Файл: Основи екології.doc

Екосистема тим стійкіша, чим вона багатша на види. У світі відомо 1,5 тис. рослин, але масово вирощується лише 90 видів, з яких 14 належать до злакових і бобових. Вся історія землеробства - це спроба досягти компроміс між прагненням одержати високий врожай і збереженням родючості на майбутнє. Стійкість агроценозів забезпечується лише надходженням ззовні енергії у вигляді добрив, поливної води, засобів боротьби з бур’янами, шкідниками, захворюваннями. До того ж разом з врожаєм з агроекосистеми виноситься величезна кількість поживних речовин і навіть родючого ґрунту (так, в Україні гостро стоїть проблема зниження втрат ґрунту разом із зібраними цукровими буряками).

Агроценози зернових і овочевих культур стійкі лише впродовж 1 року, багаторічних трав і ягідних - 3-4 роки, плодових культур - 30-40 років. Поява агроценозів спричинює надмірне зростання чисельності певних видів шкідників, бур’янів чи захворювань: колорадського жука, який з пасльону в Колорадо перебрався на картопляні поля; філоксера, що змушує знищувати з такою любов’ю вирощені виноградники. Постійна турбота, важка людська праця, витрати пального та різних засобів підвищення врожайності підтримують продуктивність агроценозів на більш високому рівні, ніж природних екосистем, але при цьому сучасні агроекосистеми є збитковими, а сільське господарство - найбільшим споживачем енергії.

Основним компонентом агроекосистеми є ґрунт. Розглянемо найважливіші властивості грунтів.

5.3. Ґрунти

Ґрунт - самостійне тіло, яке утворилося з поверхневих шарів гірських порід під сукупним впливом тварин, рослин, мікроорганізмів, клімату, води, рельєфу місцевості, часу, діяльності людини. Товщина ґрунтового покриву становить від 15-20 см до 2-3 м. В.І.Вернадський називає ґрунт “біокосним тілом” і “благородною іржею”, оскільки він є результатом дії живої і неживої природи, а безліч видів частину або все своє життя проводять у ґрунті, розпушуючи та удобрюючи його. Найважливіша якість ґрунту - родючість, тобто забезпечення рослин усім необхідним для їх росту та розвитку.

5.3.1. Механічний і фазовий склад ґрунту

Тверда частина ґрунту складається з часточок різного розміру - уламків гірських порід, мінералів, решток рослин і тварин, нерозчинних органічних і неорганічних сполук. Умовно всі часточки розміром понад 0,01мм називають фізичним піском; менші за 0,01 мм - фізичною глиною. Ґрунти розділяють на легкі і важкі. У важких ґрунтах (>50% фізичної глини) висока вологоємність і в’язкість, низька водопроникність, вони родючі, але важкі в обробці; легкі ґрунти збагачені великими часточками, легко прогріваються і обробляються, швидко пропускають вологу, але малородючі через низьку концентрацію гумусу (органічної речовини ґрунту, що утворюється при руйнуванні рослинних і тваринних решток і продуктів їх життєдіяльності). Ґрунт складається з твердої, рідкої (ґрунтовий розчин), газоподібної (ґрунтове повітря, збагачене порівняно з атмосферним вуглекислим газом, метаном, аміаком і збіднене киснем) і живої (сукупність ґрунтових мікроорганізмів і риючих тварин) частин.

5.3.2. Хімічні процеси в ґрунті і роль ґрунту в біосфері

Всі процеси, що відбуваються в ґрунті, тісно пов’язані між собою. Оптимальною є щільність ґрунту 1 г/см³, і вже при  = 1,4 г/см³ погіршуються умови для росту коріння, газо- і водообміну, існування риючих тварин. Швидкість процесів ґрунтоутворення, товщина ґрунтового покриву, його родючість, типи грунтів (чорноземи, сірі лісові, каштанові, жовтоземи тощо) змінюються згідно з кліматичними зонами. За вмістом гумусу ґрунти поділяються на 2 типи: чорноземи - (7-10% гумусу) та підзолисті ґрунти - (до 2-3%). В.Докучаєв називав чорнозем “царем грунтів”. У Лівобережному Лісостепу України, де він складав карти грунтів, вміст гумусу становив 10-11%, тоді як нині він удвічі менший.

