Мониторинг почвенных систем

На каждом из названных барьеров задерживается определённая ассоциация химических элементов, утрачивающая подвижность в данной ландшафтон-геохимической обстановке. По форме геохимические барьеры разделяются на площадные и линейные. Геохимические барьеры являются главным фактором аккумуляции загрязнителей.

Перераспределение химических элементов в элементарных и каскадных системах сопровождается наряду с аккумуляцией определённых ассоциаций элементов на геохимических барьерах формированием зон выщелачивания.

Чередование в ландшафтах зон выщелачивания и обогащения их соотношение в пространстве, вещественный состав, форма, размеры характеризуют геохимическую структуру ландшафта.

Для обнаружения изменения свойств почв объектами наблюдения должны быть специально выбранные территории во всех главнейших почвенно-климатических зонах страны, с учетом существующего и ожидаемого уровня загрязнения атмосферы. В первую очередь необходимо создание системы мониторинга почв в районах наиболее интенсивной антропогенной нагрузки.

Мониторинг почв следует проводить на фиксированных контрольных участках, репрезентативно характеризующих почвенный покров природных и сельскохозяйственных геохимически сопряженных ландшафтов типичных для данного региона водосборных бассейнов. Водосборный бассейн является идеальным объектом оценки и контроля состояния экосистем, поскольку имеет ясные природные границы, замыкающие единонаправленный поток вещества и энергии и обеспечивающий относительную автономию исследуемой территории. Наиболее важным вопросом является выбор показателей мониторинга почв, периодичности наблюдений и методов измерения. Перечень показателей должен быть оптимальным, обеспечивающим реальность исполнения и не вызывающем потери информации. Система показателей должна включать обязательные для всех видов почв и специфичные для почв одного или нескольких типов параметры, а также показатели, обусловленные природой загрязняющих веществ. Выбираемые для мониторинга показатели должны быть по возможности просты, а методы доступны, в том числе для сравнительно небольших лабораторий, не располагающих дорогостоящим оборудованием. Кроме того, необходимо отметить, если при контроле воздуха или вод основное внимание обращается на вредные и токсичные примеси, то при почвенном мониторинге приходится контролировать многие параметры, характеризующие систему в целом, выявлять признаки, указывающие на возникновение неблагоприятных тенденций или снижение почвенного плодороди. Обязателен контроль показателей подвижности загрязняющих веществ, т. к. именно они характеризуют способность загрязняющих веществ переходить в сопредельные среды: в растения, в почвенные и грунтовые воды. Но чаще запас подвижных соединений неорганических загрязняющих веществ определяют в составе вытяжек разбавленных кислот, щелочей, солей, экстрагирующее действие которых может быть усилено присутствием комплексообразователей. Широким распространением пользуется, например, вытяжка ацетатно-аммонийного буферного раствора. Результаты диагностики состояния загрязняющих веществ с помощью этих показателей свидетельствуют об их информативности. Многочисленные данные показывают, что при загрязнении различных ландшафтов общее содержание металлов и содержание их подвижных соединений в почвах повышается на порядки. Существенно увеличивается доля подвижных соединений металлов от общего содержания их в почве.

Предлагают разделить показатели почвенно-экологического мониторинга на показатели ранней, кратко- и долгосрочной диагностики.

1. Показатели ранней диагностики негативных изменений свойств почв, позволяют обнаружить и остановить неблагоприятные процессы на начальных стадиях их развития. Это, прежде всего, показатели биологической активности почв - численность и видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных животных, их биомасса, ферментативная активность почв, интенсивность выделения углекислого газа почвой, активность азотфиксации и денитрификации, нитрификационная способность почв. Их использование при мониторинге промышленного загрязнения почв позволяет обнаружить тенденции и скорость происходящих в почве изменений, судить о степени опасности поллютантов. Однако неблагоприятные эффекты не являются строго специфичными, одинаковая реакция может вызываться разными факторами. Интегральный характер этих показателей, их высокое природное варьирование и сезонная динамика, неоднозначность реакций и большая приспособленность живых организмов к воздействию токсикантов делают необходимым одновременные прямые определения других свойств почв для указания причин неблагополучия.

