К чему приводит ветровая эрозия почв и как с этим бороться
Над распаханными полями висят плотные пылевые облака, закрывающие солнце. Целые сугробы этой пыли заметают лачуги фермеров и сельскохозяйственную технику. Урожая в этом году не будет — посевы уничтожены, верхний плодородный слой почвы сдут ветром. Местные жители страдают от постоянного кашля: висящая в воздухе пыль попадает в легкие и вызывает пневмонию. Узнаете начало «Интерстеллара»? Но на самом деле это начало XX века: 30-е годы, США.
Великие равнины — это огромный регион в центральной части Северной Америки. Они тянутся с севера на юг почти через весь континент, с востока ограничены более влажными лесными землями, а с запада — Скалистыми горами.
До прихода белых поселенцев Великие равнины представляли собой прерии — земли, покрытые бесконечным ковром диких трав, в основном злаков, по которым бродили стада бизонов. Такие территории есть (точнее, были) и на других континентах: в Евразии их называют степями, в Южной Америке — пампасами. Все это обширные равнины без лесов и гор, открытые всем ветрам (и потому нередко засушливые), покрытые травой и населенные стадами крупных копытных животных.
Коренные жители Великих Равнин занимались в основном охотой на бизонов и другую дичь, а земледелие практиковали очень ограниченно, в речных долинах. Многие племена вели полукочевой образ жизни: если начиналась засуха или кончалась дичь — перемещались в другие районы.
В 1860-х годах по этим землям протянулись железные дороги. В 1862-м году Конгресс принял Гомстед-акт — закон, позволяющий любому гражданину США получить право на участок незанятой территории на Западе. Прерии стали быстро осваиваться. Поначалу на них выросли животноводческие ранчо. Если свободной земли много, то можно завести скот и пасти его на открытых просторах — отличный план! Так на территории Великих Равнин началась эпоха ковбоев. Со временем места для пастбищ стало не хватать, а спрос на зерно возрос, и скотоводческие ранчо сменились распаханными полями. Конечно, вспахать прерии нелегко — земля очень плотная, покрыта ковром трав и скреплена переплетением их корней, дерниной. Но фермер, вспахавший целину, будет вознагражден — не знавшая плуга степная почва дает очень хороший урожай.
К 1930-м годам практически все подходящие площади Великих Равнин были распаханы. Прерии, когда-то покрытые морем травы, которые бороздили стада бизонов, превратились в нескончаемые поля пшеницы, кукурузы и хлопчатника. За 30 лет с начала XX века площадь ферм на Великих равнинах удвоилась, превысив 100 миллионов гектаров. Урожай пшеницы вырос с 500 тысяч до миллиона тонн, урожаи хлопка увеличились в несколько раз — а вместе с этим практически удвоилось население Великих равнин. Властвовавшая тогда идеология завоевания природы человеком не допускала, что землепашец может навредить земле. Нетронутые прерии воспринимались как «дикие земли», которые должны быть освоены, а плуг — как инструмент, который делает почву только лучше.
Мильтон Уитни, в то время глава Бюро почв США, писал: «почва — единственное нерушимое достояние нации... единственный ресурс, который невозможно исчерпать». В 1920-е годы с этих территорий получали огромные урожаи. За 1921-1923 годы США отправили 595 тысяч тонн продуктов в виде гуманитарной помощи в голодавший тогда Советский Союз.
Но уже через десять лет все изменилось.
«Наступило время рассвета, но день не пришел. В сером небе появилось солнце — мутно-красный круг, излучающий слабый, похожий на сумерки свет; к вечеру сумерки снова слились с темнотой, и в темноте над повалившейся кукурузой завывал и плакал ветер».
Джон Стейнбек, «Гроздья гнева» (1939)
В 1934-1935 годах на Великие равнины пришли засухи. Ветер разрушал иссушенную почву и вздымал огромные «черные метели» (black blizzards), которые уносил на Восточное побережье. За одно только «черное воскресенье» 14 апреля 1935-го года ветер унес с полей около 300 миллионов тонн почвы.
