Забруднення ґрунту: основні причини та наслідки

Ґрунт — один із найцінніших ресурсів на Землі, без якого існування людства неможливе. Але щорічно через забруднення її якість погіршується. Розповідаємо, у чому причини та як цей процес можна уповільнити

Що таке забруднення ґрунту

Забруднення ґрунту - це деградація верхнього родючого шару Землі в результаті господарської діяльності людини, накопичення хімічних речовин, зміна складу та погіршення його якості [1]. Від стану ґрунту також залежить якість питної води, здоров'я людей, доступність антибіотиків — понад 500 антибіотиків одержують із мікроорганізмів, які живуть у ґрунті.

Цьому цінному ресурсу присвятили окреме свято – 5 грудня відзначається Всесвітній день ґрунтів. На даний момент близько третини грунтів на планеті перебувають у стадії деградації через ерозію, ущільнення, хімічні забруднення, закислення [2].

У Росії її 4,1% площі серйозно забруднено важкими металами, 9,2% території ставляться до помірно небезпечної категорії забруднення, а до допустимої — 86,7% [3].

До забруднення ґрунту веде різна діяльність людини, зокрема:

• сільське господарство;
• промисловість;
• транспорт;
• побутова діяльність (відходи опалювальних систем, стічні води, харчові відходи).

Також є природні джерела забруднення, це можуть бути різні катаклізми: урагани, повені, виверження вулканів.

У світі є низка екологічних організацій, які займаються вивченням проблеми та шукають шляхи вирішення.Серед них — Всесвітній фонд дикої природи (WWF, визнаний у Росії іноземним агентом та небажаною організацією), Greenpeace (визнаний у Росії небажаною організацією), Міжнародний Зелений хрест, окремі підрозділи ООН, у Росії діє Всеросійське товариство охорони навколишнього середовища.

Причини та джерела забруднення ґрунту

Причини забруднення ґрунту можуть бути неорганічні, органічні, біологічні та радіаційні.

Джерело — майже завжди діяльність людини та результат функціонування різних підприємств:

• Комунальні підприємства та житлові будинки. Залишки продуктів, будівельне сміття, стоки з каналізацій. Побутові відходи концентруються в основному на звалищах, забруднюючі речовини потрапляють у ґрунт.
• Промислові підприємства Серед відходів їхньої діяльності — токсичні речовини, солі важких металів, сполуки миш'яку, нафта та нафтопродукти та інші небезпечні елементи, які накопичуються у ґрунтах та можуть потрапляти в організми людей.
• Транспорт. З вихлопними газами у повітря, та був у грунт потрапляють азот, вуглеводень, свинець. Це призводить до ерозії ґрунту. Також будівництво доріг веде до зменшення загальної площі родючої землі.
• Сільське господарство. Аграрії використовують мінеральні добрива, отрутохімікати, у складі яких зазвичай є ртуть та інші важкі метали. Також через орання земель прискорюється процес ерозії.
• При роботі атомних станцій в реакторах утворюються радіоактивні відходи, повністю переробити їх практично неможливо, тому їх утилізують шляхом поховання.

Наслідки забруднення ґрунту

Забруднення ґрунту змінює його хімічний склад, фізичний та біологічний стан, погіршує структуру.Тому неправильна сільськогосподарська діяльність, погана утилізація відходів, активне промислове виробництво та відсутність роботи над скороченням обсягу шкідливих викидів призводять до негативних наслідків.

1. Погіршення якості продуктів харчування та шкода здоров'ю. Ґрунт – це перший рівень фільтрації питної води. Із забрудненого ґрунту шкідливі речовини та токсини надходять у ґрунтові води, накопичуються у тканинах рослин, якими харчуються тварини на пасовищах, а потім потрапляють у їжу людей. Забруднюючі речовини та важкі метали можуть призводити до захворювань – від діареї до онкологічних.
2. Зниження ефективності антибіотиків. Більшість антибіотиків, які у сільському господарстві й у медицині, потрапляють у довкілля після виведення з організму. Вони можуть фільтруватися у ґрунті та поширюватися, що призводить до утворення стійких до протимікробних препаратів бактерій та знижує ефективність антибіотиків. Щорічно близько 700 тис. смертей викликають бактерії, стійкі до протимікробних препаратів. Якщо нічого не зміниться, до 2050 року від цього помре більше людей, ніж від раку.
3. Спад урожайності. Забруднені ґрунти стають менш родючими, це призводить до серйозних економічних витрат. Ґрунт прямо чи опосередковано необхідний виробництва 95% продуктів на планеті [4].
4. Зміна клімату. Забруднення грунтів призводить до осушення та опустелювання: з 1970 року було втрачено близько 35% водно-болотних угідь, вони зникають швидше за ліси [5]. Якщо ситуація не зміниться, до 2050 року близько половини населення Землі житиме в посушливих районах із бідними ґрунтами.

