Конструктивные особенности биогеохимических барьеров

Возможность создания искусственных биогеохимических барьеров во многом заложена в конструкции мелиоративных систем. Это вытекает из типизации загрязнений, которые достаточно хорошо корреспондируются с типами водного питания. Примером тому могут служить замкнутые осушительно-оросительные системы, состоящие из регулирующей сети, проводящей сети, пруда-накопителя дренажных стоков и оросительной сети, подающей воду из пруда-накопителя на осушаемый участок в засушливые периоды. При правильном управлении этой системой можно достаточно полно удерживать биогены в биологическом цикле. Сложность и тонкость такого управления обусловливается, с одной стороны, неопределенностью (стохастичностью во времени) погодных условий, а с другой – стохастичностью в пространстве характеристик почвогрунтов. Все это требует разработки специальных методов прогноза поведения биогенов в динамическом геохимическом барьере.

Конструктивные особенности биогеохимических барьеров обусловлены природоохранными мероприятиями, которые, в свою очередь, обуславливаются типами загрязнения. Так, основные природоохранные мероприятия при атмосферном загрязнении – удаление загрязненных вод с поверхности путем ускорения поверхностного стока, нейтрализация загрязненных (например, подкисленных вод), концентрация загрязнителя на биогеохимическом барьере или накопление их в растительной массе. Технические методы борьбы с атмосферным загрязнением включают увеличение уклона, уменьшение шероховатости поверхности земли, ликвидацию бессточных понижений, повышение впитывающей, аккумулирующей и сорбционной способности почвогрунтов (рыхление почво-грунтов, устройство поглотителей и нейтрализаторов, рис.6).

При загрязнении грунтового типа основными природоохранными мероприятиями может быть понижение уровня грунтовых вод ниже корнеобитаемой зоны и высоты капиллярного поднятия при сельскохозяйственном использовании территории и регулирование уровней грунтовых вод для интенсификации работы нейтрализаторов и концентраторов загрязняющих веществ (рис.7).

При грунтово-напорном загрязнении основные мероприятия заключаются в снижении напорности в загрязненном водоносном пласте, после чего тип загрязнения переходит в грунтовый.

При склоновом загрязнении основное природоохранное мероприятие - перехват склонового стока (поперечное бороздование, лункование склонов, посадка лесополос, рис. 8).

При загрязнении намывного типа основные природоохранные мероприятия - регулирование стока (ускорении или задержка паводков) и защита охраняемых территорий в долинах и поймах дамбами или валами, рис 9).

Как видно из рисунков, все схемы управления загрязненным потоком в качестве обязательного элемента включают биологический концентратор загрязняющего вещества в виде травянистой, кустарниковой и древесной растительности.

Для определения состава и параметров этих элементов целесообразно воспользоваться рекомендациями по агролесомелиоративным мероприятиям. Так, например, по данным Г.Б. Паулюкявичюса [10], необходимый процент залесенности для холмистых ландшафтов (склоновый тип загрязнения) равняется 25…40%, для равнинных (атмосферный тип загрязнения при тяжелых грунтах и грунтовый тип загрязнения при легких грунтах) – 10…30%, а для площадей с эоловыми отложениями – больше 40%.

Дифференциация залесенности в зависимости от типа ландшафта и механического состояния почв следующая.

1. Холмистые ландшафты: с песчаными и гравийными почвами (грунтовый тип загрязнения) – 25…30%; с супесчаными и суглинистыми почвами (склоновый и частично грунтовый тип загрязнения) – 30…35%; с глинистыми почвами (атмосферный тип загрязнения) – 35…40%.

2. Равнинные ландшафты: с эоловыми отложениями (атмосферный тип загрязнения) >40%; с флювиогляциальными песчаными и гравийными отложениями – 25…30%; с песчаными заболоченными почвами (грунтовый тип загрязнения) – 20…25%; с суглинистыми хорошо дренированными почвами (грунтовый тип загрязнения) – 18…20%; с лимно-гляциальными отложениями (намывной тип загрязнения) – 12-15%; с известковыми отложениями – 10…12%.

Если природоохранным объектом является озеро или водохранилище, то Г.Б. Паулюкявичюс считает целесообразным, «чтобы вокруг озер, а также на отдельных частях их склонов с крутизной больше 10…12 градусов участки были покрыты лесными насаждениями (табл. 2)».

При склоновом загрязнении на крутых приозерных склонах необходимо, чтобы лесные насаждения покрывали и забровочную часть на 5…10 м.

Таблица 2. Шкала выделения противоэрозионных и водоохранных полос вокруг озер (по Г.Б.Паулюкявичюсу, 1989)

Исходя из более общих рекомендаций, можно принять, что при интенсивном использовании сельскохозяйственных угодий (при склоновом типе загрязнения) ширина лесных водопоглотительных полос, выполняющих функции биогеохимических барьеров

и ограждающих водные объекты (например озера), должна быть не менее 1/3…1/4 длины приозерных склонов. Узкие полосы (меньше 5…8 м), особенно разреженные, вытоптанные скотом, не способны трансформировать химический состав вод, притекающих (например, при склоновом загрязнении) с пахотных частей склонов.

