Жить в гармоничном мире, наслаждаться природой, иметь доступ к чистой воде и воздуху, питаться здоровой пищей, жить в комфортном климате, не знать ураганов, засухи и экстремальной жары — в такой реальности хотел бы жить, пожалуй, каждый. Причем этот гармоничный мир — не плод воображения фантаста, а вполне достижимая на Земле реальность. Чтобы жить в комфортном и приятном мире, необходимо заниматься охраной окружающей среды, один из основных компонентов которой почва, которой, как правило, достаётся гораздо меньше внимания чем антропоморфным вымирающим видам животных. Разобраться в том, что такое почва и почему качество нашей жизни сильно от неё зависит, помогла научный сотрудник Сколтеха Полина Трегубова.
Оболочки живые и мёртвые
Для начала важно определиться с терминологией. Говоря о почвах, окружающей среде и климате, вспомним и обсудим несколько важных понятий: биосферы, экосистемы и подхода к климатическому зонированию.
Вспомните школьные уроки географии: на них часто раскладывали нашу планету на оболочки, подобно тому, как ракладывается капуста на отдельные листья. Вот есть литосфера — твёрдая оболочка, гидросфера — жидкая оболочка, которая объединяет все озера, реки, моря и океаны; атмосфера — воздушная и некая биосфера — «живая» оболочка Земли. Если быть по-научному дотошным, то биосфера — это глобальная оболочка Земли, формируемая и определяемая живыми организмами — среда и условия их обитания. Она включает в себя часть литосферы, атмосферы и гидросферы.
Экосистема — это функциональная единица, состоящая из живых организмов, их неживой окружающей среды, а также их взаимодействий между собой. Компоненты, включаемые в экосистему, и её границы зависят от задачи: что именно нужно описать, выделяя экосистему как отдельную единицу пространства. Например, сама биосфера — это глобальная экосистема Земли. Но капля воды из лужи тоже вполне себе самостоятельная экосистема, как и каждая отдельно взятая лужа, болото или, например, почва.
Классификацией экосистем в географических контурах занимаются учёные-биогеографы. Если подняться на планетарный уровень, то экосистемы будут группироваться в зависимости от климатических характеристик, в первую очередь, от температуры и климата. Так, на Земле выделяют ряд крупных природно-климатических зон. Поскольку Россия занимает почти восьмую части суши планеты, на её территории встречается почти всё разнообразие природно-климатических зон:
- арктические пустыни;
- тундры;
- тайга;
- смешанные и широколиственные леса;
- лесостепь;
- степи;
- субтропики;
- полупустыни и пустыни.
Название каждой зоны наверняка мгновенно вызывает специфические ассоциации, хорошо узнаваемые картинки ледяных пустынь, лубочных лесов с древними елями или бескрайних степей. Почвы зачастую также специфичным образом выглядят и устроены в зависимости от того, где они находятся.
О чём речь?
Почва и земля — понятия принципиально разные (многих экологов ранит, когда-то кто-то в их присутствии путает эти слова). Почва — сложный объект, определяя который можно опираться на разные качества. Например, можно сказать, что это верхний слой литосферы, или назвать её объектом, обладающим плодородием. Определений очень много, и важно выбрать такое, которое необходимым и достаточным образом описывало бы почву как сущность. Хоть некоторые словари и определяют землю как синоним почве, учёные таким термином не оперируют.
Почву же первым определил легендарный учёный Василий Васильевич Докучаев — в истории науки он считается основателем почвоведения как самостоятельной дисциплины, а в московских барах встречаются коктейли, названные в его часть. С подачи Докучаева, во всех языках мира (по крайней мере, известных автору), чернозём называют прямой транслитерацией с русского.
«Русский чернозём» — самый известный труд Докучаева, в котором ученый заложил основы отечественной школы почвоведения. Учёный первым обратил внимание, что географическое распространение почв на поверхности Земли так же закономерно, как это свойственно растениям и животным (помните про природно-климатические зоны?). Он показал, что почвы можно считать самостоятельным природным телом, и сформулировал новый исследовательский подход — генетического почвоведения. Согласно докучаевскому определению почва — это «те дневные или близкие к ним горизонты горных пород, которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов — живых или мёртвых, что и сказывается известным образом на составе, структуре и цвете таких образований». Лучше и не скажешь: весьма похожим определением мы пользуемся до сих пор (и как прекрасен был язык тех времён, — прим. ред.).
Если обратиться к современным дефинициям, в них акцент обычно на том, что почва — это сложная мультифункциональная и мультикомпонентная система, формирующаяся под воздействием совокупности факторов: свойств горной породы, на которой они форимируются; климата, рельефа, живых организмов и их возраста. В зависимости от сочетаний факторов и их выраженности почвы будут выглядеть и функционировать по-разному. От всех других тел почвы отличает важнейшее свойство — плодородие.
Большая разница
Вот три контрастных примера почв: подзолы, чернозёмы и солонцы. Их названия легко поддаются трактовке: в отечественной школе почвоведения нередки говорящие названия.
