Шагреневая кожа Земли: Биосфера-почва-человек

Можно со всей определенностью сказать, что почва выполняет ряд весьма существенных гидрологических функций, среди которых в первую очередь выделяется трансформация атмосферных осадков в почвенно-грунтовые воды.

Кроме обеспечения самой возможности просачивания осадков в грунтовую толщу, почва во многом определяет химизм грунтовых вод, поскольку атмосферная влага, взаимодействуя с почвой, заметно изменяет свой первоначальный состав. В зависимости от конкретных свойств почвы химические изменения осадков различны. Так, при фильтрации через бедные солями торфянистые почвы тундры и подзолистые почвы тайги вода обогащается значительным количеством органического вещества и в малой степени солями. Иная картина наблюдается при фильтрации воды через черноземные, каштановые, солонцовые почвы, которые заметно пополняют ее солями. При прохождении через почву существенно изменяется и газовый состав атмосферных осадков, прежде всего в них резко снижается количество кислорода и заметно возрастает содержание углекислоты.

Следует, однако, подчеркнуть, что, несмотря на тесную зависимость динамики и концентрации грунтовых вод от свойств почвы, для объективного объяснения их изменчивости необходимо учитывать и другие факторы: особенности климата, состав материнских пород, рельеф и др.

При объяснении современной динамики грунтовых вод необходимо учитывать влияние на их формирование хозяйственной деятельности человека. Так, вносимые в почву удобрения могут попадать и в подземные воды, нередко загрязняя их. Сильное антропогенное изменение атмосферных осадков способно существенно отразиться на химизме грунтовых вод.

Другой гидрологической функцией является участие почвы в формировании речного стока и водного баланса. Прежде всего от почвы зависит соотношение поверхностного и грунтового стока в реки. В случае развитых структурных почв, способных легко впитывать атмосферные осадки, поверхностный сток в равнинных регионах имеет обычно подчиненное значение, а пополнение грунтовых вод осуществляется успешно. Когда же водопроницаемость почв недостаточна, создаются предпосылки для усиления поверхностного стока, что может вызвать ряд неблагоприятных последствий: активизацию эрозии, длительные паводки весной и сильное обмеление рек в засушливый период. Поверхностный сток в отличие от грунтового носит резко выраженный пульсирующий характер. За короткие промежутки времени в реки могут поступать огромные массы воды, а затем нередко наблюдаются длительные перерывы в поверхностном водоснабжении речной сети. Грунтовое питание гораздо более выровненное и потому более надежное.

Соотношение поверхностного и грунтового стока во многом зависит также от промерзаемости почв, характера растительности, рельефа и т. д. В случае сильно увлажненных почв их глубокое промерзание может вызвать усиление поверхностного стока в связи с закупоркой пор кристаллами льда, что нередко наблюдается в Западной Сибири. При промерзании сухой почвы водопроницаемость мелкозема не снижается. Резко уменьшается поверхностный сток, когда почвы покрыты хорошо развитым растительным покровом. Например, в лесу по сравнению с полем сток на поверхности почвы ничтожно мал. Это связано не только с тем, что благодаря более благоприятным физическим свойствам целинных лесных почв инфильтрация влаги в них в 2–3 раза выше, чем на полях, но и с водозадерживающими свойствами густой растительности.

Участие почвы в формировании водного баланса Земли отмечалось рядом исследователей. По М.И. Львовичу (1986), основные составляющие водного баланса Земли за год следующие: осадки над Мировым океаном 79,2 %, над сушей 20,8 %; испарение с поверхности океана 86,2 %, с поверхности суши 13,8 %; речной сток 7,0 %. Общее количество осадков за много лет в среднем равно испарению и составляет для всего земного шара около 580 тыс. км³ в год.