С этого момента на карте появляется новый топоним, «Пыльный котел» (Dust Bowl): Техас, Оклахома, Канзас, часть Колорадо и Нью-Мексико. Но ветровая эрозия только этими штатами не ограничилась: в той или иной степени пострадали все территории Великих Равнин в США и Канаде. Сотни тысяч фермеров остались без заработка и пропитания, и начали массово сниматься с места. В общей сложности мигрантами стали 2,5 миллиона человек.
Может показаться, что библейский масштаб эта катастрофа приобрела из-за какого-то экстраординарного стечения обстоятельств. На самом деле ветровая эрозия, пусть и не настолько масштабная, была и остается крайне распространенной проблемой во многих странах, и причины ее везде очень похожи.
В нормальном состоянии почва обладает структурой — ее частицы скреплены друг с другом. Роль «клея», скрепляющего частицы почвы, играют органические вещества — продукты жизнедеятельности растений и микроорганизмов.
Чем меньше органического вещества в почве, тем более хрупкой становится ее структура. Распашка почвы в течение многих лет и выращивание одних и тех же сельскохозяйственных сортов растений приводит к истощению почвы — органических веществ в ней становится все меньше. Именно это и происходило на Великих равнинах.
Гумус
Сначала на роль клея, скрепляющего частицы почвы назначали гумус — гипотетическую группу специфических органических веществ. Их выделил из почвы в 1786 году немецкий ученый Франц Карл Ахард, обработав щелочной экстракт из торфа серной кислотой и получив темный органический осадок. Разработанная почвоведами в ХХ веке теория определяла гумусовые вещества как очень крупные и очень устойчивые молекулы, содержащие множество ароматических колец (в том числе в хинонных группах и гетероциклах), которые в течение многих лет конденсируются в почве из продуктов разложения растительных остатков. Однако гумусовые вещества, которые выделяли и описывали почвенные химики, не получалось обнаружить непосредственно в самой почве. Оказалось, что эти сложные молекулы не существуют в природе, а образуются «в пробирке», когда почву обрабатывают щелочными растворами.
Помимо органического клея, почвенная структура поддерживается корнями растений. Это, пожалуй, самый важный фактор устойчивости к ветровой эрозии: корни скрепляют почвенные частицы, а наземные части растений защищают поверхность почвы от ветра. В естественном состоянии степи покрыты густым ковром многолетних трав с глубокой корневой системой, прежде всего засухоустойчивых видов злаков. Масса тонких корней, пронизывая верхние 15-20 сантиметров почвы, образуют дернину — очень плотный слой, защищающий почву от любой эрозии. На пахотных землях дернины нет, и почва намного более уязвима. Особенно уязвима почва в те периоды, когда она лишена растительности: весной, до появления всходов, и осенью, после уборки урожая.
Гломалин
После гумуса на роль волшебного компонента, поддерживающего структуру почвы, появился другой претендент — белок гломалин. Сначала исследователи описали его как гликопротеин (белок, связанный с углеводом), синтезируемый грибками арбускулярной микоризы (специфического симбиоза грибов с корнями растений). Впоследствии оказалось, что это не один белок, а целая группа веществ (glomalin-related soil proteins, или GRSP) — и синтезируются они не только микоризными грибами, но и другими микроорганизмами. Сейчас считается, что на формирование почвенной структуры, помимо GRSP, влияют полисахариды в биопленках бактерий и выделения почвенных животных, особенно дождевых червей.
20-го марта 1935 года перед Комитетом общественных земель (Public Lands Committee) Палаты представителей США выступил человек по имени Хью Беннет. Бывший подчиненный Мильтона Уитни, он не разделял оптимизма своего бывшего шефа (Уитни умер в 1927-м) и годами предупреждал правительство, общество и фермеров об опасности ветровой эрозии. Беннетта считали паникером и алармистом — примерно так же, как позже воспринимали Михаила Будыко, Джеймса Хансена и других климатологов, которые заговорили о реальности глобального потепления и переменах, которые оно несет.
