|
|
ОглавлениеI. Законы экологии и земледелия, определяющие генезис, эволюцию, плодородие и деградацию почв II. Зоны экологического неблагополучия на территории России III. Свойства, процессы и режимы почв как показатели, определяющие их плодородие и деградацию IV. Почвообразовательные процессы и их влияние на плодородие и деградацию почв V. Влияние антропогенного воздействия на деградацию почв VI. Влияние сельхозиспользования на плодородие и деградацию почв VIII. Геохимические барьеры и их роль в оптимизации обстановки при деградации почв Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуV. Влияние антропогенного воздействия на деградацию почвV.1. Загрязнение почв тяжелыми металлами и охрана почвАгрономическая, экологическая и экономическая значимость проблемыЗагрязнение почв тяжелыми металлами приводит к изменению скорости и интенсивности протекания почвообразовательных процессов, к уменьшению плодородия почв, к загрязнению сельхозпродукции, водной и воздушной среды. Агрономическая значимость проблемы обусловлена падением урожайности сельхозкультур, загрязнением сельхозпродукции, ухудшением ее вкусовых и технологических качеств, деградацией почв. Экологическая значимость проблемы обусловлена загрязнением продуктов питания, поверхностных вод, воздушной среды, уменьшением выделения в воздух кислорода, деградацией почв, опустыниванием, изменением интенсивности и скорости почвообразовательных процессов. Экономическая значимость проблемы обусловлена значительными затратами на оптимизацию состояния почв, водной и воздушной среды, уменьшением эффективности затрат на повышение плодородия почв и урожая сельхозкультур, дополнительными затратами на лечение населения и т. д. Рассматриваемые вопросы1. Причины загрязнения почв тяжелыми металлами. 2. ПДК и сводный показатель загрязнения. 3. Особенности взаимодействия тяжелых металлов с разными типами почв. 4. Агроэкологическая и экономическая оценка загрязнения почв тяжелыми металлами. 5. Пути оптимизации обстановки при загрязнении почв тяжелыми металлами. Причины загрязнения почв тяжелыми металламиЗагрязнение почв тяжелыми металлами представляет большую народнохозяйственную и экологическую проблему. Тяжелые металлы из почв мигрируют в грунтовые воды и водоемы, а затем потребляются человеком с питьевой водой. Они поступают в растения и в дальнейшем попадают в продукты питания растительного и животного происхождения. Частично тяжелые металлы попадают из почв с испарением и из растений с транспирацией в воздушную среду, а затем через органы дыхания в организм человека. Небезопасны для биоты и человека и физические поля, трансформированные и отраженные скоплениями тяжелых металлов. Под действием тяжелых металлов происходит угнетение практически всего растительного и почвенного мира суши и водоемов. При этом часть изменений накапливается и действует на биоту на генетическом уровне. Считается, что образ жизни определяет 49–53% здоровья и продолжительности жизни, генетические факторы — 18–22%; загрязнение — 17–20%; медицинские факторы — 17–20%. При этом, к сожалению, уровень загрязнения почв тяжелыми металлами все время возрастает. Считается, что каждый житель Земли ежедневно производит в среднем 2–4 кг отходов и мусора. И