- Подзолы — этот термин В.В. Докучаев позаимствовал у крестьян Смоленской губернии, он означает буквально «похожий на золу» — формируются под вечнозелёными преимущественно хвойными лесами в областях с избыточным увлажнением (т.е. в гумидном климате) на легких породах (например, на песках). Такие почвы можно встретить в северных областях, в поясах от лесотундры до южной тайги: например, в Мурманской области, Ленобласти, недалеко от Смоленска, а еще в районе Байкала. Подзолы — типично лесные почвы.
- Чернозёмы — буквально, «чёрная земля» — формируются в степной зоне под разнотравьями. Выходишь в чисто полюшко в районе Тамбова, а под ногами он — чернозём, тучный, плодородный. Чтобы получился чернозём, нужны тяжёлые породы, теплый и достаточно сухой климат с выраженной сезонностью, растительные сообщества с мощной корневой системой — всё это замешать… И оставить на несколько тысяч лет до готовности. Чернозёмы знамениты своим плодородием, а территории, где они встречаются, нередко называют житницей.
- Солонцы — можно встретить в местах посуше и потеплее — в лесостепной и степной зонах. Во времена Докучаева солонцами называли засоленные почвы в принципе, а сейчас это группа почв, для которой характерно наличие специфичного горизонта с уникальной столбчатой структурой и засоленной породой. На солонцах хорошо растет, например, полынь и другие растения, которые хорошо накапливают щёлочные и щёлочноземельные элементы, а вот для сельскохозяйственной деятельности такие почвы, из-за высокой щелочности, без мелиорации неприменимы.
Эти примеры наглядно иллюстрируют, что характеристики и свойства почв очень сильно разнятся. Чтобы эти свойства описать, нужна система. В отечественной школе почвоведения для этого используют почвенные профили — последовательности слоёв в почвенном разрезе, который обычно делают прямо до горной породы, на которой почва сформировалась. В каждом профиле описывают почвенные почвенные горизонты — те самые слои, которые в профиле выглядят однородными. Каждая отдельно взятая характеристика каждого отдельного почвенного горизонта – следствие какого-то воздействия. Получается, почва будто бы состоит из подсказок о том, что с ней происходит сейчас и происходило все то время, что она формировалась.
Учёные могут достаточно точно узнать, какие изменения претерпевали территории, изучая почвенный профиль, агрегатный или минералогический состав, артефакты. Также свои уникальные отпечатки имеет и микробное сообщество почвы.
Помнят прошлое и определяют будущее
Для учёных почва может послужить этакой машиной времени, рассказывая на языке своих свойств и признаков то, что с ней происходило в прошлом. Например, при раскопках в пойме Москвы-реки исследователи (Александровский и др., 2018) обнаружили погребённую почву. По какой-то причине река начала разливаться сильнее обычного, в пойе образовались мощные слои речных отложений, которые погребли под собой почву развивавшуся до этого момента. Эта почва буквально законсервировалась исохранила в себе важные улики. Изучив профиль погребенной почвы и содержащиеся в ней споры и пыльцевые зёрна, исследователи установили, что 6-8 тысяч лет назад на этих территориях развивались лесостепи и широколиственные леса, характерные сейчас для более южных регионов. А долина Москвы-реки сейчас находится в это зоне южной подтайги, или зоне смешанных елово-широколиственных лесов. Получается, раньше климат средней полосы России был намного теплее.
Если почвы окружают нас повсюду и на них влияет буквально всё, то возникает справедливый вопрос — а влияют ли сами почвы на что-либо? Действительно, влияют, и ещё как — почвы выполняют важнейшие экосистемные и биосферные функции.
Почвы не только хранят информацию о прошлом, но и определяют экосистемы настоящего и будущего. Здесь важно обозначить их экосистемные роли. Итак, почвы:
- обеспечивают круговорот питательных веществ и выступают в качестве источника производства продовольствия, волокон и топлива;
- регулируют климатические условия, аккумулируя в себе углерод;
- очищают воду и регулируют количество загрязняющих веществ, мигрирующих между ландшафтами;
- почвы — крупнейший источник лекарственных средств и пул генетического разнообразия;
- и, конечно, как мы уже упомянули выше, у почв етсь функция «памяти» — изучение почв один из способов исследования культурного наследия, реконструкции событий прошлого.
Не навреди
Около 90% продуктов питания производят с использованием почвенных ресурсов. При этом по разным причинам более 60% пашен деградирует, то есть их плодородные свойства ухудшаются, они становятся менее пригодными для обитания организмов. Деградирующие почвы становятся подверженными водной и ветровой эрозии, периодическим засухам, суховеям и пыльным бурям, что дополнительно ухудшает качество почв Международная команда палеоэкологов, палеопочвоведов и археологов выяснила, что Великий шёлковый путь пришёл в упадок из-за подобного разрушительного землепользования. Почвы близ крупных торговых центров этой торговой магистрали становились непригодными для земледелия, люди покидали эти города, и в какой-то момент плотность торговых пунктов на протяжении шёлкового пути стала настолько низкой, что весь путь стал нерентабельным и пришёл в упадок.
