Основные законы движения вещества и энергии

Открытость любых геосистем, а также их функционирование обеспечивают круговорот веществ, знание которого необходимо для оценки техногенных воздействий на природные системы, в том числе и при природообустройстве. Различают абиотический (геологический) и биотический (биологический) круговороты. Геологический круговорот складывается из круговорота воздушных масс или газов, вод во всех формах (жидкая, парообразная, твердая), масс литосферы в твердом или растворенном виде.

При описании круговорота веществ и энергии в природе и в техноприродных системах используют следующие основные законы:

1. Движение твердых тел подчиняется второму закону Ньютона.

2. Плотность теплового потока, т. е. потока через единичную площадь в единицу времени, определяют по закону теплопроводности Фурье.

3. постоянный электрический ток в проводнике (поток электро­нов проводимости) описывается законом Ома.

4. процесс диффузии в растворах, т. е. установление равновесного распределения концентраций, в простейшем случае (при постоян­ной температуре и отсутствии внешних электрических полей и других внешних сил) описывается вторым законом Фика (единич­ный поток вещества).

5. медленное (ламинарное) течение жидкости через пористую среду со скоростями, измеряемыми сантиметрами или миллимет­рами в сутки, т. е. фильтрация или влагоперенос, описывается за­коном Дарси (скорость фильтрационного потока, или единичный поток жидкости через единицу поверхности пористой среды).

6. водные потоки в руслах рек, в каналах, в трубах имеют боль­шую скорость, измеряемую метрами или десятками сантиметров в секунду, вследствие этого они сильно завихрены, турбулентны и на перемещение водных масс в таком режиме требуется больше работы, совершаемой внешними силами. Они подчиняются дру­гому закону – Шези (единичный поток воды).

К фундаментальным законам природы относятся также законы сохранения вещества, энергии, количества движения.

Приведенные фундаментальные законы позволяют получать уравнения движения веществ, переноса тепла или электрического тока в дифференциальной форме, рассматривая их баланс в беско­нечно малом объеме за бесконечно малое время. Законы движе­ния используют для подсчета прихода вещества (тепла, электриче­ства) в малый объем и расхода. Дифференциальные, а иногда и интегро-дифференциальные уравнения решают или аналитически (для простых случаев), или чаще численно с помощью ЭВМ.

Структура дифференциальных уравнений зависит от учета дру­гих факторов, вызывающих перенос. Например, при описании пе­редвижения токсичных солей, тяжелых металлов или радионукли­дов в почвах и в грунтах надо учитывать не только их диффузию за счет разности концентрации, но и перенос ионов потоком влаги, возможность их сорбции твердой фазой, образование нераствори­мых форм, поглощение корнями растений.

Применительно к загрязнению почв и грунтов соединениями азо­та (нитраты и аммонийные формы) помимо указанных надо учиты­вать процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации, происходящие в почве в результате биохимических процессов биологического круговорота.

При многокомпонентных потоках веществ и энергии в почвах и грунтах применяют уравнения термодинамики необратимых процессов. Причина возникновения необратимых потоков – нео­днородность в пространстве температуры и химического (парци­ального) потенциала компонентов раствора. Эта теория позволяет строго формально рассматривать так называемые перекрестные процессы, когда, например, изменение внешнего давления на водное тело приводит не только к движению воды, но и раство­ренных в ней веществ, конвективному переносу тепла, изменению электрического поля; изменение температуры на внешних грани­цах приводит не только к ее перераспределению внутри области, но и вызывает передвижение влаги и растворенных веществ и т. д. Это объясняется единством природных процессов. В каждом кон­кретном случае специалист может упростить задачу, не рассматри­вая некоторые перекрестные процессы ввиду их малости.

При борьбе с загрязнением часто приходится иметь дело с мно­гокомпонентными и многофазными потоками вещества. Так, при очистке территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, надо рассматривать движение несмешивающихся жидкостей: воды, нефтепродуктов, а также газов, сложно взаимодействующих друг с другом и с твердой фазой. При атмосферном загрязнении надо учитывать перенос с воздушными потоками паров, ионов, аэрозолей, пылевых частиц.