Небезпека у тому, що забруднення грунтів — невидимий процес.Прямо зараз близько третини ґрунтів на Землі деградує через ерозії, засолення, хімічне забруднення та інші причини. А для утворення всього одного сантиметра родючого шару потрібно близько тисячі років. Якщо не вживати заходів, здоров'я та якості життя майбутніх поколінь може загрожувати серйозна небезпека. На кінець 2020 року деградація грунтів вже торкалася щонайменше 3,2 млрд людина — це 40% населення Землі [6].

Шляхи вирішення проблеми забруднення ґрунту

У ґрунту є здатність самоочищатися, але це тривалий процес. Враховуючи, що забруднення не припиняється ні на хвилину, сам ґрунт очиститися не зможе.

Вирішувати проблему потрібно на кількох рівнях. По-перше, на світовому. ООН у 2021 році оголосила про програму «Десятиліття ООН з відновлення екосистем» [7]. Програма передбачає відновлення наземних, прибережних та морських екологічних систем.

По-друге, державному рівні екологічні питання регулюються законодавчо, і навіть ведеться облік забруднених земель. Наприклад, у Росії Міністерство екології та природних ресурсів щорічно підводить статистику забруднення ґрунтів промисловими токсикантами.

Крім того, є ухвала уряду «Про проведення рекультивації та консервації земель» [8]. Документ визначає, що таке «деградація ґрунту» (це погіршення якості земель внаслідок негативного впливу господарської діяльності), та фіксує заходи щодо рекультивації (тобто відновлення) земель, такі як виїмка забрудненого ґрунту, відновлення родючого шару, створення захисних лісових насаджень. А кримінальний кодекс передбачає відповідальність за забруднення ґрунтів за статтею «Псування землі» (ст.254 КК, покарання нею варіюється від штрафу в 200 тис. руб. до позбавлення волі терміном до п'яти років залежно від тяжкості злочину).

Локальні нормативні акти забезпечують більшу частину заходів щодо охорони грунтів. Здебільшого це стосується виробництв: контроль шкідливих викидів, знезараження стічних вод. Також допомогти захистити ґрунти можуть такі заходи:

• мінімізація обробки родючого шару, використання пестицидів та хімічних засобів у сільському господарстві;
• закріплення ґрунту, формування рослинного покриву;
• висаджування дерев та захисних лісосмуг;
• очищення вихлопних газів;
• осушувальні роботи для зниження рівня ґрунтових вод.

На побутовому рівні кожен також може зробити свій внесок: наприклад, сортувати сміття, здавати токсичні відходи (батарейки, термометри) у спеціальні пункти прийому, використовувати багаторазові сумки та мішечки замість пакетів, вибирати для поїздок екологічний транспорт.

Грунт - найбільше сховище вуглецю

За підрахунками вчених, близько 2 мільярдів га, або 25 відсотків загальної площі земель у світі постраждали від деградації. Щорічно в усьому світі втрачається близько 24 мільярдів тонн родючих ґрунтів. Викиди парникових газів у сільському господарстві, за винятком впливу сільського господарства на зміни у землекористуванні, становлять приблизно 13% від загальних глобальних викидів

Наслідки деградації ґрунтів

Ґрунтовий органічний вуглець (вуглець, що міститься у ґрунтовій органічній речовині) має вирішальне значення для здоров'я ґрунту, родючості та екосистемних послуг, у тому числі виробництва харчових продуктів. Його збереження та відновлення має важливе значення для сталого розвитку.

Внаслідок зміни клімату, що негативно впливає на сільське господарство, фермери повинні виробляти на 60 відсотків більше продовольства до 2050 року, оскільки населення збільшиться до дев'яти мільярдів. Для задоволення цих потреб ґрунти мають бути якомога продуктивнішими.

Ґрунти з високим вмістом вуглецю є більш продуктивними і здатні краще фільтрувати та очищати воду. Вода, що утримується в грунті, служить джерелом для 90 відсотків світової сільськогосподарської продукції і становить близько 65 відсотків прісної води.

Ґрунтовий органічний вуглець відіграє велику роль у зміні клімату, являючи собою як загрозу, так і можливості досягти цілей Паризької угоди.

У всьому світі запаси вуглецю в першому метрі ґрунту оцінюються в 1,417 гігатонн (ГТ) — майже вдвічі більше, ніж у нашій атмосфері та в десятки разів більше за рівні щорічних антропогенних викидів. На більших глибинах ґрунт містить утричі більше вуглецю, ніж в атмосфері.