Яку роль відіграє гумус у біосфері? Гумус містить воду та біогенні елементи і, розкладаючись щороку на 20-50%, залежно від умов, регулює рН, створюючи оптимальні умови для росту рослин. Під час дихання живих організмів та розкладання органічних решток в ґрунті утворюється СО₂; частина його виділяється в атмосферу, інша поглинається коренями рослин та використовується в процесі фотосинтезу для створення біомаси; СО₂ збільшує розчинність солей і доступність їх для живлення рослин. Корені рослин виділяють не лише СО₂, а й численні органічні сполуки, зокрема кислоти, що впливають на рН ґрунтового розчину.

Хімічний склад і концентрація ґрунтового розчину зумовлює живлення і ріст рослин. При високому вмісті солей рослини втрачають рідину (вода виходить з капілярів коренів рослин у ґрунт); зниження рН погіршує ріст коренів, зменшує поглинання поживних речовин, пригнічує синтез білків і цукрів; при низькому рН утруднюється поглинання фосфат-іонів тощо. Підвищення температури від 10 до 25⁰С збільшує надходження поживних речовин; при охолодженні ґрунту нижче за 10⁰С уповільнюється надходження в рослини сполук азоту та фосфору.

У ґрунті містяться і хворобливі мікроорганізми - збудники захворювань (газової гангрени, череневого тифу, холери, чуми тощо). Збудники туберкульозу зберігають життєздатність у ґрунті впродовж 15 міс., дифтерійна паличка - до 2-3- тижнів. Ґрунт є посередником у поширенні гельмінтозів.

Таким чином, родючість грунтів визначають: щільність; порода; вміст гумусу; концентрація макро- і мікроелементів; тепловий режим; хімічний склад ґрунтового повітря; багатство живої речовини, відсутність забруднювачів, шкідників та збудників захворювань рослин.

Ґрунт виконує і певні глобальні і екологічні функції:

♦ забезпечення функції життя (акумулюють елементи живлення, воду, створюють умови для вкорінення рослин, життя тварин);

♦ забезпечення взаємодії геологічного і біологічного кругообігів речовин;

♦ регулювання хімічного складу атмосфери і природних вод;

♦ ґрунт - незамінний природний ресурс, через накопичення гумусу і зв’язаної з ним енергії.

5.4. Розподіл ґрунтів у світі і причини втрати ґрунтів

Сільськогосподарські угіддя на Землі становлять лише 13% загальної території; ще 19% - це природні луки і пасовища, решта земель не використовується в сільському господарстві через те, що вони розташовані в зонах з холодним або посушливим кліматом, розміщені на крутих схилах, або є малопотужними. Сільськогосподарська засвоєнність суші на планеті досягає близько 30%. Найбільша забезпеченість за площею ріллі на душу населення в Канаді (1,8 га), найменша - в Японії (0,05 га).

Серед причин, що призводять до втрати грунтів, головними є:

♦ розорювання степів (перетворення Великої рівнини США на пустелю, освоєння цілини в Казахстані);

♦ перевипасання (в Ісландії вівці перетворили місцевість на кам’янисту пустелю);

♦ зниження лісистості (в пустелі Гобі 4 століття тому вирощували хліб, а Лівійська пустеля була житницею могутнього Риму);

♦ зрошення в посушливій місцевості зумовлює вимивання солей з глибин у верхні шари ґрунту, засолення його внаслідок швидкого випаровування води, і забруднення (забруднення земель на півдні України пестицидами, радіонуклідами та ін. водами Південнокримського каналу, заболочення значних територій);

♦ ерозія грунтів - процес руйнування ґрунтового покриву і знесення його часток потоками води (водна ерозія) або вітром (вітрова ерозія), яка посилюється внаслідок господарської діяльності людини. Спричиняє утворення пилових бур, що переносять повітряними потоками мільйони тон родючого ґрунту на сотні і навіть тисячі кілометрів. Головними причинами ерозії є руйнування гумусового шару внаслідок розорювання цілинних земель; вирубування лісів; перевипасання й витоптування трав’янистого покриву; кар’єрний спосіб видобутку корисних копалин; будівництво споруд, транспортних магістралей, комунікацій тощо;

