляемую миллионами лет и более, их биогеохимическую природу и то, что возникновение такого глинистого чехла - это свидетельство перераспределения энергии из богатой ею растительности в горные породы. Такое перераспределение хорошо известно для системы “растительность - почвенный пок-ров”, когда в нем накапливается органическое вещество и коллоиднодисперсная фракция. В целом и в почвах, и в корах выветривания через посредство биоты захороняется солнечная энергия в форме мертвого органического вещества, поверхностной энергии частиц и кристаллохимической энергии некоторых глинистых минералов. Нельзя забывать, что и сама биота, в особенности растительный покров это значительный резервуар аккумулированной энергии Солнца. Действующая в описанных условиях система экзодинамических процессов включает биогеохимическое выветривание, очень медленное движение рыхлых масс под уклон (дефлюк-ция), иногда также тропическую солифлюкцию, локальную оползневую деятельность, боковую и глубинную эрозию, ослабленную из-за дефицита абразивного грубообломочоного материала в русловых потоках. Снижение земной поверхности в горах влажных тропиков не превосходит 0,1 мм или даже сотых долей миллиметра в год. Только в этом случае можно объяснить почти повсеместное распространение глинистой коры выветривания, скорость образования которой также определена в сотые доли миллиметра в год. Правда, случаются годы с экстремально высокими осадками или почти без них. В первом случае развиваются катастрофические сплывы и оползни, во втором - пожары и плоскостной смыв на оголенных участках. Но такого рода события - исключения из правила. А само правило выглядит парадоксально. Территория, на которой поглощается близкий к возможному максимуму пай солнечной энергии, тем не менее чрезвычайно геоморфологически консервативна. Энергетические затраты на образование вещества глинистой коры выветривания оценены в интервале от 300-до 1200 Дж/г. Скорость корообразования во влажных тропиках равна 0,03-0,04 мм/год. Приняв объемный вес глины как 1,5 г/см3, получим среднюю оценку затрат энергии в 40 Дж/см2⋅год. Следовательно, от величины радиационного баланса, т.е. от 290-330 кДж/см2⋅год на формирование коры выветривания тратиться немногим более 0,01%. Потери гравитационной энергии при сносе продуктов денудации в среднем на 1000 м (такая цифра для гор в пределах пояса дождевых тропических лесов вполне уместна) будут на два-три порядка меньше, чем на корообразование. По оценкам В.В.Звонкова на транспортировку обломочного материала мелкими водотоками с небольшим уклоном ложа расходуется примерно на два порядка больше энергии, чем теряемая этим материалом гравитационная энергия. Зная это, можно допустить, что в влажных тропиках, где большая часть продуктов денудации выносится в растворенной 248

форме, расход энергии на их транспортировку не может превысить оценку В.В.Звонкова. Следовательно, полные затраты энергии внешних сил на денудацию в горах влажных тропиков в ординарных условиях не могут быть больше нескольких сотых долей процента от величины радиационного баланса территории т.е. n⋅0,01 кДж/см⋅год. Таким образом, когда поверхность горных пород защищена биогенно-биокосным слоем, т.е. в рассмотренном случае густой лесной растительностью, а также почвой и корой выветривания, обладающими высокой влагоемкостью, ни обильные осадки, ни чрезвычайно большой поток солнечного тепла, ни энергичное биогеохимическое выветривание, ни возможные другие факторы денудации даже в горах не в состоянии вызвать быстрое экзодинамическое снижение территории, сопоставимое с таковым в гляциально-нивальных условиях,. Основные энергозатраты экосистемы связаны с транспирацией, которая стимулируется как нагревом растений, так и воздействием ветра. Доля энергии, израсходованная на биологические процессы в фитоценозе оценивается как примерно половина радиационного баланса (Одум, 1975). Однако более поздние расчеты дали еще большую величину. Зная это и учитывая факт геоморфологической консервативности гор влажных тропиков, можно утверждать, что подавляющая часть энергии внешних сил расходуется на биологическое движение материи - поддержание биологического круговорота. 