Ґрунтовий органічний вуглець чутливий до того, як ґрунт управляється: нераціональне використання земель є причиною того, що ґрунти втрачають органічну речовину/вуглець і відбуваються викиди парникових газів.

Деградація однієї третини грунтів у світі, що відбулася, вже сприяла викиду до 78 ГТ вуглецю в атмосферу.

Раціональне використання ґрунту та відновлення деградованих земель може пом'якшити наслідки зміни клімату та підвищити рівень продовольчої безпеки. Зв'язування, моніторинг та збереження вуглецю в ґрунтах може також підвищити стійкість до зміни клімату, як і «здорова» кількість органічного вуглецю в ґрунті може допомогти рослинному покриву.Відновлення ґрунтів на сільськогосподарських та деградованих землях може видалити до 51 ГТ вуглецю з атмосфери.

Однак накопичення ґрунтового органічного вуглецю є повільним та оборотним процесом. Практики сталого управління ґрунтовими ресурсами мають бути прийняті на довгострокову перспективу. Уряди повинні надати підтримку землекористувачам для реалізації.

Методи управління ґрунтовими ресурсами

Практики вже продемонстрували безліч стійких методів управління ґрунтовими ресурсами, які можуть зберегти та збільшити вміст органічного вуглецю. Згідно з даними продовольчої та сільськогосподарської організації ООН (ФАО):

- Прийняття методів ведення сільського господарства, які сприяють збереженню ґрунтового органічного вуглецю, може збільшити врожайність сої, кукурудзи та пшениці на 17,6 мегатонн на рік.

- збільшення на одну тонну ґрунтового органічного вуглецю на деградованих землях може збільшити врожайність пшениці на 20-40 кг на га, кукурудзи на 10-20 кг на га та гороху на 0,5-1 кг на га. Наприклад, у тропічних посушливих районах близько 37 тонн вуглецю на гектар зберігаються у шарі 0-30 см. Приріст запасів вуглецю на одну тонну становитиме 0,3-відсотковий приріст поточного запасу вуглецю.

- Покривні культури, що використовуються як зелене добрива, є важливою функцією управління для збільшення запасів вуглецю. Такі методи можуть сприяти накопиченню до 17 ГТ вуглецю у ґрунті в усьому світі.

- Агролісоводчі системи накопичують вуглець у деревах як деревну біомасу та скорочують викиди парникових газів із ґрунтів.Дослідження показали, що системи агролісівництва поглинають близько семи тонн вуглецю на гектар на рік.

- Комбіноване застосування гною та хімічних добрив може призвести до 43-відсоткового збільшення запасів ґрунтового органічного вуглецю порівняно з використанням неорганічних добрив.

Реакція ґрунту на зміну клімату

Вчені вважали, що підвищення середньої глобальної температури всього на два градуси призведе до вивільнення мільярдів тонн вуглецю з ґрунту, що ще більше прискорить потепління.

Паризька угода щодо клімату ставить за мету утримати глобальне потепління нижче двох градусів Цельсія в порівнянні з доіндустріальними значеннями. Проте, як вважають вчені, запланованих заходів може виявитися недостатньо. з прискоренням, тому що в їх основі закладено механізм позитивної обер-

ній зв'язку, коли результат посилює саму дію. ефект, відповідальний за потепління

Фахівці з кліматичного моделювання з Великобританії, США та Швеції підрахували, що глобальне потепління на два градуси Цельсія призведе до додаткового викиду близько 230 мільярдів тонн вуглецю із ґрунту. Це приблизно вдвічі більше, ніж усі викиди США за останні сто років.

Реакція грунту зміни клімату — найбільша область невизначеності вуглецевого циклу, від розуміння якого безпосередньо залежить точність прогнозу кліматичних моделей.

Сучасні моделі передбачають цю невизначеність на рівні 120 мільярдів тонн вуглецю за середнього глобального потепління на два градуси Цельсія. Нове дослідження звужує межі невизначеності до 50 мільярдів тонн.

«Ми знизили невизначеність у цій реакції на зміну клімату, яка має життєво важливе значення для розрахунку точного глобального вуглецевого бюджету та успішного досягнення цілей Паризької угоди», - каже ще один учасник дослідження професор Пітер Кокс (PeterCox) з Інституту глобальних систем Ексетерського університету.

Чи стане ґрунтовий вуглець частиною ринку?