эта антропогенная нагрузка будет возрастать, что видно на примере высокоразвитых стран. Для примера, в 1972 г. только 6% населения земного шара в США производили 70% твердых отходов и остатков (Commoner). Большие уровни поступления в почву токсикантов отмечаются и для отдельных районов России. Так, в Тульской области ежегодный выброс вредных веществ в атмосферу составлял в 1991 г. 600 тысяч тонн, в реки — 419 млн м2 (Дмитриев А. В., Сычев А. И.). Значительное количество тяжелых металлов поступает в почву и при их сельскохозяйственном использовании. По оценке ЦИНАО, к 1990 году с фосфорными удобрениями в целом в СССР внесено в почву 16633 т свинца, 3200 т кадмия, 533 т ртути. Уровень воздействия тяжелых металлов на агроэкосистемы иллюстрируется следующими примерами. Учватовым В. П. отмечается, что в агроэкосистемах южного Подмосковья суммарная полиметаллическая нагрузка составляет (мг / м²): 441–1162 — железа, 40–83 — марганца, 44–95 — цинка, 4,1–9,6 — никеля, 4,9–1,3 — свинца, 0,15–1,2 — кадмия. В Тульской области ежегодно на 1 м2 поверхности с жидкими атмосферными осадками и пылью поступает: в заказнике «Тульские засеки» (мг) — 400–540 Fe; 36–137 Mn; 56–69 Zn; 4–7,5Ni; 1,7–3,5Pb; 0,12–0,15 Cd; в агроэкосистемах соответственно 185–620; 12–30; 21–47; 1,8–5; 4,3–11 и 0,1–1,0 мг. Вблизи источника загрязнения накопление свинца в почве достигает 545 мг / кг; цинка — 158 мг/кг; меди –118 мг/кг, а на расстоянии 10 км соответственно 50; 3; 9 мг/кг (Рэуце К.). По данным автора, вдоль дорог содержание свинца может достигать 300 мг/кг. Загрязнение почв по своим последствиям существенно отличается от загрязнения вод и воздуха. 1. В почвах равновесие, нарушенное при загрязнении, восстанавливается значительно медленнее, чем в водной и воздушной среде. 2. При загрязнении почв (деградации почв), как правило, нарушаются их функции и чаще несколько функций. Опасность, вызываемая загрязнением почв тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почв. Так, период полуудаления в условиях почвенных лизиметров варьирует в зависимости от вида металла: для цинка — 70–510 лет, кадмия — 13–1100 лет, меди — 310–1500, свинца 740–5900 лет (Агроэкология. М.: Колос, 2000). В 1996 г. в Российской Федерации более 1 млн га почв сельскохозяйственных угодий было загрязнено особо токсичными (1 класс опасности) и около 2–3 млн га токсичными (2 класс опасности) элементами. По данным ЦИНАО (Кузнецов А. В.), интенсивность загрязнения пахотных почв России тяжелыми металлами и фтором можно расположить в следующий ряд: Cu > Ni > Co > Pb > Cd > F > Zn > As. Факторы деградации и уровни воздействияПоступление тяжелых металлов в почву обусловлено выбросами промышленных предприятий, тепловых электростанций, миграцией из свалок и открытых карьеров, от автотранспорта и при внесении удобрений, мелиорантов, ядохимикатов и сточных вод на поля сельскохозяйственных угодий. Поступление в почву происходит также в результате аэрального поступления в виде водных мигрантов из сопредельных территорий и частично из недр Земли на участках геопатогенных зон. Ниже приведены главные миграционные потоки тяжелых металлов. Таблица 33 Главные миграционные потоки тяжелых металлов (по Водяницкому Ю. Н. и Добровольскому В. В.)