14.8. Через призму круговоротов. Из этих примеров можно реально представить, что представляет собой преобладание на Земле условий первого типа, соответствующее дестабилизированному состоянию биосферы, и что - превалирование обстановки второго типа, которое и есть ее гомеостаз. Посмотрим на эти две ситуации в несколько ином ракурсе. Выявить некоторые главные особенности проявления первой и второй сил удобно, исходя из представления о действии на Земле круговоротов вещества: большого - геологического (геокруговорот) и малого - биологического (биокруговорот). Хотя представление о геокруговороте довольно абстрактно, все же можно считать, что главная выводящая его ветвь действует в пределах денудируемой части литосферы, т.е. суши, как раз там, где сосредоточено 99% планетарной биомассы и образуется большая часть первичной продукции. Скорость геокруговорота зависит от многих причин, включая факторы глубинной жизни Земли. Однако главными в перераспределении вещества на земной поверхности являются различные виды деятельности воды во всех трех фазах, в сочетании с остальными внешними геологическими силами, проявляющимися в определенных условиях. Геокруговорот выводит в биосферу необходимые для биосинтеза минеральные вещества, депонированные в твердой земной оболочке. При этом происходит высвобождение фоссилизованных воды и газов. В частности, окисление бывшего в захороненном состоянии органического вещества приводит к пополнению ресурсов воды, что не слишком существенно, и атмосферного СО2, что может играть важную роль в функционировании биосферы. Впрочем в геокруговорот включается также ювенильное вещество. Уводящая ветвь геокруговорота находится в областях устойчивой аккумуляции, т.е. в океане, особенно в пределах шельфа и других частей материковой окраины, а также в бессточных водоемах суши и в местах устойчивой аккумуляции типа дельт, конусов выноса, болот и др.

249

Всюду в таких обстановках в литосфере депонируется содержимое потоков вещества, создаваемых внешними силами при опосредствованном, а иногда и прямом участии внутренних сил Земли. Одной из главных внешних сил, от которой зависят многие свойства потоков вещества, является живая природа, что было показано на примере. Вследствие этого через потоки вещества биотическое влияние распространяется на литосферу. Априори можно сказать, что геокруговорот лишь в первом приближении можно считать проявлением сил неорганической природы. В сфере эндодинамики имеет место опосредствованное влияние на геокруговорот биотических сил, так как вещество уводимых в глубины Земли осадочных пород само по себе отличается от ювенильного и, кроме того, оказывается насыщенным энергией, аккумулированной благодаря деятельности организмов. Но это особая тема об информационных потоках из живой природы, а точнее из гомеостатичных и близких к тому экосистем в неживую материю, преобразующуюся в сфере эндодинамики. Можно считать, что геокруговорот вводит в биосферу многие необходимые организмам вещества и выводит из нее их, но вместе с некоторыми балластными и вредными ингредиентами. Редуценты, участвующие в депонировании вещества в литосфере, а также воздействие физико-химических факторов возвращают в гидросферу и атмосферу значительную часть воды, СО2 и некоторых других газов, которые связаны в различной форме в составе захороняемого материала. Благодаря геокруговороту в литосфере захоронены в фоссилизованной форме огромные количества воды, кислорода и углекислого газа, а также биогенного органического вещества. Депонирование последнего силами неорганической природы обеспечило накопление кислорода в атмосфере, хотя сам процесс формирования свободного О2 был в основном биогенным. В целом геокруговорот - это необходимое условие поддержания жизни на Земле, и, следовательно, работы биокруговорота. Однако экологический баланс т.е. гомеостаз может быть достигнут только при весьма значительном изменении режима геокруговорота биологическим движением материи, т.е. развитии биокруговорота за счет изменения геокруговорота. А теперь вернемся к двум рассмотренным примерам. Они свидетельствуют: 1. В неблагоприятных для биоты условиях и крайней подавленности биокруговорота силами неорганической природы, деятельность последних проявляется главным образом в форме физической денудации, интенсивность которой колеблется в зависимости от степени участия в ней воды от чудовищно быстрой по геологическим меркам до очень медленной. Такое проявление восходящей ветви геокруговорота привносит в сферу экзодинамики разнообразные минеральные вещества, но из-за отсутствия биокруговорота слабо работает на возобновление экологических ресурсов. 