Почвенный мониторинг: цели и задачи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1. Почвенный мониторинг: цели и задачи

мониторинг экологический почва

Почвенный мониторинг является составной частью экологического мониторинга. Экологическая роль почвы как узла связей биосферы, где наиболее интенсивно идут все процессы обмена веществ между земной корой, гидросферой, атмосферой и обитающими на суше организмами, определяет необходимость специальной организации почвенного мониторинга как неотъемлемой части общего мониторинга окружающей среды.

В последнее время исследователи все чаще обращаются к системному анализу, тем не менее до сих пор ещё в отношении к почве не использованы те наиболее существенные моменты системного подхода, которые позволяют представить ее как целостную, саморегулируемую, самостоятельную функциональную систему открытого характера, где наблюдается исключительно тесная взаимосвязь с условием внешней среды. В методологическом отношении необходимо понятие о почве, как о системе. Только применение системного анализа и представление почвы как саморегулируемой системы является основой как при изучении эволюции почв и механизмов почвообразования так и при прогнозировании антропогенного воздействия на почвенный покров.

Можно вывести две основные цели почвенного мониторинга:

1) своевременное обнаружение неблагоприятных изменений свойств почв и почвенного покрова при различных видах его использования, а также при развитии естественного почвообразовательного процесса;

2) контроль за состоянием почв по сезонам года под сельскохозяйственными культурами для выдачи своевременных рекомендаций по применению регулирующих мероприятий.

Задачи почвенного мониторинга включают в себя:

· контроль за размерами и интенсивностью ежегодных потерь почвы от дождевой и ветровой эрозии;

· выявление регионов с дефицитным балансом главнейших элементов питания растений; обнаружение и оценка скорости потерь гумуса, азота, фосфора и других элементов питания;

· долгосрочный и сезонный (по фазам развития растений) контроль за влажностью, температурой почв и содержанием доступных растениям форм питательных элементов;

· контроль за изменением кислотности и щелочности почв;

· контроль за изменением солевого режима почв;

· контроль за физическим состоянием почв;

· контроль за загрязнением почв ТМ, пестицидами, нефтепродуктами и т.д.;

· экспертная оценка (надзор) за вероятным изменением свойств почв в связи с проектированием гидростроительства, мелиораций;

· инспекторский контроль за правильностью отчуждения пахотопригодных почв для промышленных и коммунальных целей.

Таким образом, целью мониторинга почв и почвенного покрова является определение локальных, региональных и глобальных изменений свойств почв и их пространственного распределения под влиянием как естественных факторов, так и антропогенных воздействий. Последние заслуживают особо пристального внимания.

Прямые и косвенные антропогенные воздействия на почву весьма разнообразны. В самом общем виде они могут быть сгруппированы по характеру воздействия (механические, физические, химические, биологические и др.) и по источникам воздействия (климатические, гидрологические, геологические, техногенные и т.п.).

Почвенный мониторинг реализуется на трех уровнях: мониторинг состояния почвенного покрова, мониторинг состояния почв, мониторинг загрязнения почв. Цели его определены теми коренными изменениями почв, которые возникают при длительном антропогенном воздействии на них: эрозионными процессами, накоплением токсичных элементов, прогрессирующим засолением, дефицитным балансом гумуса и азота, нарастанием кислотности почв.

В полной мере комплексный почвенный мониторинг в настоящее время не проводится. Государственный комитет по метеорологии и контролю за состоянием окружающей среды осуществляет мониторинг температуры и влажности почв для сельского хозяйства. Ведутся наблюдения за состоянием почв, испытывающих локальное и глобальное загрязнение. В основном подобные работы проводят НИИ при отсутствии какого-либо государственного регулирования, утвержденных методик. Налицо полная разобщенность региональных природоохранных научных (АН, ВУЗы) и практических организаций (Гипроземы), отсутствие единой мониторинговой политики, систематизации накопленной информации по отдельным регионам.

В зависимости от целей и задач мониторинга объектами его могут стать или специально выбранные территории, наиболее подверженные опасности глубокого изменения свойств почв под антропогенным воздействием, или вся площадь, занятая в сельскохозяйственном производстве. В качестве обязательных объектов мониторинга должны быть выделены фоновые территории, в число которых, кроме биосферных заповедников, должны быть включены и используемые в хозяйствах земли с минимальным техногенным воздействием. Периодичность наблюдений определяется темпами развития контролируемых процессов (от 1 года до десятков лет) или физиологическими особенностями возделываемых культур.

Деградация почв

Деградацией почв называется постепенное ухудшение качества почвы в результате изменений, разрушающих ее структуру, ведущих к появлению негативных химических свойств и утрате ее плодородия.