Системы дифференциальных уравнений переноса, дополнен­ные уравнениями состояния (описывающими такие процессы, как сорбция – десорбция, растворение – кристаллизация, поглоще­ние корнями растений и т. п.), вместе с начальными и граничными условиями по сути дела являются математическими моделями природных процессов, которые при наличии вычисли­тельной техники широко используют для прогнозирования при­родных процессов и их изменений под действием различных ант­ропогенных факторов.

Математическое моделирование не исчерпывает перечень спо­собов моделирования. Основой исследований рассматриваемых процессов являются натурные эксперименты, позволяющие наи­более полно, без искажений и упрощений, изучать эти процессы. Вместе с тем, учитывая сложность организации таких исследова­ний, длительность их проведения (для изучения реакции живых организмов, в том числе и растений, нужны годы), проводят лабо­раторные исследования на малых образцах, применяют аналого­вое моделирование. Возможность последнего вытекает из матема­тической аналогии описания большой совокупности процессов: приведенные ранее законы теплопередачи, электрического тока, диффузии, фильтрации математически аналогичны.

Спомощью математического моделирования можно быстро воспроизвести (прогнозировать) длительные, многолетние про­цессы, что очень важно для оценки работы гидромелиоративных систем в различные по естественной влагообеспеченности годы. Так, устанавливают «мощность» гидромелиоративной системы (подачу насосных станций, размеры каналов), обеспечивающую работу системы с заданной надежностью. Моделирование позво­ляет «проиграть» некоторые чрезвычайные ситуации, например, связанные с выходом из строя очистных сооружений и массовым выбросом загрязняющих веществ, с нарушениями технологий, газо- и нефтетрубопроводов, военными действиями и т. п. Фор­мально – это изменение граничных условий моделей, происходя­щее в заданное время. На таких моделях можно рассматривать и разные сценарии ликвидации последствий.

При природообустройстве человек вмешивается в биологичес­кие процессы, особенно при мелиорации сельскохозяйственных земель, борьбе с загрязнением. Поэтому модели природных про­цессов обязательно дополняют моделями функционирования и продуктивности живых организмов.

Круговорот воды, водный баланс.

Вода обладает уникальными свойствами, делающими ее незаменимым фактором, участвую­щим во всех природных процессах, включая и жизнь. Она имеет довольно высокую плотность, малую вязкость, хорошую растворя­ющую способность, высокую теплоемкость и теплопроводность, большую скрытую теплоту парообразования и плавления, а моле­кулы воды – малые размеры. Вода является непременным участ­ником фотосинтеза. Являясь высокоподвижной, вода переносит большое количество растворенных веществ, обеспечи­вая растения элементами питания.

Количественно влагооборот можно описать балансом влаги, т. е. равенством приходных, расходных составляющих влагооборота и из­менения запасов. При составлении баланса влаги непременно нуж­но оговорить объем тела, для которого составляют баланс (озеро, объем почвы, бассейн подземных вод); указать временной интер­вал, для которого составляют баланс. Для общей характеристики влагооборота часто используют установившиеся среднемноголетние показатели, тогда изменение запасов влаги с начала и до кон­ца года можно не учитывать. Если же баланс влаги составляют за лето, то обязательно учитывают запасы влаги на его начало и ко­нец. Статьи водного баланса и его запасы измеряют для опреде­ленной территории в кубических метрах, иногда кубических кило­метрах; для единицы площади – в миллиметрах слоя воды или в кубометрах на 1 га. Структура водного баланса зависит от степени открытости геосистемы, выраженности тех или иных составляю­щих влагооборота.

Наиболее простая структура среднемноголетнего водного баланса всей планеты Земля, которая не обменивается водой с окружающей Вселенной, следующая: испарение с поверхности океанов и суши, составляющее 577 тыс. км³, равно атмосферным осадкам. С учетом площади поверхности Земли слои осадков и испарения равны и составляют 1130 мм. Отметим, что суммарные запасы всех вод на Земле, равные 1, 4 млрд км³, го­раздо больше вовлеченных в круговорот. Из всех запасов (96, 5 %) – это соленые воды океанов и морей. Запасов пресных вод на суше всего 35 млн км³, из которых 2/3 сосредоточено в лед­никах и снежном покрове Антарктиды и Арктики.