2. При хорошей гидротермической обеспеченности живое вещество прежде всего своей фитомассой и воздействиями на абиотические компоненты природы так преобразует ее и меняет работу внешних сил, что их энергетика в наибольшей степени оказывется задействованной в биокруговороте. Главные энергозатраты оказываются связанными с биологическим движением материи. Геологическое движение материи приобретает черты консервативности, а структура и свойства потоков вещества несут черты биотической трансформированности и существенно отличаются от потоков вещества, не испытывающих такой трансформации. Биокруговорот ведет к возобновлению эко,,логических ресурсов и при этом частично подавляет геокруговорот. Выражая два состояния биосферы через соотношения сил номер один и номер два, можно говорить, 250

что в условиях нарушенного состояния глобальной экосистемы геологическое движение материи преобладает над биологическим, а в гомеостатичной биосфере биологическое движение материи превалирует над геологическим. А теперь на основе изложенного можно уточнить представление об экологическом балансе или гомеостазе. 14.9. Что такое гомеостаз (гомеостазис)? Согласно Г.Лавлоку (Lavelock, 1982), - это, когда планетарная биота управляет связями между атмосферой, океаном и педосферой и, тем самым, поддерживает стабильность потоков вещества в биосфере, прежде всего круговорот углерода. Вследствие этого живое вещество контролирует парниковый эффект и стабилизирует климат планеты. Такое понимание гомеостаза по меньшей мере является неполным, а отчасти ошибочным, ибо биотическое воздействие не было главным в изменениях климата геологического прошлого. Точнее будет сказать так: 1) гомеостаз биосферы, обеспечиваемый действием прямых и обратных связей между живой и неживой природой, имеет место только при некотором весьма высоком уровне поглощения планетарной биотой солнечной энергии. Тем самым достигается очень значительное изменение - трансформация биотическим фактором систем экзодинамических процессов и ослабление физической денудации, что выражается в более консервативном развитии выводящей, а, следовательно, и уводящей ветвей геокруговорота. Функционирование системы “атмосфера - гидросфера - литосфера”, трансформированной живым веществом, интенсифицируется в рамках обеспечения связей между живой и неживой природой и становится более вялым, если его рассматривать через призму геологического движения материи; 2) гомеостаз возможен только в условиях отсутствия экстремальных космических или внутриземных воздействий на биосферу, которые не связаны совсем или в скольконибудь существенной мере с процессами в живой природе. Когда такие дестабилизирующие воздействия имеют место, они способны временно выводить глобальную экосистему из равновесия и ослаблять продукционный и экологический потенциал органического мира; 3) гомеостз во многом зиждется на связях, разрушение которых носит триггерный характер. Следовательно, живая природа и многие биокосные образования, поддерживающие гомеостатичность биосферы, оказываются весьма хрупкими, спонтанно разрушающимися в ходе нарушения экологического баланса силами неорганической природы; 4) достоверно известны два типа естественной дестабилизации биосферы: а) геологически мгновенная - метеоритно-ударная и б) геологически продолжительная, в частности, - криогенно-гляциальная. Разные по продолжительности эндогенные воздействия часто проявляются резонансно с экзогенными; 5) дестабилизация биосферы как первого, так и второго типа, когда бы она не проявлялась, была результатом особого (жесткого) космопланетарного режима, в условиях которого гомеостаз невозможен. Таким образом, природный гомеостаз наступает и сохраняется только при наличии мягкого космопланетарного режима; 6) вторжение в биосферу третьей силы - технически вооруженной цивилизации - нарушило гомеостаз в природной обстановке, благоприятной для его поддержания; 7) дестабилизированная биосфера в условиях мягкого космопланетарного режима такова уникальность текущего отрезка геоистории Это ,совершенно новое - третье состояние биосферы, так как разные биосферные подразделения, по сути дела, находятся под воздействием двух противоположных режимов: способствующего деградации 251