2. Показатели средней устойчивости, характеризующие краткосрочные изменения свойств почв и обеспечивающие текущий контроль за её состоянием. С этой целью целесообразно использовать катионно-обменные свойства почв, содержание доступных для растений форм элементов питания, кислоторастворимых форм соединений кальция, магния, железа и алюминия, подвижных форм соединений тяжелых металлов, скорость деструкционных процессов, мощность и запасы подстилки, фракционный состав гумуса. Измерения должны проводиться через 2-5 лет.

3. Показатели долгосрочной диагностики нарушений почвообразования при промышленном загрязнении. Это валовой состав почв, включая содержание тяжелых металлов, состав почвенных минералов, содержание и запасы гумуса, морфологические и физические свойства почв (плотность, структурное состояние, водопроницаемость, гранулометрический состав), то есть фундаментальные свойства почв. Оценка их необходима как точка отсчета, как исходная характеристика почв на предварительном этапе мониторинга. Эти свойства формируются в результате относительно длительных однонаправленных процессов и поэтому требуют измерений через 10 лет и более.

Рассмотрим конкретные важнейшие показатели почвенного мониторинга.

Кислотно-основные свойства. Важнейший и, как правило, достаточный для характеристики почв показатель - это значение рН в водных и солевых вытяжках. Значение рН свидетельствует только о степени кислотности или щелочности почв, но из-за довольно высокой буферности почв оно не позволяет количественно оценить кислотность или щелочность. Возможны случаи, когда содержание кислотных компонентов в почве нарастает, но рН практически не изменяется. Тогда кроме рН целесообразно определять так называемую потенциальную кислотность, которую находят путем титрования щелочью вытяжки из почвы, что в известной мере позволяет судить об уровне потенциальной кислотности почвы.

Емкость катионного обмена (ЕКО). Является важной почвенной характеристикой. Она складывается из поглотительной способности гумусовых веществ, минеральных частиц почвы, а также входящих в ее состав микроорганизмов. Величина ЕКО почвы коррелирует с содержанием в ней гумуса, гранулометрическим и минералогическим составом, величиной рН. Таким образом, емкость катионного обмена - интегральная почвенная характеристика, по которой можно оценивать степень устойчивости почв, в том числе, и к антропогенному воздействию.

Динамика содержания гумуса. Контроль за содержанием гумуса входит в число первоочередных задач, поскольку изменение количества органического вещества в почве не только прямо связано с изменениями практически всех свойств почв и их плодородия, но отражает влияние внешних негативных процессов, вызывающих деградацию почв.

Для контроля за качественной характеристикой почвенного гумуса целесообразно определять содержание водорастворимых органических веществ, формирующих в значительной мере запас лабильных элементов питания и являющихся показателем доступности гумусовых веществ микроорганизмам.

Вторичное засоление почв. Вторичное, точнее, антропогенное засоление почв проявляется при недостаточно научно обоснованном орошении, строительстве каналов и водохранилищ, при развеивании солевых аккумуляций и др. Химически Оно проявляется в увеличении содержания в почвах и почвенных растворах легкорастворимых солей - NaCl, Na₂SO₄, MgCl₂, MgSO₄ и др. Наиболее простой и быстрый метод обнаружения засоления основан на измерении электрической проводимости. Применяют определение электрической проводимости почвенных суспензий, паст насыщения, водных вытяжек, почвенных растворов и непосредственно почв. Быстро и достаточно точно можно контролировать этот процесс, определяя удельную электрическую проводимость водных суспензий с помощью специальных солемеров.

Осолонцевание почв. Химическим признаком осолонцевания обычно служит увеличение содержания в почвах обменного натрия.