Деградация почвы может происходить как в результате стихийных природных явлений (землетрясение, извержение вулкана, ураган), так и в результате нерегулируемой хозяйственной деятельности человека.

Явление деградации можно разделить на семь основных групп, связанных с различными направлениями нарушений почвенного покрова и процессов, происходящих в почвах и экосистемах.

1. Нарушение биоэнергетического режима почв и экосистем:

- девегетация почв;

- дегумификация почв;

- почвоутомление и истощение почв.

2. Патологическое состояние почвенных горизонтов и профиля почв:

- отчуждение и выключение почв из действующих экосистем;

- эрозия и дефляция почв;

- образование бесструктурных кор и переуплотненных горизонтов;

3. Нарушение водного и химического режима почв:

- селевые разливы и оползни;

- вторичное засоление почв;

- природная и вторичная кислотность почв;

- переосушение почв.

4. Затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ:

- затопление пойменных и первых надпойменных террас;

- подъем уровня грунтовых вод и подтопление почв;

- абразия берегов и засоление дельт.

5. Загрязнение и химическое отравление почв

6. Переохлаждение и вторичная мерзлотность почв

7. Разрушение почв военными действиями, атомной радиацией

Нарушение биоэнергетического режима почв

1. Девегетация почв - потеря почвами лесного, кустарникового, травянистого живого растительного покрова - явление, ведущее к постепенному омертвлению почв, к снижению их биопродуктивности и к утрате экологических функций.

Почвы с ослабленным растительным покровом или лишенные его полностью не возобновляют и утрачивают корневую биомассу, запасы ценных минеральных и органических веществ, теряют свои биоэнергетические ресурсы, делаются стерильными, снижают процессы фиксации атмосферного азота, становятся бесструктурными, легко эродируются, особенно на склонах, делаются менее обеспеченными влагой и постепенно снижают свое плодородие.

Для борьбы с этим явлением необходимо обеспечивать: в пастбищном хозяйстве - оптимальную нагрузку поголовья скота, подсевы и подкормки трав; в полеводстве - правильные травопольные севообороты, регулярные органические удобрения, контурную организацию сети дорог и территорий хозяйств, контурную обработку полей с учетом рельефа; в лесном хозяйстве - быстрое возобновление и сохранение лесной растительности.

2. Дегумификация почв - потеря почвами главного носителя плодородия - гумуса. 1 тонна гумуса содержит 4-5 млн. ккал биологически ценной энергии. 1 га черноземных почв в своем гумусовом горизонте мощностью 100-150 см содержит 500-800 т гумуса и удерживает уже сотни миллионов ккал активной энергии. Гумусовая оболочка почв суши всей планеты удерживает n 1019-20 ккал энергии, то есть количество, которое Солнце ежегодно посылает Земле.

Девегетация почв, окисление гумуса и особенно эрозия повсеместно вызвали уменьшение мощности гумусовых горизонтов на 5-10-30 и более см и уменьшили содержание гумуса на 20-35-50%, и этим обусловили снижение плодородия почв и урожаев. На черноземах Русской равнины установлено, что снижение мощности гумусового горизонта на 1 см снижает потенциальный урожай зерновых примерно на 1 ц/га.

Интенсивность потерь углерода гумуса составляет ныне по оценкам 700 106 т/год.

3. Почвоутомление и истощение почв.

Длительное и бессменное возделывание одного и того же вида сельскохозяйственных растений через 4-6 лет приводит к "утомлению" почвы и снижению урожаев, несмотря на вносимые удобрения. Это, в частности, отмечено при монокультуре свеклы, кукурузы, картофеля, пшеницы.

Объясняется это рядом причин. В почвах накапливаются метаболиты и токсины, выделяемые корнями при вегетации растений и при разложении остатков после уборки урожая. Постепенно в пахотном слое начинают господствовать однотипные группы микроорганизмов и вредителей, вызывающие болезни, свойственные данной культуре. Применение высоких доз удобрений и биоцидов еще более усугубляет ситуацию.

Меры борьбы - правильный плодосмен, севооборот.

Патология почвенных горизонтов и профиля почв

Почвенный покров суши в нормальном состоянии представлен многочисленными типами и разновидностями почв, которые имеют и общие черты, отличающие почвы как особые природные образования от горных пород, грунтов и наносов.

Почвы, даже зачаточные, имеют темноокрашенный верхний гумусовый горизонт. Чем плодороднее почва, тем гумусовый горизонт мощнее, до 150 см у черноземов. Гумусовый горизонт рыхло оструктурен и объемный вес его колеблется в пределах 0.8-1.2 г/см3.

Почвенный покров и его гумусовая оболочка являются главным носителем плодородия экосистем суши, обеспечивающим их равновесное состояние и функционирование. Именно этот главный аппарат биосферы разрушается при необдуманной деятельности людей.