К водному балансу суши помимо осадков и испарения добавля­ют еще одну статью – поверхностный и подземный сток в Миро­вой океан: осадки (119 тыс. км³, или с учетом площади суши – 800мм), испарение (72 тыс. км³, или 485мм), сток (47 тыс. км³, или 315мм). Для Мирового океана прибавляют приток с суши, тогда баланс выглядит так: осадки (458 тыс. км³, или 1270 мм), ис­парение (505 тыс. км³, или 1400 мм), приток с суши (47 тыс. км³, или 130 мм). Структура водного баланса отдельных участков суши зависит от их широтного расположения и удаленности от океанов (степени континентальности). Следует отметить очень сильное варьирование годовых сумм осадков по сравнению со средней для всей суши. Испарение во влажных холодных ландшафтах ограничивается недостатком тепла, а в засушливых – недостатком влаги. Помимо испарения используют понятие «испаряемость» – количество влаги, которое может испариться, исходя из тепловых ресурсов местности при неограниченном количестве осадков, идущих на увлажнение по­чвы. Орошение в засушливых районах существенно увеличивает испарение, доводя его до испаряемости.

Помимо общего водного баланса территории для понимания природных процессов и решения важных практических задач не­обходимо составлять частные балансы для поверхностных, по­чвенных, подземных безнапорных и напорных вод. По частным балансам оценивают влагообмен между отдельными природными телами, что, например, нужно при описании передвижения заг­рязняющих веществ.

Влага, выпадающая на поверхность суши, расходуется частично на увлажнение листьев и испаряется с них, не доходя до поверхнос­ти почвы. При сильных осадках или при таянии снега часть воды не успевает впитаться и стекает в реки, доля поверхностного стока на влажных территориях может превышать половину суммы осадков. Впитавшаяся влага в основном расходуется на транспирацию расте­ниями, которые используют очень много воды для производства единицы фитомассы: в среднем для естественного растительного покрова на 1 кг сухой фитомассы расходуется 400 кг воды.

Сельско­хозяйственные растения тратят еще больше воды: для производства полезной фитомассы (1 кг продукции) зерновым культу­рам требуется 900...1200 кг воды, овощам – 200...250, картофелю – около 180 кг, хлопчатнику – 1500...2000 кг, а рису (самой влаголюбивой культуре), растущему под слоем воды, – 3500...4500 кг.

Некоторая часть воды испаряется с поверхности почвы в зави­симости от ее влажности и затененности растениями, а оставшая­ся часть просачивается вглубь, питая подземные воды, хотя на подтопленных территориях подземные воды могут подниматься вверх за счет капиллярных сил и потребляться корнями растений. В засушливых районах из-за высокой минерализации подземных вод происходит засоление земель.

Структура водного баланса в широколиственном лесу, располо­женном на водораздельной территории, для среднего года включа­ет: осадки (750 мм), испарение воды с поверхности листьев (70 мм), по­ступление воды на поверхность почвы (750 – 70 = 680 мм), поверхностный сток (140 мм), впитывание воды в почву (680 – 140 = 540 мм), испарение с поверхности почвы (60 мм), транспирация деревьями (400 мм), просачивание воды вглубь (540 – 60 – 400 = 80 мм).

Заметим, что в атмосферу с данной территории возвращается воды (70 + 60 + 400 = 530 мм), т. е. значительно меньше, чем выпадает в виде осадков, следовательно, данная территория существует за счет постоянного притока воды извне.

Запишем частные балансы для поверхностных, почвенных, без­напорных и напорных подземных вод суши за некоторый проме­жуток времени, добавив искусственные, управляемые человеком статьи (орошение, дренаж):

 

(2.1)

Δ W_пов = Ос – И_л – И_вп + П_пов – С_пов – Вп + Ор,

Δ W_почв = Вп – И_п – Т _р – g,

Δ W_гр = g + Ф_к + П_гр – С_гр + Р – Др,

Δ W_нп= – Р + П_н – С_нп – Др_н ,

 