(преобладает) и оптимизации. Местами они накладываются, а местами действуют изолировано. Это и изолировано. Это и есть третья природа. 14.10. Климатический предел гомеостаза. В естественных ландшафтах степень подавления сил неорганической природы силами биотическими больше всего зависит от климата, хотя существуют и другие внешние и внутриземные факторы, действующие таким образом. В соответствии с представлениями В.Г.Горшкова, в течение голоцена биосфера находилась в равновесном состоянии и только в ХVII в. началась стремительная ее дестабилизация. Критерий стабильности ученый видит в примерном постоянстве содержания атмосферного СО2, что обеспечивалось отсутствием сколько-нибудь значительной антропогенной нагрузки на природную среду в климатических условиях, достаточно сходных с современными. Таким образом, несмотря на существенную географическую дифференциацию широтных зон и высотных поясов на суше и большую неоднородность ландшафтов Мирового океана, в голоцене, мощность естественного глобального биокруговорота была достаточна для поддержания гомеостаза в доиндустриальное время. Современная среднеглобальная температура Земли оценивается примерно в +15ОС, а в малый ледниковый период она могла быть примерно на градус ниже. Следовательно, при современном распределении суши и моря для поддержания гомеостаза биосферы при отсутствии существенной антропогенной нагрузки на нее достаточно, чтобы среднеглобальная температура была на уровне +14 +15ОС. Для правильной оценки современного экологического кризиса большое значение имеет выявление главных особенностей критических интервалов прошлого. В последнюю ледниковую эпоху среднеглобальная температура опускалась до +9 +10ОС и это были условия сильнейшего нарушения глобального экологического баланса естественными причинами. Ныне эти причины хорошо известны под названием астрономических циклов Миланковича. В более общей форме можно сказать, что время в которое мы живем, относится к лавразийской гляциоэре, ее пока наиболее суровому отрезку плейстоцену, характеризующемуся чередованием более продолжительных ледниковых эпох и менее продолжительных межледниковых эпох (последняя из них - голоцен). Еще до появления термина “гляциоэра”, отрезки геоистории, когда Земля переживала череду оледенений, были названы космическими зимами. Значит, некие подобия ядерных зим и космические зимы, т.е. геологически мгновенные и достаточно растянутые волны холода ввергали биосферу Земли в критические состояния. И наоборот потепления климата по крайней мере в позднюю геологическую историю всегда ассоциировались с гомеостатичными или квазигомеостатичными состояниями биосферы. Это обстоятельство ставит под сомнение правильность действий ученых и политиков, доказывающих, что современное потепление климата экологически вредно. Между тем, все больше накапливается информации, что былые критические состояния биосферы по некоторым главным параметрам должны быть оценены как куда более опасные, чем современное. В прошлом происходили только природные подземные пожары залежей каустобиолитов, а сжигание ископаемого топлива не могло иметь места. Зато негативные изменения почвенно-растительного покрова как реакция на глобальное ухудшение состояния биосферы достигали колоссальных размеров. Автор предполагает, что такой ретроспективой воспользовались разработчики концепции “ядерной зимы”, обратившись к изучению последствий взрыва гигантского метеорита 65 млн. лет назад. Опасность “ядерной зимы” миновала, и это понимают все. Это стало одним из величайших поворотов в развитии биосферы, который осуществил252