Угнетение почвенной биоты. Этот важный показатель, пригодный, в том числе и для ранней диагностики негативных процессов в почве, находят, как правило, по косвенным признакам. Сравнительно простой прием, позволяющий оценить суммарную активность почвенных организмов, разлагающих органическое вещество и выделяющих диоксид углерода, состоит в определении так называемого дыхания почвы, или эмиссии почвой СО₂. В полевых условиях на поверхности почвы устанавливают специальные камеры, которые улавливают выделяющийся СО₂, например, путем его поглощения раствором щелочи; затем количество поглощенного СО₂ можно измерить титрованием.

Фитотоксичность почв. Необходимость определения этого показателя особенно часто возникает при мониторинге химически загрязненных почв или при оценке возможности использования в качестве мелиорантов или удобрений различного рода отходов: осадков сточных вод, различного рода компостов, гидролизного лигнина.

Для выяснения относительной фитотоксичности используют метод рулонной культуры, выращивая проростки тест-растений на рулоне фильтровальной бумаги из семян, замоченных в растворе в различными концентрациями тяжелых металлов.

Загрязнение почв нефтепродуктами. При контроле загрязнения почв нефтепродуктами решаются обычно три основные задачи:

1) определяются масштабы (площади загрязнения);

2) оценивается степень загрязнения;

3) выявляется наличие токсичных и канцерогенных соединений.

Первые две задачи могут решаться дистанционными методами, к которым относится аэрокосмическое измерение спектральной отражательной способности почв. По измеренным величинам спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) удается обнаружить территории, загрязненные нефтью, а по уровням изменения окраски почв - примерно степень загрязнения.

При мониторинге почв, загрязненных углеводородами, особое внимание уделяется определению полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) люминесцентными и газохроматическими методами.

Загрязнение почв тяжелыми металлами. Любые элементы находятся в почве в форме различных соединений, только часть которых доступна растениям. Но эти соединения могут трансформироваться и переходить из одних форм в другие.

Поэтому для целей мониторинга выбирают в известной мере условно две или три важнейших группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание элементов, лабильные (подвижные) формы их соединений, иногда отдельно определяют обменные формы и водорастворимые соединения.

Наибольшая эффективность показателей почвенного мониторинга будет достигнута при одновременном контроле за совокупностью параметров, которые учитывают мобильные и стабильные свойства почв и различные виды антропогенного воздействия.

Почвенно-экологический мониторинг подразделяют по степени охвата территории на импактный, региональный и глобальный мониторинг. Специальные задачи почвенного мониторинга, выполняемого на разном уровне, различаются. Объединяет их одна общая цель: своевременное обнаружение неблагоприятных изменений свойств почв при различных видах их использования, а также при развитии естественного почвообразовательного процесса.

При импактном и региональном почвенном мониторинге должны быть выполнены следующие виды работ:

1) определение источника загрязнения и идентификация загрязняющих веществ;

2) определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, окружающей источник загрязнения;

3) определение зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

4) определение характера действия загрязняющих веществ на почву; определение зон миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

5) оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

6) оценка эффективности возможных мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

7) оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

При глобальном мониторинге должны проводиться следующие мероприятия:

1) определение потока контролируемых химических элементов на почвы контролируемых фоновых территорий;

2) определение уровней контролируемых показателей состояния почв;

3) определение зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;

4) определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий.

Комплексное почвенное обследование при мониторинге предполагает использование совокупности приемов исследования свойств почвы, направленной на изучение (наблюдение, контроль) почвы как единого целого. Такой подход требует обоснованного выбора методов контроля, а именно:

1) комплекса контролируемых свойств почв различной природы (химические, биологические, физические, морфологические, микробиологические и др.);

2) комплекса свойств почв, различающихся по характеру воздействия на них контролируемых химических веществ (прямые специфические показатели загрязнения, косвенные неспецифические показатели загрязнения, показатели устойчивости почв к загрязнению);

3) комплекса компонентов почв, подлежащих контролю (почвенные горизонты, играющие роль биохимических барьеров, тонкодисперсные фракции почв, поглощающие загрязнители и др.);

4) комплекса уровней наблюдения (почвенный покров, состояние почв, загрязнение почв; импактный, региональный, глобальный).