где Δ W_пов — изменение запасов поверхностных вод,

Δ W_почв — изменение запасов почвенных вод,

Δ W_гр — изменение запасов подземных безнапорных вод,

Δ W_нп — изменение запасов напорных вод, Ос — атмосферные осадки,

И_л — испарение с листьев, И_вп — испарение с водной поверхнос­ти,

И_п — испарение с почвы, Т_р — транспирация растениями,

g — просачивание (инфильтрация) части почвенной влаги в грунтовые воды

(иногда это может быть и капиллярное подпитывание, т. е. с обратным знаком),

П_пов — приток на балан­совую территорию поверхностных вод,

П_гр — приток на балан­совую территорию подземных безнапорных вод,

П_н — приток на балан­совую территорию напорных вод,

С_пов — отток поверхностных вод с балан­совой территории,

С_гр — отток подземных безнапорных вод с балан­совой территории,

С_нп — отток напорных вод с балан­совой территории,

Вп — впитывание влаги в по­чву, Р— напорное подпитывание со стороны глубже залегающих напорных под­земных вод (может быть и с обратным знаком, т. е. разгрузка безна­порных вод в напорный пласт при соответствующем соотношении напоров в этих пластах, особенно когда идет откачка воды из напорного пласта);

искусственные статьи баланса: Ор — подача воды на орошение,

Др — отвод безнапорных вод дренажем, Др_н — откачка напорных вод,

Ф_к — питание грунто­вых вод за счет фильтрации из каналов.

 

Человек также может регулировать приток и отток вод с терри­тории. Таким образом, можно существенно изменять структуру водного баланса для повышения продуктивности территории, уп­равлять потоками влаги для решения проблем загрязнения. При этом надо иметь в виду, что статьи водного баланса взаимозависи­мы. Например, изменение увлажненности территории путем оро­шения изменяет практически все другие статьи (испарение, ин­фильтрацию, поверхностный и подземный отток. Из этого следу­ет, что балансовые равенства надо дополнять уравнениями движе­ния вод, позволяющими учесть указанную взаимозависимость.

Если сложить четыре приведенные балансовые равенства, то в них сократятся важные статьи: впитывание в почву, инфильтра­ция в грунтовые воды, взаимодействие между безнапорными и на­порными подземными водами, что существенно обеднит анализ влагооборота.

Вместо балансовых равенств можно записывать уравнения ба­ланса, в которых могут содержаться неизвестные, трудно измеряе­мые статьи, но при их вычислении надо иметь в виду, что неизве­стная статья будет вычислена с ошибкой, равной сумме погрешно­стей измерения всех других статей, и может превысить 100 %.

Практически важно составление балансов поверхностных и подземных вод суши вместе с водами водотоков и водоемов (рек, водохранилищ, озер). В этом случае оперируют с понятием «реч­ной бассейн», объединяющим водосборную площадь и реку со всеми ее притоками. Для такой территории составляют водохозяйственные балансы, где подробно расписывают все естественные составляющие (осадки, испарение, сток, инфильтрацию), а также водозабор поверхностных и подземных вод для разных нужд, объем возвратных вод. Такие расчеты необходимы при водораспределении, пополнении запасов, недопущении загрязнения при сбросе вод потребителями.

Для достоверного описания передвижения почвенных и под­земных вод одних балансовых равенств и уравнений недостаточ­но, их надо дополнять уравнениями движения, которые нужны для описания впитывания влаги в почву, ее перераспределения по глубине, для определения влагообмена между почвенными и под­земными водами, во многом определяющего направленность поч­вообразовательных процессов (промывка, выщелачивание, соленакопление и др.). Эти уравнения являются основой расчета ре­жима поливов, определения инфильтрационной нагрузки на дре­наж. Поведение загрязняющих веществ в почве и в подземных водах можно достоверно описать, если известно передвижение влаги – главного носителя растворенных веществ.

На основании уравнений движения влаги можно строить мате­матические модели. Модель должна учитывать особенности гене­тического строения почвы, различия физических, водных и хими­ческих свойств отдельных горизонтов и подстилающих их грунтов: необходим расчет передвижения влаги в широком диапазоне влагонасыщенности (от сильного иссушения до почти полного насыщения при осадках или поливах); необходимо учитывать конкрет­ный график выпадения атмосферных осадков; переменное во вре­мени испарение с поверхности почвы, зависящее также от влаж­ности ее верхних слоев, изменяющееся во времени и по глубине расходования влаги на транспирацию путем отбора корнями рас­тений; конкретный график поливов, назначаемых по определен­ному критерию.

Трансформация энергии, тепловой баланс. Главнейшие составля­ющие функционирования природных и измененных человеком геосистем – обмен энергией и ее трансформация. Энергетические связи между компонентами геосистем реализуются в энергетичес­ких потоках путем передачи энергии и часто неразделимы с веще­ственными, осуществляются одновременно с потоками воздуха, воды, твердых масс, с перемещением живых организмов.