ся способом политического решения. Значение этого поворота для биосферы осталось незамеченным в средствах массовой информации по причине недостаточной экологической культуры лиц, имеющих к ним прямой доступ. 14.11. Выводы. Почти четыре миллиарда лет в истории биосферы чередовались два состояния - хаоса и гомеостаза. В мезолите, т.е. между 10 и 5 тыс. лет назад развитие производящего хозяйства и первая демографическая революция стали прелюдией к переходу природы в третье состояние. Однако антропогенное нарушение гомеостаза биосферы произошло в эпоху НТР. В связи с этим важно выяснить предел устойчивости современной биосферы, исходя из знания природных законов ее эволюции. Теперь настало время целенаправленного познания особенностей космических зим, что помогло бы человечеству в поиске пути к устойчивому развитию. 15. Неустойчивая биосфера и устойчивое развитие

15.1. Постановка проблемы.В последние десятилетия нашего века интенсивно исследуются глобальное нарушение человечеством биогеохимических циклов, вторжение в климатическую систему, сокращение ареалов дикой природы и биоразнообразия. В связи с этим, а также с лавинообразным приростом численности населения, дефицитом продовольствия, волнами голода и гибелью от него людей встал вопрос о емкости биосферы и способности систем жизнеобеспечения продолжать выполнять свои функции в условиях растущего антропогенного пресса. В этой ситуации ревизуются, иногда под видом новых, представления о биосфере. Напомним, что В.И.Вернадский, разработав и использовав биогеохимический подход, открыл, что живое вещество является неотъемлемым атрибутом единого механизма системы атмосфера-гидросфера-литосфера. Г.Лавлок (Lovelock, 1982), вероятно, незнакомый с трудами В.И.Вернадского, разработал похожую концепцию. По Г.Лавлоку, наша Мать Земля, или Гея - это как бы один сложный организм, в котором соединены почва, земная биота, атмосфера и океан. Живое вещество контролирует состав атмосферы и тем самым противодействует любым негативным изменениям в биосфере. Прямые и обратные связи поддерживают гомеостаз, т.е. устойчивое состояние организма Геи. Так Г.Лавлок конкретизировал и несколько изменил тезис В.И.Вернадского об организованности биосферы. В.Г.Горшков (1995) выразил языком математических формул идею Г.Лавлока о гомеостазе глобальной экосистемы, заменив образ Матери Земли - Гея следующим тезисом: биосфера подчиняется принципу Ле Шателье - Брауна и ведет себя как саморегулирующаяся система, способная подавлять всякие природные нарушения и восстанавливать некий внутренний баланс. Выводы В.Г.Горшкова в несколько дополненном его коллегами виде таковы: - естественная биота Земли устроена так, что способна с высочайшей точностью поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды; - огромная мощность продукции, достигнутая биотой, позволяет ей восстанавливать любые естественные нарушения окружающей среды в кратчайшие сроки, за десятки лет; - огромная мощность, развиваемая биотой Земли, таит в себе скрытую опасность быстрого разрушения окружающей среды за десятки лет, если целосность биоты будет нарушена. Широкомасштабное окультуривание ландшафтов опаснее образования антропогенных пустынь; 253

- биосфера, по-видимому, может компенсировать любые возмущения, производимые человечеством, если доля его потребления не превышает 1% продукции биосферы; - современные изменения биосферы человеком, ведущие к выбросу биотой 2,3 млрд т/год углерода в атмосферу, свидетельствуют о переходе ее в неустойчивое состояние, о сильном нарушении глобальных биогеохимических циклов и, соответственно, о существенном подавлении разрушительными процессами процессов естественного саморегулирования; - современное состояние биосферы обратимо. Она может вернуться в прежнее устойчивое состояние, имевшее место еще в прошлом веке. Для этого необходимо на порядок снизить потребление ее естественной продукции; - другого устойчивого состояния биосферы не существует и при сохранении или росте антропогенной нагрузки устойчивость окружающей среды будет разрушена; - из-за инерционности демографических процессов рост населения до 8 млрд. неизбежен, однако после стабилизации на этом уровне необходимо почти на порядок снижение числа людей на планете путем планирования семьи и только в этом случае дестабилизированная биосфера снова возвратится в устойчивое состояние саморегулирования в соответствии с принципом Ле Шателье - Брауна, так как отторжение человеком ее продукции не будет превышать 1% (Проблемы экологии…,1993). Таким образом, В.Г.