Характерной особенностью является быстрое обновление и восстановление запасов воды в почве. Если полное возобновление запасов Мирового океана осуществляется примерно за 3 тыс. лет, а подземных вод за 5 тыс. лет, то для почвенной влаги этот срок равен 1 году. Поэтому, несмотря на довольно скромный объем воды в почве по сравнению с ее содержанием в других компонентах гидросферы, роль ее в общепланетарном круговороте влаги велика. Так, от почв в значительной мере зависят суммарное испарение с поверхности суши и баланс не только грунтовых, но и других типов подземных вод. Почва во многом определяет образование даже непосредственно не связанных с ней растворов, какими являются «возрожденные» воды, образующиеся в разогретых слоях земной коры за счет выделения Н₂O из водосодержащих минералов при действии на них высокой температуры. Объясняется это просто. Вещество, образовавшееся в самой верхней части литосферы, под воздействием почвообразовательного процесса приобретает ряд новых свойств, в том числе способность к удержанию значительного количества воды. При попадании в зоны земной коры с повышенной температурой (в местах ее опускания) соединения, богатые связанной Н₂O, аккумулированной при почвообразовании и выветривании, начинают ее терять. Потери могут быть очень велики. Так, гипс при полном превращении в ангидрид на каждую тонну выделяет 210 кг свободной воды.

Другой аспект в проблеме водного баланса связан с его регулированием путем воздействия на различные составляющие, в том числе на почвенное звено.

Современные исследования показывают, что водный баланс Земли характеризуется рядом направленных изменений. Одна из тенденций — постепенное увеличение объема воды в океане и сокращение ее запасов на континентах. Имеются данные, что ежегодно воды Мирового океана пополняются более чем на 500 км³ за счет сокращения водных запасов на суше. Одна из важных причин снижения обводненности суши — резко возросшее водопотребление человеком. Расчеты показывают, что главным водопотребителем оказывается сельское хозяйство, которое львиную долю воды тратит на орошение почв, что приводит к повышению испарения с поверхности суши. Безвозвратные потери воды за счет испарения в результате хозяйственной деятельности к 2000 г. могут превысить 5 тыс. км³ (Клиге, 1985).

В связи с этим центральной проблемой в деле оптимизации водного баланса Земли оказывается воздействие на почвенное звено. Но конкретные мероприятия, связанные с решением задачи регулирования глобального баланса влаги, сопряжены с большими трудностями. Одним из эффективных способов оптимизации водного баланса является оптимальная залесенность. Однако некогда густо покрытая лесом планета продолжает терять лесные массивы. Если несколько сот лет назад леса занимали 7200 млн га, то в середине XX в. их общая площадь уже не превышала 4000 млн га. Поэтому ближайшая гидрологическая задача для многих стран — увеличение лесных посадок.

Одна из гидрологических функций почвы заключается в том, что она выступает и как фактор биопродуктивности водоемов за счет приносимых почвенных соединений. На важность этой функции указывал еще Б.Б. Полынов, подчеркивая, что соединения, вынесенные из почвы, при поступлении их в моря и океаны встречают многочисленных потребителей в лице морских животных и растений. Дальнейшие исследования подтвердили справедливость этих высказываний. В частности, установлено, что наивысшая биологическая продуктивность в Мировом океане приурочена к зоне контакта морских и речных вод, обогащенных вымытыми из почв и кор выветривания соединениями. Из этих соединений морские организмы активно извлекают кальций, магний, калий, а также кремний, фосфор и другие элементы. Особенно интенсивно потребляется кальций, который входит как составной элемент в скелеты морских животных, в раковины и панцири, слагающие после отмирания организмов мощные толщи подводных осадков.

К гидрологическим функциям относится способность почвы благодаря своей огромной активной поверхности перехватывать значительную часть вредных соединений и элементов на пути их движения в водоемы, т. е. выполнять роль геохимического барьера. Наибольших масштабов этот перехват достигает в почвах аккумулятивных ландшафтов, к которым относятся поймы. Но и на водоразделах имеются отдельные участки, успешно выполняющие эту роль. Количество задержанных вредных соединений может быть значительным. Так, при исследовании техногенно загрязненных районов было установлено, что в некоторых дерново-подзолисто-глеевых и перегнойно-глеевых почвах пониженных аккумулятивных элементов ландшафта содержится в 10-100 раз больше тяжелых металлов, чем в почвах водоразделов.