Функционирование геосистем (круговорот веществ, почвооб­разование, деятельность живых организмов) невозможно без по­стоянного притока энергии. В отличие от веществ, непрерывно циркулирующих по разным компонентам геосистемы, и веществ, которые могут многократно использоваться, вступать в кругово­рот, энергия может использоваться только один раз, т. е. имеет место однонаправленный поток энергии через геосистему, обус­ловленный действием фундаментальных законов термодинамики: сохранения энергии и энтропии, т.е. меры внутренней неупорядоченности системы.

По первому закону термодинамики – энергия может превращаться из одной формы в другую.

По второму закону: не может быть ни одного процесса, связанного с превращением энергии, происходящего без потерь ее.

Компоненты геосистем способны повышать степень своей внутренней упорядоченности за счет постоянного притока энергии.

Источники энергии на Земле: энергия Солнца, глубинные слои Земли, экзотермические реакции.

Температура почвы зависит не только от количества поступаю­щего или расходуемого тепла, но и от ее тепловых свойств – теп­лоемкости и теплопроводности.

Теплоемкость – это количество тепла, необходимое на нагревание 1 г почвы (массовая теплоем­кость) или 1 см³ (объемная теплоемкость) на 1°С, она зависит от состава почвы – соотношения твердой, жидкой и газообразной фаз и от количества органического вещества. Если теплоемкость воды принять за единицу, то для минеральной части она составит 0, 18, для гумуса – 0, 3, для воздуха – 0, 0003, т. е. теплоемкость по­чвы во многом определяется ее влажностью. Поэтому влажные почвы имеют более стабильный температурный режим, они не­сколько холоднее, чем сухие.

Теплопроводность – это способность почвы проводить тепло путем теплового взаимодействия соприкасающихся между собой твердых, жидких и газообразных частиц, а также путем испарения, перегонки и конденсации влаги внутри почвы.

На распределение температуры по профилю почвы оказы­вают влияние тепловые потоки.

При увеличении влажности почвы с 0, 2 до 0, 5 теплопровод­ность увеличивается в 1, 5 раза.

Мероприятия, связанные с управлением температурным режимом почвы (тепло­вые мелиорации): изменение структуры радиа­ционного баланса (изменение отражающей способности с помо­щью покрытий – торф, песок, мел, синтетические пленки и т. п.), изменение тепловых свойств почвы – теплоемкости и теплопро­водности (главным образом путем регулирования влажности, а также добавлением в почву торфа, навоза, песка);.прямой подогрев почвы тер­мальными водами тепловых и атомных электростанций вместо ох­лаждения воды в градирнях. Теплую воду пропускают через систе­му пластмассовых труб, уложенных в почву на глубину около 0, 5 м. Такая система построена около Курской АЭС, она не только ускоряет сроки созревания растений и повышает их урожай, но при этом уменьшается загрязнение атмосферы, возникающее при охлаждении воды в градирнях.

Геохимический круговорот веществ.

Вещество литосферы миг­рирует в виде растворов, а также в виде геохимически пассивных твердых продуктов денудации – обломочного материала, переме­щающегося под действием силы тяжести (осыпи, оползни), с те­кущей водой (влекомые и взвешенные наносы, их особенно много в горных реках, в виде селей – грязекаменных потоков), с воздуш­ными потоками в виде пыли.

Количество твердого стока, смываемого водными потоками, зависит от интенсивности поверхностного стока и от наличия растительности. Он особенно велик в лесостепной и степной зоне из-за сильной распашки. Так, в тайге он не превышает 5…10т/км² в год, а в лесостепи доходит до 150 т/км² в год вследствие сильной водной эрозии. Со стоком взвешенных наносов суша ежегодно теряет около 25 млрд т вещества – это слой толщиной около 1мм.

Во многих районах значителен перенос твердого материала (пыли) воздушными потоками – дефляция. Интенсивность его зависит от скорости воздушных масс, длительности ветров и от защищенности поверхности почвы растительным покровом. Одна пыльная буря в Казахстане выносит из распаханных почв от 10 до 100 т/км² пыли, с песчаных пустынь – 5…10 т/км², с поверхности солончаков – до 1000 т/км². Ветровая и водная эрозия – очень опасные природные процессы, которые часто и на больших площадях провоцируются человеком. Они приносят большой вред прежде всего из-за разрушения почвы, выводят из строя мелкую речную сеть, приводят к иссушению территории.