Горшков и девять его соавторов по книге "Проблемы экологии России" вынесли суровый вердикт стихийно развивающейся цивилизации, которая в ХХ в. слепо подошла к порогу устойчивости биосферы, нарушив много сильнее, чем это допустимо, по их мнению, природные механизмы регулирования биогеохимических циклов. И поэтому человечество оказалось перед экологическим императивом: "Либо восстановление дикой природы на уровне Х1Х в. или даже несколько более ранних времен, либо конец света. Третьего не дано!" Эта чрезвычайно интересная концепция, выигрывающая на фоне других благодаря своей определенности, все же в отдельных принципиальных положениях кажется спорной. Обратим внимание на изменение представления о главном свойстве биосферы. По В.И.Вернадскому, ее организованность - это проявление упорядоченности Космоса, главное, но не единственное выражение которой представлено в строении и свойствах механизма земной коры и его центрального блока - биосферы. По Г.Лавлоку, гомеостаз Геи - ее внутреннее свойство. По В.Г.Горшкову, биосфера гомеостатична только в рамках условий дотехногенного голоцена и ей не свойственны другие устойчивые состояния. Но выводы Г.Лавлока и В.Г.Горшкова, сделанные с позиций метода актуализма, не согласуются с данными палеогеографии. Об этом, в частности, сказано В.А.Зубаковым (1995), который подчеркнул, что "реальная эволюция шла путем чередования гомеостазисов и бифуркаций-катастроф (кризисов и революций) по пути усложнения и убыстрения" (с. 28). Но если биосфера уже проходила через катастрофы и не разрушилась, то необходимо использовать данные о них для оценки современной ситуации. Забегая вперед, отметим: знание прошлого биосферы позволяет более оптимистчно смотреть в будущее. 15.2. Прошлое биосферы для будущего. Неуничтожение жизни на Земле в течение почти 4 млрд лет считается даже более удивительным, чем само ее наличие. Ныне многократность великих вымираний (рис. 18) - установленный факт, как и эволюционное видообразование. Градуалисты - сторонники точки зрения Ч.Лайеля о постепенности развития органического мира - и катастрофисты, признающие в измененном виде идеи Ж.Кювье, оди254

наково правы. Безвозвратный уход в небытие видов, родов, семейств и даже отрядов и целых классов живых организмов приводил к существенному обновлению состава биоты. В.Е.Хаин (1995) указывает на шесть грандиозных переломов в развитии органического мира, которые имели место в фанерозое, т.е. в последние 600 млн. лет. Это конец ордовика, поздний девон (граница франкского и фаменского веков), граница перми и триаса, конец триаса, граница мела и палеогена, конец эоцена и рубеж плейстоцена и голоцена. Н.А.Ясаманов выделяет в фанерозое 21 такой эпизод. Если палеонтологи по окаменелостям фиксируют чередование порядка и хаоса в органической природе, то палеогеографы не всегда могут определить главную причину этих изменений. Особенно привлекательна концепция причинноследственной связи между падениями на Землю гигантских метеоритов и великими вымираниями, хотя всякого рода эндогенные катаклизмы, среди которых называют даже аномалии в движении литосферных плит, также относят к импульсам нарушения градуалистического развития природы. Метеоритные катастрофы заслуживают особого внимания по причине быстротечности геосферных событий, непосредственно следовавших за ударом космического гиганта. Число доказанных метеоритных кратеров, или так называемых астроблем в континентальной коре превышает 100. Однако пока нельзя учесть адекватные падения космических тел в океан? Как бы-то ни было, допускается, что в фанерозое в Землю врезались почти две сотни болидов с Рис.18 размером диаметра у каждого от 2,5 до 4,5 Крупнейшие стрессы в истории более. км, а иногда и биосферы Широко известна метеоритная катастрофа, которая 65 млн лет назад вызвала вымирание динозавров, морских рептилий, аммонитов, белемнитов, многих двустворчатых моллюсков и некоторых мшанок. Взрыв космического тела, массой в несколько сотен миллиардов тонн и диаметром около 10 км вызвал нечто похожее на ядерную зиму. Выгорело примерно 25% наземного растительного покрова. Вероятно, тогда Земля подверглась более, чем одному удару из Космоса. У кратера Чиксулуб с возрастом 65 млн лет на Юкатане недавно появился “ровесник”, именуемый Карской астроблемой (Хаин, 1995). Нарушение природного баланса было столь велико, что его приравняли к рубежу, разделяющему мезозой и кайнозой. Между тем, эта катастрофа все же не крупнейшая в истории органического мира, но, безусловно, самая значимая. Минуй тогда Землю бомбардировка из Космоса, неизвестно сколь долго еще продолжалась бы эра гигантских рептилий. А так, их экологическую нишу в кайнозое заняли млекопитающие, эво255