♦ підкислення грунтів, тобто - зниження їх рН, спричинене забрудненням хімічними сполуками, що мають кислотний характер (винесення з глибоких шарів сульфідів під час видобутку корисних копалин відкритим способом та окиснення їх до сірчаної кислоти на поверхні, випадання кислот з атмосферними опадами тощо);

♦ заболочування через нераціональний полив угідь; інфільтрації вод з великих водосховищ у прилеглі землі; затоплення великих територій при будівництві ГЕС тощо;

♦ осушування боліт;

♦ спустелювання - зниження біологічної продуктивності природних екосистем (деградація пустельних і напівпустельних територій через знелісення, ерозію, засолення тощо); арктичне спустелювання тундрових і лісотундрових екосистем через антропогенну діяльність - геологічні розвідки, видобуток нафти, перенавантаження пасовищ оленями;

♦ розростання міст (урбанізація), яке відбувається у всьому світі (із 100% земель сільськогосподарськими угіддями зайняті 7,5%, присадибними землями - 13,5%, лісами, чагарниками, болотами - 11,2%, під суспільними будівлями - 10,8%, під дорогами, вулицями, площами - 38,3%).

5.5. Основні забруднювачі грунтів

Найпоширенішими забруднювачами грунтів, що впливають на фізичні й хімічні процеси в ґрунті, ріст і розвиток рослин, функціонування наземних і водних екосистем (зокрема, в разі змивання з поверхні в природні водойми сполук азоту чи фосфору відбувається евтрофікація), є мінеральні добрива, нафтопродукти, важкі метали, радіонукліди, пестициди. Деякі з них людина цілеспрямовано вносить для забезпечення родючості ґрунту чи з метою захисту рослин, але без урахування доз, кліматичних умов, типу ґрунту це може спричинити їх накопичення, пригнічення життєдіяльності рослин і ґрунтової фауни, передавання по ланцюгах живлення і несприятливий вплив на здоров’я людини. Розглянемо основні забруднювачі, шляхи їх надходження в ґрунт та дію.

Мінеральні добрива вносять для компенсації втрат мінеральних речовин ґрунтом із зібраним врожаєм і підтримання родючості землі. Але при їх внесенні не завжди враховують хімічний склад ґрунту, терміни й строки внесення тощо, і це призводить до накопичення їх у ґрунті та рослинах (наприклад, накопиченню у рослинах нітратів сприяють високі дози азотних і органічних добрив), надходженню у поверхневі води зі стоком. Крім того добрива часто містять важкі метали та радіонукліди. Так, в 1 т суперфосфату міститься 0,7-0,9 кг Рb, 0,3кг Cd, невеликі кількості U, Ra, Tr.

Пестициди - збірна назва засобів для боротьби з бур’янами, шкідниками, грибними захворюваннями сільгоспкультур тощо. Деякі речовини використовують для одночасного дозрівання врожаю, скидання листя перед збиранням тощо. Найбільше їх потребується під час вирощування рису, винограду, а також культур на поливних землях. Окремі пестициди стійкі в довкіллі, здатні до біоакумуляції, токсичні для людей і тварин (спричинюють отруєння, каліцтва, утворення злоякісних пухлин). Найбільш поширені пестициди: ДДТ, карбофос; дихлофос. За стійкістю в довкіллі пестициди поділяються від дуже стійких (ДДТ зберігається в довкіллі понад 50 років) до малостійких (переходять у нетоксичні сполуки впродовж 1 міс.). У сільському господарстві СРСР у 1983р. використовувалося 25 кг хімічних добрив на людину, що призвело до того, що кількість новонароджених з генетичним відхиленням становила 16,5% загального числа (при 30% генетичних порушень популяції загрожує загибель).