Содержание тяжелых металлов в почвах пахотных территорий чаще меньше, чем в городах и других населенных пунктах. Самые низкие уровни параметра суммарного химического загрязнения (Zс) для тяжелых металлов установлены на участках природных ландшафтов (Zс = 4), в сельских населенных пунктах (Zс = 6,2), в городах — 11,2. Наблюдается наибольший рост содержания меди и олова, далее следует свинец, цинк, марганец (Куренко Е. Я. и др.). Значительное количество тяжелых металлов (Cd, Cu, Zn, Pb) поступает от автотранспорта. С дождями поступают преимущественно водорастворимые формы тяжелых металлов, в твердых аэрозолях они находятся в форме различных химических соединений (сульфаты Pb, Zn, оксиды Pb, Zn, Cd, сульфиды Pb, Zn, Cu, Fe). На почвы сельскохозяйственных угодий значительное количество тяжелых металлов поступает с мелиорантами, удобрениями и ядохимикатами. Наибольшим количеством тяжелых металлов отличаются фосфорные удобрения, особенно по содержанию стронция. Фосфоритная мука содержит до 137 мг/кг меди, до 120 мг/кг цинка, до 180 мг / кг хрома и до 62 мг/кг — никеля. Двойной суперфосфат содержит 38 мг / кг цинка, 14 — меди, 39 — свинца, 3,7 — кадмия и 29,1 – никеля. Большое количество металлов содержат известь-содержащие отходы промышленности, используемые как мелиоранты. Феррохромовые шлаки содержат до 1,5–2,5% хрома, каменноугольная зола — до 1200 мг/кг марганца и до 2% стронция (Шильников И. А.). Минимальное количество тяжелых металлов содержат азотные и калийные удобрения. Однако калийные удобрения могут содержать до 3,96 мг/кг кадмия. Пример загрязнения почв тяжелыми металлами за счет внесения удобрений приведен Четвериковой Н. С. (2013). В 2006–2010 гг. средняя доза внесения органических удобрений составила 2,2 т/га, и с ней вносилось в почву: кадмия 0,24; свинца — 5,1; ртути — 0,015; мышьяка — 0,57 (г/га). Доза минеральных удобрений составляла N70Р16К16, что соответствует внесению 100 кг/га азофоски и 160 кг/га аммиачной селитры. С минеральными удобрениями в почву поступало в среднем кадмия — 0,016; свинца — 0,05, ртути — 0,0036, мышьяка — 0,15 (г/га). В сумме с органическими и минеральными удобрениями поступало в почву: кадмия — 0,26; свинца — 5,15; ртути — 0,019; мышьяка — 0,72 (г/га). Потери в результате смыва составляли в среднем: кадмия — 0,36, свинца — 12,1, ртути — 0,03, мышьяка — 4,1 (г/га), что существенно превышало размеры поступления ТМ и мышьяка с удобрениями. Изменение свойств, процессов и режимов почв при загрязнении их тяжелыми металламиНакопление тяжелых металлов уменьшает биопродуктивность угодий и одновременно ингибирует ферментативную и микробиологическую активность, что ведет к уменьшению накопления гумуса, уменьшению комплексообразующей и структурообразующей способности, биологической активности почвенного раствора. Это уменьшает устойчивость почв к переуплотнению, развитию оглеения ив конечном итоге ограничивает и устойчивость почв к загрязнению. Накопление в почве тяжелых металлов ведет к увеличению их подвижности, к проникновению в более глубокие слои почвенного профиля, к загрязнению растительности, к угнетению биоты, к увеличению содержания тяжелых металлов в грунтовых водах. При этом различные почвы имеют неодинаковый характер трансформации в них тяжелых металлов и характеристическую буферность. Тяжелые металлы в почвах могут находиться в твердой, жидкой и газообразной фазах, а также связаны с растениями, микроорганизмами, насекомыми, другими группами живых организмов. При этом они могут быть в виде ионов, комплексов и ассоциатов, как в жидкой, так и в твердой фазе. Возможно поглощение твердой фазой почвы ионов, комплексов и ассоциатов по типу осадкообразования, комплексообразования, ионного обмена; за счет физической сорбции при достаточно большой молекулярной массе комплексов и малой плотности их заряда. При высокой концентрации тяжелых металлов в растворе и достаточной для образования осадков концентрации анионов происходит осадкообразование. Ионообменное поглощение тяжелых металлов наблюдается при невозможности осадкообразования, в связи с малой концентрацией тяжелого металла, недостаточной концентрацией аниона, образующего осадок, при образовании более прочных соединений в результате ионного обмена, при невозможности образования осадков, в связи с условиями рН и Eh, концентрацией других ионов, в связи с медленной скоростью процесса осадкообразования. Растворимость в почве соединений тяжелых металлов определяется эффективными произведениями растворимости их осадков, эффективными константами нестойкости имеющихся в почве комплексов и константами ионного обмена в системе «почва — раствор». Пример зависимости растворимости осадков от рН приведен на рис. 6. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Рис. 6. Диаграммы растворимости соединений свинца [2] Градации степени загрязнения почв и других компонентов экологической системы тяжелыми металламиОценка уровня загрязнения почв Уровень загрязнения является относительной величиной. Критические концентрации — это, по существу, интервалы концентраций, что связано с видовой и индивидуальной чувствительностью организмов к химическим элементам, состоянием регуляторных функций и адаптаций, с биологическими ритмами, с различным состоянием организма, с изменением внешней среды в пределах региона. Предельно допустимые концентрации тяжелых металлов для системы «почва — растение» зависят от следующих факторов: 1) токсичности для исследуемого объекта; 2) продолжительности сохранения биологической активности в почве; 3) продолжительности сохранения активности в растениях; 4) миграции за пределы рассматриваемого компонента экосистемы; 5) от факторов, определяющих активность токсиканта в почвах; 6) от факторов, определяющих активность токсикантов в растениях; 7) от фаз развития почв и растений, их состояния, достигнутой степени деградации. Предельно допустимый уровень состояния почв — это тот уровень, при котором начинают изменяться количество и качество вновь создаваемого живого вещества, т.е. биологической продукции. Для обоснования предельно допустимого уровня состояния почв предложены показатели, которые определяются экспериментально. Для минимально низкой концентрации тяжелого металла определяется критический (самый чувствительный) показатель, характеризующий ущерб или экономические последствия, и по этому показателю устанавливается критический уровень концентрации элемента (Орлов Д. С., Безуглова О. С.). При оценке степени загрязнения почв учитывают превышение содержания элемента в почве по сравнению с фоном (кларком) и средним содержанием в земной коре. Однако природное пространственное варьирование содержания химических элементов очень велико и зависит от конкретной почвенно-экологической ситуации (Прохоров А. Н., Черноза О. В.). Нередко фоновое содержание отдельных элементов в почвах выше принятого уровня ПДК. По ряду элементов существует несогласованность между фоновым содержанием в почвах и уровнем ПДК. Так, для хрома среднее фоновое содержание в почве установлено 100 мг/кг, ПДК — 50 мг/кг. При колебании фонового содержания свинца от 2 до 200 мг/кг ПДК составляет 30 мг/кг. Для почв с многообразием физико-химических свойств установить единое значение ПДК невозможно (Орлов Д. С., Безуглова О. С.). В связи с этим, по данным Мотузовой Г. В., при выработке экологических нормативов микроэлементного состава почв следует опираться на природные инварианты содержания микроэлементов в почвах. За уровень предельно допустимой концентрации микроэлементов в почвах следует принять превышение среднего регионального фонового содержания на три средних квадратичных отклонения, при уровне вероятности Р = 0,99. Аналогичной точки зрения придерживаются в последнее время и другие авторы. Как указывают Прохоров А. П. и Черникова О. В., унифицированные средние и допустимые значения концентраций (содержания) загрязняющих веществ в почвах даже одной классификационной принадлежности не могут быть установлены. Это определяется тем, что природное пространственное и временное варьирование содержания химических элементов очень велико и зависит от конкретной почвенно-экологической ситуации (погодно-климатических условий, положения в ландшафте, вида растительности, состава почвообразующих пород, на пахотных землях от вида и сорта культур, системы агротехники и удобрений). Авторы предлагают создание системы региональных и почвенных эталонов. Эталоны должны выбираться из целинных или минимально антропогенно преобразованных почв типичных ландшафтов; с нашей точки зрения, для всех почв и ландшафтов, резко различающихся по своей экологической функции. Как отмечают Матвеев Ю. М. и Прохоров А. Н., экологическое нормирование более правильно проводить на основе природно-географического критерия «фоновое