люция которых привела к появлению Homo sapiens sapiens и к тому, что ныне происходит в биосфере. Но только ли геологически мгновенные космические воздействия столь серьезно дестабилизировали биосферу? В последнее время ученые все чаще рассматривают эпохи великих оледенений как крупнейшие природные катаклизмы. Связь четвертичных ледниковых эпох и интерстадиалов с астрономическими циклами М.Миланковича ныне общепризнана. Сербский ученый связал наступление ледниковых эпох с изменениями трех параметров земной орбиты: эксцентриситета (степени отклонения орбиты от круговой), наклона земной оси (угла между осью и перпендикуляром к плоскости орбиты) и временем прохождения перигелия (момента наибольшего сближения Земли с Солнцем). Каждый из этих параметров медленно меняется под влиянием притяжения Луны и других планет. Эксцентриситет достигает максимальных значений приблизительно каждые 100 тыс. лет. Циклы колебаний наклона оси и времени прохождения перигелия имеют продолжительность соответственно 40 тыс. и 20 тыс. лет Результатом указанных изменений положения Земли по отношению к Солнцу являются достаточно сильные циклические колебания летней инсоляции в высоких широтах в условиях относительного постоянства радиационного баланса в целом (Хаин, 1995). В определенных географических условиях этого было достаточно для появления и саморазвития громадных ледников в горах и на равнинах, включая части ныне затопленного шельфа. Следовательно, вывод о космической обусловленности дестабилизации биосферы в течение гляциоэр вполне правомочен. В течение фанерозоя, т.е. последних 800 млн. лет, имели место не менее пяти гляциоэр, когда происходило похолодание климата, приводившее к чередованию ледниковий и интерстадиалов. Проявления еще двух или даже трех гляциоэр относится к глубокому докембрию (Хаин, 1995). В распоряжении специалистов по палеогеографии четвертичного периода в настоящее время имеется более чем достаточный материал, чтобы утверждать, что в эпохи великих оледенений, т.е. по крайней мере в среднем и позднем плейстоцене, биосфера подвергалась колоссальной дестабилизации, если таковой считать огромное снижение продукционных процессов и громадные масштабы абиотизации суши в результате захвата территории ледниками и ледниковоподпрудными озерами-морями, распространения низкопродуктивных и с малой биомассой перигляциальных ландшафтов и "бегства" чувствительных к холоду растительных зон на равнинах к экватору, а в горах - в их нижние яруса и предгорья. Граница нивально-гляциального пояса в это время опускалась более чем на 1 км. В условиях похолодания климата снижалась насыщенность парами воды атмосферы, в ней резко падало содержание углекислого газа и метана, а ее запыленность становилась необычайно большой. Таким образом, силы неорганической природы оказывались гораздо мощнее гомеостатических процессов. Потоки вещества, связывавшие живую и неорганическую природу, сокращались до величин, которые соответствовали параметрам геосфер, измененных воздействием космо-планетарных факторов. И поэтому в максимум вюрмского оледенения, т.е. примерно 18 тыс. лет назад имела место очень значительная убыль наземной биомассы, органического вещества почв и торфяников. В сумме (в пересчете на углерод) их масса не превышала половину такого же показателя для современности, и была еще меньше по сравнению с таковой, какая была 6-8 тыс. лет назад в оптимум голоцена и в несколько более теплое ээмское межледниковье (Terrestrial…,1995). В Северном полушарии наземная фитомасса в максимум вюрмского оледенения составляла примерно 1/4 от таковой в ээмское межледниковье и 1/3 от современной (Climate…,1995). 256