В какой-то момент Беннет предложил присутствующим подняться с кресел и подойти к окну. Темная туча пыли, которую принес ветер с территории Великих равнин, добралась до Вашингтона. «Черная метель» убедила членов Комитета лучше любых слов, и конгрессмены одобрили принятие Акта об охране почв — документа, регламентирующего сохранение почвы на государственном уровне. Нельзя сказать, что Беннету повезло — он знал о зарождении «черной метели» заранее, и не скрывал в своих мемуарах того, что намеренно затягивал заседание, дожидаясь прибытия бури.
В Сенате акт рассматривали 15 апреля, на следующий день после «черного воскресенья», когда в Вашингтон снова пришла черная метель. Тогда же в газете Washington Evening Start впервые появилось имя «Пыльный котел». Неизвестно, было ли и это неслучайно, но теперь уже никто не мог обвинить Беннетта в преувеличении проблемы. Акт об охране почв был принят обеими палатами Конгресса и утвержден президентом Рузвельтом. Так в США появилась Служба охраны почв, а Хью Беннетт ее возглавил.
Беннетт не знал о механизмах образования почвенной структуры, но в своих экспедициях по югу США убедился, что способ ведения сельского хозяйства, который там практиковался, ведет к разрушению почвы. Из года в год фермеры выращивали одни и те же прибыльные культуры: пшеницу, хлопчатник и кукурузу, которые сильно истощали почву. Почва теряла структуру и легко разрушалась под действием плуга, рассыпаясь на мелкие частички. А чем мельче частицы — тем легче они переносятся ветром. Для этого даже не требуется никаких ураганов, ветровая эрозия может начинаться уже при скорости ветра в 3 метра в секунду — это легкий ветерок, который слегка раскачивает ветви деревьев.
Опасность разрушения структуры особенно актуальна для аридных, то есть засушливых областей. Не зря Пыльный котел появился в южной части Великих равнин, где многие территории получают менее 250 миллиметров осадков в год. Именно засуха послужила спусковым крючком, который запустил ветровую эрозию — чем суше почва, тем легче разрушается ее структура.
Почву может разрушать не только земледелие, но и скотоводство. Животные выедают растительность и разбивают копытами почву. Результат перевыпаса такой же: разрушение почвенной структуры, иссушение и выдувание почвы ветром. Ситуацию усугубляет то, что многие засушливые территории (сухие степи, пустыни и полупустыни) часто используются именно как пастбища. Традиционное кочевое скотоводство было основано на перемещении стад между летними и зимними пастбищами и редко приводило к перевыпасу на одной территории. Но когда степные народы перешли к оседлому скотоводству, сконцентрировав стада на одной территории, увеличилась и опасность перевыпаса.
Беннетт и его сподвижники сумели распознать эти основные причины эрозии — сплошная распашка, иссушение почвы и отсутствие растительного покрова — и выработали программу действий.
Методы, которые вводила американская Служба охраны почв на Великих равнинах, до сих пор остаются золотым стандартом борьбы с ветровой эрозией. Он держится на трех «китах»:
Главным средством борьбы с ветром остается то, что защищает почву от ветра в естественных условиях — растения. На равнинных областях с большими открытыми пространствами должны высаживаться защитные лесополосы. Они снижают скорость ветра в приземном слое, создавая так называемые «ветровые тени», то есть не дают ветру развить критическую скорость для разрушения почвы. Длина такой ветровой тени, в зависимости от состава, возраста и состояния деревьев, составляет от 10H до 60H (H — высота лесополосы). Помимо этого, лесополосы задерживают снег зимой, сохраняя влагу на лето.
Искусственный «клей»
Еще один способ — вносить в почву полимерные вещества, которые скрепляют частицы почвы, а заодно сохраняют влагу на случай засухи. То есть заменить естественную почвенную органику искусственным «клеем». В СССР такие методы пытались разрабатывать сотрудники Агрофизического института, представители школы академика Иоффе, но особенного практического эффекта эти разработки не имели. Со временем появились подходящие вещества, например, полиакриламиды. Карбоксиметилцеллюлоза — это вещество используется как загуститель и регулятор вязкости в различных продуктах — также тестируется для борьбы с опустыниванием, например, в Китае.