Незважаючи на пропаганду відмови від пестицидів, їх виробництво у світі зростає, оскільки вони поліпшують якість окремих видів продуктів, наприклад, знищують гриби на злакових; а за даними експертів ВООЗ шкідливий вплив пестицидів менший, ніж стресів, смогу, вихлопів автотранспорту, спалювання сміття. Але наводяться і протилежні факти. Досліджено, що пестициди стимулюють поширення небезпечних вірусів, а на Кубані, де при вирощуванні рису вводять багато пестицидів, діти до 14 років хворіють на туберкульоз у півтора рази частіше, ніж раніше.

Важкі метали - це умовна назва металів, які мають щільність понад 5 г/см³, більшість яких токсична (Zn, Cd, Cr, Pb, Mn та ін.). Важкі метали є отрутою, токсичність яких зростає зі збільшенням атомної маси. Вони надходять у ґрунт з відкритих видобутків корисних копалин; викидів металургійних заводів (в радіусі 5 км); хімічних і сміттєспалювальних фабрик; ТЕС (в радіусі 10-20 км); звалищ відходів; атмосферних опадів; пожеж тощо. Поблизу пожвавлених автомагістралей ґрунт дуже забруднений, особливо свинцем, що входить до складу палива. Метали порівняно легко накопичуються в ґрунтах, але повільно і важко видаляються з них, оскільки період напіввидалення металів різний і становить, наприклад, для цинку ~500 років, міді ~1500 років, а для свинцю - до кількох тисяч років.

Хімічне забруднення грунтів металами оцінюють за сумарним показником забруднення Z_c, який визначають як суму концентрацій окремих металів, що беруть участь в забрудненні. За значенням Z_c розроблена шкала небезпеки забруднення грунтів для здоров’я людини. При мінімальному забрудненні (Z_c<8) ситуація відносно стабільна, небезпека невелика; при середньому забрудненні (Z_c=16-32) ситуація помірно небезпечна, збільшується захворюваність дітей, сумарна захворюваність досягає 15%; при великому забруднення (Z_c від 16-32 до 128) екологічна ситуація надзвичайна до дуже небезпечної, вже при Z_c=16-32 зростає захворюваність дітей на хронічні хвороби, порушується діяльність серцево-судинної системи, сумарна захворюваність досягає 40%. При максимальному забрудненні (Z_c>128) сумарна захворюваність перевищує 70%, зростає смертність, ситуація характеризується як екологічне лихо.

Рослини мають різну стійкість до важких металів. Окремі види здатні накопичувати значні кількості їх, виступаючи в ролі геоіндикаторів. Цю здатність використовують і для очищення грунтів від катіонів важких металів.

Нафтопродукти і нафта потрапляють у ґрунт під час видобутку нафти і природного газу; у разі аварій нафтопроводів; разом зі стічними водами підприємств, автомийок, змивання з поверхні автомагістралей; з атмосферними опадами; під час роботи техніки на полях. Нафта при високих концентраціях ізолює поживні речовини від коренів рослин, робить ґрунтову масу гідрофобною; через наявність вуглеводів та інших сполук нафта і нафтопродукти токсичні для ґрунтової біоти. Однак у ґрунті є організми (численні бактерії, гриби), здатні вибірково руйнувати ті чи інші компоненти нафти, використовуючи їх як джерело вуглецю для створення біомаси. Нафта з часом руйнується; швидкість цього процесу різна для різних компонентів.

У світі з метою очищення грунтів від нафти і нафтопродуктів використовуються термічні, хімічні та біологічні методи. Так, відновлення грунтів, забруднених авіаційним бензином, проводять, нагріваючи ґрунт високочастотним електромагнітним випромінюванням до 150-160⁰С; при цьому видаляється 99% вуглеводів. В Нідерландах очищення грунтів на території автозаправних станцій від бензину, дизельного палива і мастил проводять хімічним способом, використовуючи для обробки території хімічні речовини-окисники; тривалість такого процесу 6-12 міс. Деякі рослини (айстри, осот та ін.) швидко очищають ґрунт від нафти; при цьому діє ряд чинників - фізичних, хімічних та біологічних.