Столь сильная абиотизация суши, являющейся главной цитаделью живого вещества и генофонда планеты, была вызвана несколькими причинами. Средняя глобальная температура снизилась тогда на 4-5ОС ниже современной, запыленность атмосферы увеличилась многократно: в 8-30 раз по данным бурения Антарктического ледникового щита и в 200 раз - по данным бурения ледника Хаускаран в северно-центральных Андах. Рост криосферы сжимал биосферу и нарушал ее гомеостаз. Важнейшим критерием такого нарушения необходимо считать изменение структуры гидрологического цикла. Вглядываясь в его даже самые общие особенности, можно видеть, что в ледниковые эпохи из-за уменьшения теплового баланса Земли снижался влагооборот между океаном и сушей, падало содержание влаги в атмосфере, а значит была меньше составляющая парникового эффекта, которая обеспечивается присутствием водяного пара. Помимо всего, ледники, льды, снега, и покрытые большую часть года ледовым панцирем приледниковые озера-разливы - все эти “регалии” ледниковой эпохи, получившие необычно широкое распространение, должны были значительно повысить альбедо земной поверхности и снизить ее радиационный баланс. Упавшее содержание парниковых газов, особенно атмосферного СО2 усугубляло эффект выхолаживания планеты. Выхолаживание планеты несколько ослаблялось тучами пыли, которые постоянно находились в атмосфере. Масса и продукция живого вещества, на суше снизившиеся, вероятно в несколько раз, лимитировались низкой гидротермической обеспеченностью, чрезвычайно высокой запыленностью атмосферы, и, следовательно, пониженным потоком фотосинтетически активной радиации (ФАР), а также как никогда малым содержанием атмосферного СО2. В этих условиях должна была понижаться энергетическая эффективность фотосинтеза у С3-растений, господствующих в наземных экосистемах. Развитие водных экосистем могло ослабляться длительными сроками ледостава, худшими условиями прогреваемости и проницаемости для солнечных лучей водных объектов. Возможно, какой-то негативный эффект имело и обеднение океанических вод углекислотой, тогда как обеспеченность их биогенными веществами была лучше за счет обильного “дождя” из эоловой пыли. Почему это произошло падение концентрации углекислого газа в воздухе? 15.3. Фоссилизация СО2 атмосферы при образовании лессов.

257

Причины низкого содержания СО2 (200-230 частей на млн.) в атмосфере Земли в ледниковые эпохи четвертичного периода к настоящему времени начинают выясняться. Сопоставление трех закономерных кривых, характеризующих изменение температурных условий, содержания атмосферного СО2 и интенсивности формирования лёссов на Земле за последние 130 тыс. лет обнаруживает совпадение пиков холода, устойчивого дефицита СО2 в атмосфере и импульсов лёссонакопления (рис. 19). Последние обстоятельства не были только следствием суровых климатических условий, связанных с проявлением эффекта Миланковича. Истощение углекислотного резерва газовой оболочки Земли само по себе должно было оказывать влияние на термические (парниковый эффект СО2), продукционные (удобрительный эффект СО2) и воднобалансовые (антитранспирационный эффект СО2) характеристики биосферы. В настоящее время фактический материал дает основание считать, что в холодные фазы плейстоцена континентальный литогенез в перигляциальных зонах “выкачивал” до предельного уровня СО2 из атмосферы Земли, главным образом в процессе формирования лёссовых пород. Лёссовые породы распроРис.19 странены на значительных Сопоставление изменений температурных условий (1), содержания площадях в северной и средней атмосферного СО2 (2) и интенсивно- Евразии, не менее широко в сти образования лессовых пород (3) Северной и Южной Америке, в за последние 130 тыс. лет по харак- Австралии. Обнаружены затоптеристикам 18О в донных океаниче- ленные лёссовые породы и на д СО2 шельфе Северного Ледовитого океана и Черного моря; по-видимому, и здесь площади развития лёссовых образований также достаточно обширны. Только в странах СНГ площади лёссовых пород составляют более 7 млн. км2 континентальной поверхности. Не будет преувеличением считать, что все области древней аккумуляции лёссовых пород на Земле, по крайней мере в позднечетвертичное время, могли охватывать пространства площадью 20-25 млн. км2. Обилие карбонатов в лёссовых породах является их достаточно устойчивым литологическим признаком. Карбонаты в лёссах присутствуют в аллотигенной и аутигенной формах. Карбонаты второго генетического типа обычно преобладают и очень значительно. Об этом, в частности, может свидетельствовать распространение разностей лёссовых пород с очень низким (