У рамках весняної Експертної сесії Російської академії наук перед колегами та міністром економічного розвитку Максимом Решетніковим виступив Андрій Іванов, директор Федерального центру «Грунтовий інститут ім. В.В. «Глобальна економіка і глобальний клімат, будучи аж ніяк не синонімами 20-21 століття, все ж таки одні з основних обговорюваних проблем цивілізаційного значення, в тому числі які впливають на забезпечення продовольством. та природокористування. Зараз остаточно зрозуміло, що тенденції. глобалізації економіки, що домінують останні десятиліття, обертаються глобальними проблемами та актуалізували обернено ізоляційні процеси».

Андрій Леонідович говорив про жорсткий диктат з боку ЄС до Росії, а також про концепцію структури екосистем карбонових полігонів: «Потрібні методики закладення та ведення спостереження за продуктивністю екосистем, при цьому ми наполягаємо на своїх ґрунтознавчих міркуваннях. По-перше, слід враховувати і відстояти перед ЄС позицію, що концепція карбонових полігонів повинна включати роль грунтів регулювання циклу вуглецю в наземних екосистемах, включаючи потоки вуглецю в рідкій і газоподібній фазах. Грунт має у 6 разів більше вуглецю, ніж рослинність. Врахування зміни запасів вуглецю виключно в рослинності явно недостатньо. Якщо ми відстоїмо цю позицію, то ми матимемо сильну конкурентну перевагу».

Міністр економічного розвитку РФ Максим Решетніков попросив представників наукової спільноти сформувати кілька системних пропозицій, одна з яких — пропозиція щодо єдиної системи моніторингу поглинання CO2 екосистемами із виділенням окремих категорій. Як пояснив Максим Геннадійович, проект має бути не просто науковим, а по можливості науково-технологічним: із застосуванням нових технологій, відпрацюванням методів дистанційного моніторингу, з використанням у тому числі інформації з космосу і так далі. «Системний великий проект, який інтегрував би дані, підходи, технологію, інформацію, організаційні методи, наведення порядку в лісовому кадастрі та інших. Такий великий проект, який має на меті і моніторинг, і визнання на міжнародному рівні результатів цього моніторингу, на мою думку, був би вкрай затребуваний».

NO-TILL допоможе досягти балансу

Скотт Стеггенборг з університету штату Канзас (США) розповідає про управління вуглецем на прикладі місцевого досвіду: «Ґрунти відрізняються за кількістю вмісту в них ґрунтового органічного вуглецю, спектр варіювання — від менш як 1% у піщаних ґрунтах до понад 20% у заболочених ґрунтах. Природний рівень вмісту ґрунтового органічного вуглецю в ґрунтах Канзасу варіюється в межах 1-4%. Сьогодні у більшості оброблюваних земель Канзасу рівень вмісту органічного вуглецю становить 0,5-2%.

Що можна зробити, щоб уповільнити процес збільшення вмісту СО2? Якщо ми замислимося про джерела, з яких надходить СО2, і про те, куди він подіється потім, найбільш очевидним рішенням буде скорочення його надходження шляхом зниження використання палива. Це зменшить влучення СО2 в атмосферу. Згодом будуть потрібні більш ефективні та екологічно чисті джерела енергії, але поточні економічні аспекти використання викопного палива обмежують впровадження та розвиток альтернативних джерел. У майбутньому, коли ми розробимо технології альтернативної енергії, масове використання стоків вуглецю, можливо, допоможе стабілізувати рівень вмісту СО2 в атмосфері. Опис світових резервів вуглецю демонструє, що скупчення вуглецю в глибинах океану - основний резерв, але його зміни можуть тривати мільйони років. Крім того, наші можливості керувати цим резервом обмежені. Наступний за розмірами резерв - ґрунтовий органічний вуглець. Кількість ґрунтового органічного вуглецю вдвічі перевищує кількість вуглецю, що міститься в рослинній біомасі (рослини, дерева, сільськогосподарські культури, трави тощо).Одним із способів стабілізації атмосферного вуглецю могло б бути впровадження у всьому світі технологій, які сприяють збільшенню вмісту ґрунтового вуглецю. Скільки вуглецю може утримуватись у ґрунті Канзасу? Питання просте, але на нього немає простої відповіді. Потенціал накопичення для цього виду ґрунту залежить від рівня вмісту ґрунтового вуглецю на даний момент, концентрації СО2 в атмосфері та застосовуваних агротехнічних прийомів. У багатьох ґрунтах Канзасу результатом значних втрат верхнього шару, зумовлених ерозією та проведенням численних механічних обробок, стало скорочення рівня вмісту вуглецю більш ніж удвічі порівняно з вихідними показниками. При правильному управлінні вміст органічного вуглецю в багатьох ґрунтах можна підвищити. Втрати ґрунтового вуглецю, що сталися у першій половині ХХ століття, були частково компенсовані у другій половині з удосконаленням заощаджуючих технологій та інтенсифікацією систем землеробства. Правильне внесення добрив та обробіток покращених гібридів та сортів також відіграли свою роль у накопиченні ґрунтового органічного вуглецю. Більш висока врожайність та інтенсивність обробітку сприяють збільшенню обсягу біомаси, яка проникає у ґрунт, забезпечуючи надходження більшого обсягу матеріалу, який може бути перетворений на ґрунтовий вуглець.