К сожалению, традиционные практики сельского хозяйства — растениеводство и животноводство — часто тоже оказываются разрушительными для окружающей среды. В частности, избыточный внос удобрений может приводить к вымыванию соединений азота и фосфора в окрестные водоёмы и ухудшению качества пресной воды. Злоупотребление пестицидами и гербицидами снижает биоразнообразие и тоже загрязняет водоемы. Для растениеводства в целом пригода лишь небольшая часть суши, поэтому рациональное использование и охрана плодородных территорий для человечества вопрос не только комфорта, но и выживания.
Притормозить климат
Почва — крупнейшее депо углерода среди наземных экосистем. То есть она запасает в твёрдых формах тот углерод, который мог бы быть парниковым газом и вызывать потепление климата, и как бы сдерживает изменения климата.
Этот углерод попадает в почву опосредованно, через растения. Они с помощью фотосинтеза изымают парниковый углекислый газ из атмосферы, используют его как источник питания, а потом с их отмершими тканями часть углерода попадает в почвы. В сочетании с другими факторами накопление углерода позволяет почвам лучше удерживать влагу, обеспечивает устойчивость к эрозии и повышает биоразнообразие. Это, в свою очередь, формирует буферную ёмкость почв — и их способность выдерживать внешние нагрузки. Если у почвы хорошая структура, то углерод закрепляется в ней надолго и не выходит в атмосферу.
Нарушение структуры почвы чревато катастрофическими климатическими перестройками, в частности, к экстремальными погодными явлениями. Как оказалось, продолжительность аномальной жары напрямую связана с влажностью почвы, — вернее, с весенними запасами почвенной влаги. Устроено это так: если почва достаточно влажная, то часть солнечной энергии будет уходить на испарение этой влаги и, следовательно, на охлаждение поверхности. Если влаги недостаточно, то и испаряться нечему — и бо́льшая часть солнечной радиации будет разогревать земную поверхность. Соответственно, с иссушением почвы продолжительность жарких дней будет только увеличиваться. По такому механизму возникли массовые возгорания торфяников в Подмосковье в 2010 году и в Тверской в области — в 2014. Если отношение к почве не изменится, то такие запоминающиеся пожары торфяников будут случаться всё чаще.
Ограниченный ресурс
Своей бурной деятельностью человек меняет всё вокруг. Строительство городов, развитие промышленности, добыча ископаемых, возделывание пашен и сведение лесова — всё это ведёт к системному изменению окружающей среды и зачастую к ухудшению её качества.
Крайняя форма деградации окружающей среды — это техногенные ландшафты. Причин, по которым они повляются много. Если загрязняющие вещества попадают в почвы в высоких концентрациях, запускается порочный цикл разрушений экосистемных функций почв: в первую очередь почвы постепенно перестают быть пригодными для произрастания растений, ухудшается их биологическая активность. В отдельных случаях почвы полностью утрачивают плодородие, что приводит к образованию техногенных пустошей.
Самовосстановление таких территорий без вмешательства учёных весьма затруднено. Вместе с тем, лишенные растительности, такие пространства более подвержены водной и ветровой эрозии, что способствует дальнейшему загрязнению сопредельных территорий. В тех же случаях, когда концентрации загрязняющих веществ высоки, но не настолько, чтобы произрастание растений было невозможно, при сельскохозяйственном производстве может существенно ухудшаться качество продукции.
Как быть?
Главный элемент решения — переход устойчивым системам производства, то есть такому ведению хозяйственной деятельности, при котором учитывается долгосрочное воздействие на компоненты окружающей среды, отслеживаются показатели качества природных систем, поддерживается биоразнообразие. Считается, что таким образом будет поддерживаться способность природных систем, в том числе и почв, длительное время сохранять состав, структуру и функционирование, а в условиях небольшого колебания факторов — самостоятельно восстанавливать присущие экосистемам свойства.
Вопросы деградации почв, окружающей среды в целом сейчас – не только повод для дискуссии, но пространство для технологических инноваций, развития новых финансовых инструментов. Уже не только ученые пишут доклады о глобальной оценке биоразнообразия и экосистемных услуг, но активно вовлекается и рынок. Сейчас у всех на слуху три заветных буквы ESG, а самый обсуждаемый спутник последних лет — искусственный интеллект — считается заветным ключом к решению и этих проблем. Как всегда, для того, чтобы машина научилась — ей нужно много данных, а ещё — много увлеченных специалистов, которые будут анализировать спутниковые изображения, разрабатывать инженерные решения для автоматической детекции «красных флажков» деградации, продумывать и оптимизировать системы поддержки принятия решений.
Важнейший элемент на пути к устойчивости — просвещение и осознание хрупкости окружающей нас природы. И охрана почвенных ресурсов своего рода краеугольный камень в борьбе с бедностью, голодом и изменением климата, в обеспечении здоровья — и качества жизни и окружающей среды.
Все существующие проблемы создают спрос на разработки и внедрения новых технологий, например, систем мониторинга и поддержки принятия решений, основанных на анализе данных, собираемых из самых разных источников.
Автор: Полина Трегубова
Редактор: Никита Лавренов