Воздушные потоки переносят не только химически инертную пыль, но и кристаллики солей, которые растворяются в атмосферной влаге, аэрозоли, молекулы и ионы. В засушливых районах одна из причин засоления земель – принос солей ветром, который может достигать 20…30 т/км² в год. Воздушные массы интенсивно распространяют на большие территории загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу промышленными объектами. Одно из следствий этого – кислотные дожди, т.е. появление в дождевых водах серной и соляной кислот, образующихся в атмосфере при сжигании топлива, содержащего серу и другие вещества.

Помимо дефляции твердое вещество поступает в воздух в результате вулканической деятельности. Из-за сильной запыленности воздуха меняется тепловой баланс атмосферы.

Геохимический круговорот растворенных в воде веществ тесно связан с влагооборотом. Масса растворенных веществ, выносимых мировым речным стоком, – 2…2, 5 млрд т. Круговорот растворенных веществ в подземных водах из-за их высокой минерализации также значителен. Особенность этого круговорота – гораздо меньшая скорость движения подземных вод, измеряемая миллиметрами, реже сантиметрами в сутки, тогда как скорость поверхностных потоков – порядка десятков сантиметров в секунду, т.е. в сто тысяч раз больше. Другая особенность – диффузия веществ, попутное растворение их и переход в твердую фазу (кристаллизация) или сорбция твердой фазой грунта.

В подземных водах растворено очень много веществ, которые в повышенных количествах опасны для биоты. Вместе с тем сильная замедленность этого круговорота, наличие застойных бассейнов подземных вод – это благо для природы, которая тем самым исключает из интенсивного круговорота эти вещества, «захоранивает» их. Антропогенная интенсификация круговорота подземных вод путем их откачки или пополнения часто дает негативный экологический эффект – засоление почв, ухудшение качества речных вод.

В почвенных и подземных водах содержится большое количество растворенных веществ – биогенов, используемых растениями в качестве элементов минерального питания (азот, фосфор, калий) и токсичных для растений ионов (натрия, хлора, магния, сульфатного и гидрокарбонатного), ионов тяжелых металлов, радиоактивных веществ и др. Порог их токсичности зависит от их концентрации в растворах. Некоторые вещества в избыточных количествах неблагоприятно влияют на свойства почвы. Повышенная концентрация веществ негативно сказывается на искусственных элементах, внедренных человеком в геосистему: коррозия трубопроводов, разрушение фундаментов.

При мелиорации земель возникают проблемы засоления почв токсичными ионами, находящимися в больших количествах («макросоли» – натрий, хлор, сульфат-ион, гидрокарбонат-ион), при утилизации сточных вод на полях орошения есть угроза загрязнения почв, растений, подземных и поверхностных вод соединениями азота (нитратами и аммонийными), вблизи промышленных районов наблюдается загрязнение компонентов геосистем тяжелыми металлами, содержание которых сравнительно невелико, но они очень токсичны для биоты. Передвижение этих веществ в почве и в подземных водах подчиняется общим законам, но имеется некоторая специфика, связанная с их токсичностью, взаимодествием с твердой фазой и биотой, трансформацией этих веществ.

Передвижение солей в почве и в под­земных водах. Для районов орошаемого земледелия харак­терно нарастание естественного соленакопления в почвах, грунтах и подземных водах от степных ландшафтов к пустынным. Ороше­ние земель коренным образом меняет их водный и солевой режи­мы. Дополнительное увлажнение корнеобитаемой зоны сопро­вождается просачиванием части воды в глубокие горизонты, вы­зывая увеличение инфильтрационного питания подземных вод. Грунтовые воды пополняются также за счет потерь из ороситель­ной сети. Это дополнительное питание часто не может быть ком­пенсировано естественным оттоком из-за недостаточной есте­ственной дренированности территории, в результате поднимается уровень минерализованных, как правило, грунтовых вод, которые по пути растворяют соли, находившиеся в зоне неполного влаго-насыщения. Помимо нежелательного переувлажнения это приво­дит к вторичному засолению почв.