содержание». При этом под фоновым содержанием химических соединений и элементов понимается их содержание в почвах, соответствующее сочетанию естественных факторов почвообразования на территориях, не испытывающих заметного антропогенного воздействия. Фоновое содержание будет отличаться как для отдельных почв и элементов рельефа, так и для определенных регионов с характеристическими параметрами гидротермического режима. Под фоновым содержанием химических элементов в методических рекомендациях 1994 и 1996 гг. понимается содержание, соответствующее их естественным концентрациям в почвах различных климатических зон. Более правильно оно определяется дополнительно для конкретных типов почв, элементов рельефа, гранулометрического состава, минералогического состава. Оценка предельно допустимых концентраций по содержанию валовых и подвижных форм соединений элементов Предельно допустимый уровень, или предельно допустимая концентрация, — это максимальное значение фактора, которое, воздействуя на человека (изолированно или в сочетании с другими факторами), не вызывает у него и его потомства биологических изменений, даже скрытых и временно компенсируемых, в том числе заболеваний, изменений реактивности, адаптационно-компенсаторных возможностей, иммунологических реакций, нарушений физиологических циклов, а также психологических нарушений. Уровень загрязнения определяется в основном по валовому содержанию элементов. В то же время одно и то же валовое содержание элемента в одних случаях будет токсичным, а в других нетоксичным. Это зависит от подвижности токсиканта в конкретных условиях среды. Различают 4 разновидности ПДКп, в зависимости от пути миграции химических веществ в сопредельные среды: ТВ — транслокационный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы через корневую систему растений в зеленую массу и плоды; МА — миграционный воздушный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы в атмосферу; МВ — миграционный водный показатель, характеризующий переход химического вещества из почвы в подземные грунтовые воды и водные источники; ОС — общесанитарный показатель, характеризующий влияние химического вещества на самоочищающую способность почвы и микробиоценоз. Использование для оценки загрязнения почв тяжелыми металлами суммарного показателя загрязнения Оценку экологической опасности, возникающей вследствие устойчивых техногенных нагрузок, проводят двумя способами. 1. С помощью педогеохимической индикации степени загрязнения почв тяжелыми металлами (Глазовская М. А.). При этом рассчитывают коэффициенты концентрации К(к) загрязнителей по формуле: К(к) = Сi / Cф, где Сi — концентрация химического элемента в загрязненной пробе, мг/кг; Сф — фоновое содержание этого элемента, мг/кг. Чаще Сi и Сф берут для валового содержания элементов. Для загрязняющих веществ неприродного происхождения коэффициент концентрации определяют как частное от деления массовой доли загрязняющего вещества и его предельно допустимой концентрации. Коэффициент К(к) отражает интенсивность загрязнения. При КК < 2 уровень загрязнения минимальный , при К(к) = 2–4 — слабый, 4–8 — средний, 8–16 — сильный, 16–32 — очень сильный, > 32 — максимальный. 2. Для оценки полиэлементных аномалий в ландшафтах используют суммарный показатель загрязнения (Z): = S = K(к) – (n – 1), где К(к) — коэффициенты концентрации ТМ > 1; n — число химических элементов с К(к) > 1. Параметр суммарной концентрации Zc отражает совокупную техногенную нагрузку на конкретный ландшафт, обусловленную влиянием всех элементов с аномально высокими концентрациями. Для них Zc > 100–120. Уровни загрязнений почв по величинам суммарного показателя концентраций соответствует таким градациям: Zc < 8 — уровень минимальный, 8–16 — слабый, 16–32 — средний, 32–64 — сильный, 64–128 — очень сильный, больше 128 — максимальный. Ниже приведена шкала опасности загрязнения почв по показателю Zc. Таблица 34 Ориентировочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю загрязнения (Zc)
Группировка почв по степени загрязнения тяжелыми металлами приведена в следующей таблице. Таблица 35 Ориентировочно-допустимые концентрации валового содержания тяжелых металлов и мышьяка в почвах (1995)
Внимание! Авторские права на книгу "Охрана почв. Учебник" (Савич В.И., Седых В.А., Гераськин М.М.) охраняются законодательством! |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