Барьерная роль лесных насаждений усиливается в понижениях рельефа, в местах концентрации поверхностных и почвенных вод. Именно в этих местах должны закладываться самые широкие полосы, и они требуют особенно бережного ухода.

Водоохранные лесные насаждения, расположенные в нижних и средних частях приозерных склонов, испытывают наибольшие нагрузки, обусловленные воздействием снега, продуктов дефляции (при атмосферном загрязнении), твердого стока, водорастворимых химических веществ (при склоновом и грунтовом загрязнении). В связи с этим необходим специальный режим ухода (управления) в водоохранных лесных насаждениях.

Высокая аккумулирующая способность лесных насаждений способствует задержанию твердых наносов и их отложению в виде мощных скоплений делювия у опушки и на протяжении 10…15 м от нее вглубь лесных полос.

При конструировании биогеохимического барьера особое внимание следует уделить видовому составу биоконцентраторов. Здесь также целесообразно воспользоваться рекомендациями по агролесомелиоративным мероприятиям. В соответствии с исследованиями Г.Б. Паулюкявичюса [10], почвы под лиственными древостоями получают на 1000…1300 м³ влаги с жидкими осадками и на 300…500 м³/га со снегом больше, чем под хвойными. Таким образом, эти породы наиболее эффективны при атмосферном загрязнении. А так как лиственные насаждения раньше начинают и раньше заканчивают рост и, следовательно, меньше расходуют влаги на транспирацию (эта «экономия» весной составляет до 200, а осенью 700 м³ воды на гектар), они менее эффективны при грунтовом загрязнении.

Вместе с тем, исследования Г.Б. Паулюкявичюса и некоторых других ученых показывают, что под лиственными древостоями наблюдается более равномерное распределение сезонного стока из-за меньшего промерзания почв, более равномерного распределения снега, более глубокого разрыхления почв корнями, высокой водопроницаемости почв весной. Эти свойства лиственных древостоев делают их пригодными в качестве биоконцентраторов при атмосферном и склоновом загрязнении. Как показали исследования [10], концентрация осадков, проникших под полог лиственных насаждений, значительно ниже, чем в хвойных древостоях. Под хвойными насаждениями больше задерживается снега, глубже промерзает почва, образуется поверхностный и внутрипочвенный сток, пересыхает почва, уменьшается активность микроорганизмов.

Правда, пересыхание почв препятствует миграции ряда химических веществ (Ca, Mg, S, CL), но, с другой стороны, большая кислотность почв под хвойными деревьями усиливает вынос некоторых химических веществ. Под лиственными древостоями почвы богаче глинистыми частицами, гумусом, что создает более мощный сорбционный барьер для K, Р, N, S, Cl, а также для ряда тяжелых металлов.

Лиственные древостои для образования одной тонны органического вещества требуют больше K, Р, N и других химических веществ, угрожающих качеству природных вод, поэтому почвенно-грунтовые воды под ними (ясеневые, березовые, дубовые древостои) содержат меньше химических веществ, чем под хвойными.

Водоохранные полосы наиболее целесообразно отводить под древесную и кустарниковую растительность. Луговые полосы, по мнению эстонских ученых [8], малоэффективны с точки зрения инфильтрации талых вод.

И, наконец [10], сосновые и сосново-еловые насаждения целесообразно размещать только на глубоких песчаных и гравийных почвах. На песчаных разновидностях, подстилаемых более тяжелыми отложениями, особенно при выклинивании грунтовых вод (грунтовое загрязнение), лучше всего высаживать лиственные породы – березу, ольху, осину.

На карбонатных, гравийных, богатых глинистыми частицами почвах хорошо выполняет водоохранную роль дуб. На сильносмытых супесчаных и суглинистых почвах наиболее перспективны для усиления инфильтрационных свойств почвы (перевод атмосферного и склонового загрязняющего потока в грунтовый) и наиболее эффективны древостои ольхи серой. В средних и нижних частях склонов, особенно с интенсивным притоком влаги (грунтовый тип загрязнения) – ольхи черной и ясеня. На крутых коротких нижних частях склонов, особенно с намытыми почвами (склоновый тип загрязнения), надо высаживать лещину, липу и другие породы, устойчивые к механическому повреждению и дающие отпрыски. Густые заросли хорошо задерживают твердые наносы, снег и даже комки минеральных удобрений, катящихся вниз с верхних пахотных частей склона.

В прирусловых частях речных долин (при намывном загрязнении) незаменимыми для смягчения ледохода и осаждения твердых крупных наносов являются ивы, а в поймах рек и ручьев особую ценность представляют черноольховые насаждения. Они хорошо укрепляют берега, образуют тень, препятствуют зарастанию водоемов. В процессе функционирования биогеохимического барьера (в том числе и выполненного в виде лесной полосы) происходит постепенное ухудшение его водопоглотительных и сорбционных свойств, поэтому за ними необходимо постоянно наблюдать и управлять нагрузками на них.