Следовательно, борьба с засолением необходима не только на первично засоленных почвах, но и в результате функционирова­ния оросительной системы. Мероприятия по борьбе с засолением должны обосновываться на долгосрочных прогнозах водного и со­левого режимов, для чего используют математические модели пе­редвижения воды и ионов солей. Структура солевых моделей за­висит от характера солей (растворимости, подвижности, способ­ности сорбироваться твердой фазой почвы и грунтов).

Передвижение азота в почве и в подзем­ных водах. Рассмотрим передвижение азота применительно к проблеме утилизации сточных вод, содержащих значительное его количество (коммунально-бытовые сточные воды и животновод­ческие стоки). Один из эффективных способов их очистки – полив непродовольственных культур, например трав, предназначенных на корм скоту или на зеленое удобрение: для этого строят специаль­ные оросительные системы на землях, где затруднено попадание почвенных вод в подземные.

Азот, хотя и является биогеном, но повышенное его содержа­ние в сельскохозяйственной продукции и в воде вредно для человека, поэтому в во­доисточниках его количество строго ограничивают: азота в нитратной форме не должно быть более 10 мг/л, а в аммоний­ной – более 2 мг/л.

Подвижный азот в почве обычно находится в виде катиона ам­мония NН₄⁺ и нитрат-аниона N0₃^-. Аммоний образуется в результате разложения органических азотистых веществ, включая и гуминовые кислоты, микроорганизмами. Содержание нитрит-аниона NО₂^- в почве мало, он образуется в результате окисления аммония и затем быстро окисляется до нитрат-иона – этот микробиологический процесс называ­ют нитрификацией.

Значительное количество аммония поступает в почву при орошении сточными водами. Нитратов в сточных водах содержится мало, их содержание в почве определяется нитрификацией аммония и денитрификацией, т. е. восстановлением нитратов до газообразных форм (N0, N₂0, N₂), а также отбором корнями растений. На баланс аммония в почве существенно влияют процессы обменной сорбции и де­сорбции.

Естественно, что перечисленные факторы, определяющие ди­намику азота в почве, идут на фоне заметного конвективного и диффузионного переноса растворенных аммония и нитратов.

Нитрификация зависит от влажности, температуры и рН по­чвы. Наиболее интенсивно она идет при влажности 0, 6...0, 8 пре­дельной полевой влагоемкости, при температуре 28...30°С и рН 7...8. Интенсивность денитрификации также зави­сит от температуры, влажности и рН почвы. Процессы нитрификации – денитрифика­ции происходят в верхних слоях почвы, глубже они быстро затуха­ют.

Интенсивность отбора аммонийного и нитратного азота корня­ми растений устанавливают, исходя из планируемой урожайности и выноса азота с урожаем. Отбор азота в течение вегетации рас­пределяется пропорционально вкладу каждой декады вегетации в будущий урожай. Суточное потребление азота распределяется по глубине корнеобитаемой зоны.

Движение воздушных масс. Атмосфера находится в непрерыв­ном движении, что связано с перераспределением давления на всей планете, которое, в свою очередь, зависит от неравномерного нагревания различных участков поверхности Земли. На движение воздушных масс влияют также суточное вращение Земли, трение внутри воздушных потоков и с деятельной поверхностью.

Масштабы воздушных течений разные. Самые крупные, со­ставляющие общую циркуляцию атмосферы, – это циклоны и ан­тициклоны, т. е. вихри и волны размером в несколько тысяч кило­метров, постоянно возникающие и разрушающиеся в атмосфере. Общая циркуляция атмосферы – главный фактор влагообеспеченности разных территорий, от нее зависят погодные условия. На процессы в атмосфере влияют и циркуляции меньших масшта­бов: бризы, горно-долинные ветры и т. п. Катастрофические по­годные явления связаны с вихрями: смерчи, тор­надо и др.

Отличительная особенность воздушных потоков в приземном слое – очень высокая турбулентность, т. е. пульсация скоростей по величине и направлению.

Трение воздушного потока о поверхность Земли приводит к торможению нижних слоев и к возникновению верти­кальных составляющих скорости. Помимо этого, в приграничном слое наблюдают закономерное изменение направления скорости из-за вращения Земли, поэтому у самой поверхности Земли из-за малой скорости направление ветра перпендикулярно линии равных давлений воздуха – изоба­ры. С увеличением высоты скорость ветра увеличивается, направление ветра изменяется и даже может со­впадать с изобарой.