Как правило, высадка лесополос — это задача, которая решается на государственном уровне. Но многое зависит и от самих фермеров. Например — оставление на поверхности почвы стерни. Стерня — это нижняя часть стебля, которая остается после уборки урожая. Она может сохранять почву от чрезмерного иссушения и защищать от ветра. Американские фермеры 30-х годов (как и многие другие фермеры до и после них) сжигали остатки стерни, и поле оставалось «голым».
Второй метод — использование севооборота, то есть смены выращиваемых культур растений в течение несколько лет. Помимо основных, товарных культур растений, можно высевать так называемые промежуточные культуры, которые занимают поле в «свободное» время между уборкой и посевом основных культур. Промежуточные культуры не успевают полностью вызреть и дать полноценный урожай, но они защищают поверхность почвы в самое уязвимое для нее время. Наконец, в засушливых областях надо выращивать специальные засухоустойчивые сорта растений. Они не погибнут в случае засухи и не оставят почву незащищенной от солнца и ветра.
А третьим инструментом борьбы с ветровой эрозией стало изобретение Фреда Хоэма, фермера из Оклахомы — чизельный плуг. Это стальная «лапа», оканчивающаяся узким долотом. В отличие от традиционного плуга, у чизеля нет отвала и потому он рыхлит почву, не нарушая ее поверхность. Чизельные плуги стали спасением для степных почв в засушливых районах, после пыльных бурь они массово распространились среди фермеров Великих Равнин.
Безпахотное земледелие (no-till)
Это метод, использование которого в принципе не предполагает ни переворачивания пластов почвы при помощи плуга, ни рыхления, а используется прямой посев семян в ненарушенную почву. В таком случае почва всегда покрыта растительностью, хорошо сохраняет влагу, структуру и достаточно высокую плотность. Поля, засеянные по системе no-till, сильно нуждаются в гербицидах, так как активно засоряются сорняками, но зато почва намного более устойчива к эрозии.
Беннетт и его служба развернули масштабную работу, объясняя фермерам важность защиты почвы и обучая их нужным приемам. Были основаны специальные опытные станции, где внедрялись системы почвозащитного земледелия — они служили как базой для полевых экспериментов, так и демонстрационными объектами для обучения фермеров. На некоторых участках земледелие было вовсе прекращено — в защитных целях там восстановили естественный растительный покров прерий, который можно было использовать только как пастбище. Не обошлось и без материального стимулирования — фермерам платили по доллару за акр пашни, где применялись меры защиты почвы.
К 1938 году количество потерь почвы за счет ветровой эрозии сократилось на 65 процентов, к концу 30-х урожаи перестали снижаться, а в 40-х вернулись к показателям до событий «Пыльного котла».
В 1946-47 годах в СССР был массовый голод, который унес жизни сотен тысяч человек. Его причиной, помимо последствий войны, были засуха и пыльные бури 1946-го года, затронувшие черноземные регионы России и Украины, Северный Кавказ, Поволжье, Западную Сибирь и Казахстан.
Реакцией на него (как и в случае Пыльного котла, несколько запоздалой) стала глобальная государственная программа предотвращения ветровой эрозии и обводнения степных территорий, известная как «Сталинский план преобразования природы». План предусматривал создание «полезащитных лесонасаждений, внедрение травопольных севооборотов, строительство прудов и водоемов» — то есть примерно те же меры, что предпринимались службой Хью Беннетта. В результате была создана масштабная сеть защитных лесополос в степной зоне СССР, общей протяженностью 5300 километров и суммарной площадью 2,3 млн гектаров. К сожалению, многие из этих лесополос до наших дней не сохранились.