У ґрунтах, що обробляються за технологією no-till та на яких використовуються інтенсифіковані системи обробітку, вміст ґрунтового вуглецю може збільшуватися на 1% на рік. В даний час у штаті Канзас із застосуванням технології no-till обробляється 10% сільськогосподарських земель (загальна площа 8,2 млн.).га), і цих площах додатково має секвеструватися 19 000 т вуглецю на рік. При розширенні використання технології no-till та використання інтенсифікованих систем обробітку вуглець секвеструвався б у великих обсягах. У світі немає потенційної можливості використовувати грунт як стоку вуглецю, цей варіант залишається короткочасним рішенням. Через якийсь період часу, можливо, через 30-50 років, буде досягнуто нового рівня балансу ґрунтового СО2, при якому буде складно досягти подальшого накопичення вуглецю. Більше довгостроковим рішенням для стабілізації рівня атмосферного СО2 може стати зниження нашої залежності від викопного палива для отримання енергії».

Секвестрація вуглецю у питаннях та відповідях

1. Що мається на увазі під секвестрацією вуглецю?

Секвестрація вуглецю - це, як правило, процес трансформації вуглецю в повітрі (вуглекислий газ або СО2) в ґрунтовий вуглець. Вуглекислий газ поглинається рослинами у процесі фотосинтезу, а також убирається живими рослинами. Коли рослина відмирає, вуглець, що знаходився в листі, стеблі, а також коренях, потрапляє в ґрунт і стає ґрунтовою органічною речовиною.

2. Як секвестрація вуглецю може допомогти позбавитися проблеми глобального потепління?

Атмосферний вуглекислий газ та інші гази, що спричиняють парниковий ефект, є пасткою для тепла, що відходить від поверхні землі. Це накопичення тепла може спричинити глобальне потепління. Через секвестрацію вуглецю рівень атмосферного вуглекислого газу знижується, а рівень ґрунтових органічних речовин підвищується.Якщо ґрунтовий органічний вуглець не чіпати, він може залишатися в землі багато років як стабільна органічна речовина. Цей вуглець секвеструється пізніше або переміщується до сховищ, щоб стати доступним для рециркуляції в атмосферу. Цей процес знижує рівень СО2, а також можливість глобального потепління.

3. Який вплив секвестрація вуглецю може чинити на гази, що викликають парниковий ефект?

Було встановлено, що скоротити викиди СО2 на 20% і більше можна за допомогою сільськогосподарської ґрунтової секвестрації вуглецю.

4. Що сільгоспвиробники можуть зробити, щоб підвищити рівень секвестрації вуглецю?

Існує кілька способів досягти цього:

- no-till, або мінімальна обробка ґрунту;

- Інтенсифікація сівозмін і виключення літньої пари;

— заходи щодо охорони природи, які сприятимуть зниженню ерозії;

- Використання культур, що дають багато залишків (кукурудза, сорго звичайне, а також пшениця);

- Використання покривних культур;

- Вибір таких видів і гібридів, які зберігають більше вуглецю.

5. Що таке ґрунтові органічні речовини, звідки вони беруться і куди йдуть?

Ґрунтові органічні речовини складаються з перегнилих рослин та тваринних відходів. Вони дозволяють з'єднувати ґрунтові мінеральні частинки в грудочки, які називаються ґрунтовими агрегатами. Підвищення рівнів ґрунтових органічних речовин веде до встановлення більш стабільних ґрунтових агрегатів, більш стійких до вітрової ерозії, кращої інфільтрації та аерації, зниження ймовірності ущільнень, а також підвищення родючості.Органічні речовини допомагають утримувати ґрунтові поживні речовини разом, таким чином, вони не вимиваються і не вилуговуються. Якщо їх не чіпати, ґрунтові органічні речовини можуть перерости в гумус - дуже стабільну форму органічної речовини. Тим не менш, якщо грунт обробляється, ґрунтові органічні речовини будуть окислюватися, і вуглець розчиниться в атмосфері як СО2. Якщо ґрунт еродується, ґрунтові органічні речовини вимиватимуться водою.