Динамическое влияние земной поверхности проявляется до высоты 1, 5...2 км. На толщину и структуру приграничного слоя влияют также распределение температуры, влажность воздуха. На­ряду с этим интенсивное перемешивание воздушных масс из-за высокой турбулентности влияет на вертикальное распределение температуры. Движение воздушных масс выравни­вает атмосферное давление, которое является первопричиной это­го движения. Количественное описание движения воздушных масс позволя­-
ет решать важные экологические задачи борьбы с загрязнением воздушной среды, а следовательно, и других компонентов приро­ды, так как воздух – мощный переносчик многих загрязнителей на большие расстояния: выбросов в атмосферу промышленными предприятиями, энергетикой, транспортом, в результате военной активности.

Продуцирование биомассы. Биологический круговорот веществ прежде всего выражается в продуцировании биомассы – одного из отличительных свойств земных ландшафтов. В основе его ле­жит процесс фотосинтеза, т. е. образование органического веще­ства из углекислого газа и воды с потреблением коротковолновой солнечной радиации определенного спектра. Зеленые растения используют для этих целей излучение в более узком диапазоне (0, 4...0, 7 мкм), чем видимый свет, которое называют фотосинтетически активной радиацией (ФАР), составляющей около половины суммарной радиации. Хотя растения поглощают около 75 % сол­нечной радиации, но на фотосинтез расходуется не более 1 % (ко­эффициент полезного использования ФАР у очень урожайных культурных растений доходит до 2...3 %), подавляющую часть сол­нечной энергии растения тратят на транспирацию.

Органическое вещество образуется в результате сложных био­химических реакций в присутствии определенных ферментов, при этом выделяется большое количество молекулярного кислорода. Органические вещества, по сути, аккумулируют солнечную энер­гию, которая выделяется при окислении органики в процессе ее разложения как продукта питания или при горении. Фотосин­тез — основа жизни на Земле. Около половины создаваемого при фотосинтезе вещества окис­ляется в самом растении до СО₂ (дыхание растений). Оставшаяся фитомасса поступает в круговорот: часть ее включается в тро­фическую (питательную) цепь и потребляется животными (фито­фагами), следующая трофическая ступень — поедание фитофагов зоофагами. При переходе с одного трофического уровня на другой соотношение биомасс уменьшается в 100... 1000 раз.

После отмирания фитомасса разлагается животными-сапрофагами, бактериями, грибами, актиномицетами. В конечном итоге мертвые органические остатки минерализуются микроорганизма­ми до простейших минеральных соединений, которые, в свою очередь, являются пищей для растений. Основная среда или при­родное тело, где идут многие из указанных процессов, – почва, которая создает условия для жизни многим организмам, накап­ливает продукты синтеза и разложения органики. Почва способ­на на некоторое время извлекать из кругооборота продукты фо­тосинтеза в виде гумуса – сложного органоминерального веще­ства, активно участвующего в почвообразовании, которое прида­ет почве нужные свойства, аккумулирует питательные вещества и, в конечном счете, формирует плодородие почвы. Наибольшие запасы гумуса содержатся в ландшафтах, оптимально обеспеченных теплом и влагой. В России

таблица 2.1 – Запасы и ежегодный прирост фитомассы

В различных зонах, т/га

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Cyanocobalamin, крайне важного вещества для здоровья тела. Для многих
2. Cоветско-германский протокол о порядке отвода германских войск и продвижения советских войск на демаркационную линию в Польше
3. I На пути построения единой теории поля 6.1. Теорема Нетер и законы сохранения
4. I. Основные решения по рекламе
5. I.2. Структура педагогической науки и её основные отрасли
6. II Основные общие и обзорные представления, понятия, положения психологии
7. II. ЭКЗАМЕН ПО ОБЩЕСТВОЗНАНИЮ: ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПРОВЕРКИ
8. VI. Святое мгновение и Законы Божьи
9. А. Основные клинические формы
10. Авторское право: понятие, объекты, признаки и основные разновидности
11. Агрегатные состояния и превращения вещества
12. Азональность – проявление внутренней энергии Земли