При Хрущеве огромные территории сухих степей северного Казахстана, где исторически практиковалось в основном мелкое хозяйство и скотоводство, были быстро распаханы в рамках масштабной всесоюзной программы освоения целины. Целина поднималась спешными темпами — в погоне за новыми гектарами пашни степные земли вводились в оборот без высаживания лесополос, без учета локальных особенностей почвы и рельефа. И, опять же, практически не применялись севообороты — большинство территорий засевалось из года в год яровой пшеницей.
В первые годы с освоенных территорий получали неплохие урожаи, но очень скоро почвы стали терять плодородие. После череды засух в начале 1960-х поднялись пыльные бури, уничтожавшие посевы и уносящие плодородный слой почвы за много километров. После этих событий Хрущев отправил специальную делегацию в Канаду перенимать опыт сельского хозяйства в степных районах, где канадцы, наученные горьким опытом 1930-х, использовали вместо плугов безотвальную вспашку.
Был в Советском союзе и свой «Хью Беннет» — агроном-экспериментатор Терентий Мальцев, который пропагандировал подобные технологии с начала 1950-х годов. Выходец из бедной крестьянской семьи, он стал новатором во многих областях сельского хозяйства, не боявшимся во многих вопросах идти на конфликт с советским начальством. Мальцев развивал введение в степях севооборотов и применение в засушливых районах плоскорезов — специальных орудий собственной конструкции для безотвальной вспашки, аналога чизельных плугов, которые распространились после пыльных бурь в Америке. Предлагал он безотвальную вспашку и для целинных земель северного Казахстана.
Плодородные степные почвы, пострадавшие от ветровой эрозии в первой половине XX века (черноземная зона России и Украины, Великие равнины в США) в настоящее время гораздо лучше защищены от подобной участи. Это не значит, что проблема решена раз и навсегда — определенная опасность ветровой эрозии сохраняется в степных районах и по сей день. Например, вся южная часть европейской территории России (южнее Воронежа и Самары), а также юг Сибири находятся в зоне риска. Но благодаря масштабным программам защиты почв, большинство степных территорий с интенсивным земледелием сейчас покрыты сетью защитных лесополос, на них используют оросительные системы и устойчивые к засухе сорта растений, так что повторения Пыльного котла на Великих равнинах или в Черноземье ожидать не стоит.
Однако за последние полвека на карте появились новые области, подверженные сильной ветровой эрозии. Прежде всего, это тропические регионы Африки и южной Азии, где вырубка лесов под новые пашни и плантации лишают почву естественной защиты и увеличивают вероятность засухи.
Как и когда-то в США и СССР, ввод новых земель в эксплуатацию далеко не всегда сопровождается мероприятиями по защите почвы. Помимо вырубки тропических лесов и распашки, сохраняется высокая опасность разрушения почвы и пыльных бурь из-за перевыпаса скота на африканских и азиатских территориях с засушливым климатом. В результате уже на начало XXI века площадь земель, подверженных ветровой эрозии, составляла 160 миллионов гектаров в Африке и 153 миллионов гектаров в Азии (в то время, как в Северной Америке и Европе — по 38 миллионов гектаров). Около 25 процентов всех земель в мире в той или иной мере подвержены ветровой эрозии. Если учитывать только засушливые территории, то эта цифра вырастет до 37 процентов.
Мы живем в эпоху глобального изменения климата, и хотя в целом оно должно приводить к увеличению количества осадков, с ними повезет не всем. Если упростить, то влажные области будут становиться влажнее, а засушливые — еще суше. В готовящемся к выходу шестом докладе Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) выражает «среднюю степень уверенности» в том, что частота засух в результате глобального потепления увеличится. Если так — то на засушливых территориях будет повышаться опасность ветровой эрозии почвы.
Хотя арсенал методов борьбы с ветровой эрозией постепенно пополняется, «волшебная таблетка» вряд ли будет изобретена. Основой защиты почвы остаются методы Хью Беннетта. Они связаны с дополнительными издержками, поэтому их часто применяют неохотно. Но как показывает история Пыльного котла, если их игнорировать, то цена может оказаться намного более высокой.