1. Отчуждение и выключение почв из действующих экосистем

Примерно 2 млрд.га различных почв в мире выключено из природных экосистем биосферы городами, поселками, дорогами и тропами, портами, складами, линиями передач и связи, трубопроводами, шахтами, карьерами, водохранилищами, каналами, свалками. При этом из биосферы ежегодно утрачивается до 20 млн.га продуктивных почв. Поверхностный гумусовый горизонт этих территорий уничтожен физически или утрамбован в породу, либо закрыт слоем асфальта, лишен жизни и отравлен. Растительность, почвенная фауна, микроорганизмы, вся биоэнергетика и биогеохимия сведены к минимуму.

Нарушение почв при открытых разработках вызвано их разрушением при добыче щебня, разработке карьеров, буровых скважин и другими работами подобного типа, необходимыми при осуществлении различных строек. К самой активной форме разрушения почвы относятся открытые разработки, особенно при добыче каменного угля. По данным на 1985 г. в Советском Союзе насчитывалось более 1 млн. га деградированных подобной деятельностью земель, из которых возвращены в производство около 100 тыс.га. Кроме почв, разрушенных непосредственно открытыми разработками, повреждаются и близлежащие участки площадью в 5-10 раз больше. На таких площадях меняется режим грунтовых вод, природная геохимическая миграция элементов, эрозионные процессы и пр.

Для возвращения таких площадей в сельскохозяйственный и лесохозяйственный обороты проводится рекультивация земель. Под рекультивацией понимают образование из пустой породы почвы с новым профилем, пригодным для использования в сельском и лесном хозяйстве или для различных видов работ. При создании нового почвенного профиля учитываются свойства вынутой пустой породы, поэтому в каждом отдельном случае выемку и укладку ее в отвалы производят в определенной последовательности. Почва, ранее разрушенная открытой разработкой, считается рекультивированной и пригодной для вовлечения в сельскохозяйственный оборот, когда с нее можно получить урожаи, качественно и количественно эквивалентные урожаям, получаемым с нормальных почв этой зоны в нормальных технологических условиях.

Накопление твердых бытовых отходов (ТБО) на заселенных площадях - неизбежный результат современной цивилизации. Это могут быть минеральные отходы или отложения пустой породы вблизи действующих шахт, промышленные, городские (хозяйственные, торговые) и сельские отходы, отбросы и мусор. Накопление ТБО оказывает значительное влияние на окружающую среду. Считается, что каждый житель Земли ежедневно производит в среднем 2-4 кг отходов и мусора, а все население земного шара (1985 год) 8-16 млн.т/сут или около 3-6 млрд.т/год. К 2000 г. ТБО от производства и потребления достигнут 15 млрд.т/год.

Отвалы промотходов занимают большие площади, которые становятся полностью непригодными для использования и размещены нерационально. На этих площадях полностью исчезает растительность и отсутствует возможность ее восстановления.

2. Эрозия и дефляция почв

Эрозия и дефляция существовали и существуют в природе независимо от человека. Эрозией во всем мире охвачено до 70-80% площади сельхозугодий. С 1 га склоновых земель, даже покрытых растительностью, может смываться ежегодно 1-2 т. Но при этом почвы склонов, лишенных древесного и травянистого покрова, утрачивают от эрозии по 10-15 т/га, а в отдельные периоды ливневых дождей 20-30 и до 50 т/га. Овраги и поверхностный смыв разрушают и уносят ежегодно миллиарды тонн почвенного мелкозема. Это приводит к тому, что гумусовый горизонт почвы смывается за 10-15 лет, а на поверхность выходят безгумусовые неплодородные горизонты или горные породы. Одновременно резко возрастает засушливость местности (влага не задерживается), снижается интенсивность круговорота углерода и азота, утрачиваются запасы питательных элементов, снижаются урожаи.

За последнее время появились новые данные о возрасте гумусовых горизонтов почв. Hа основании их обобщения рассчитана средняя скорость образования гумусового горизонта. Для подзолистых почв она составляет 0,1-0,2 мм/год, черноземов выщелоченных, оподзоленных и типичных Русской равнины - 0,4-0,45 мм/год. Дерново-подзолистые, серые лесные занимают промежуточное положение. В связи с этим интересен как с научной, так и с практической (экономической) точек зрения, вопрос о допустимой норме потерь почвы. Верхний ее уровень должен определиться экономическими соображениями, а нижний - интенсивностью почвообразования. Однако, вследствие отсутствия данных соотношения скоростей естественного и антропогенного преобразовательных процессов, сделать окончательные выводы о нижнем пределе допустимого смыва сложно. Hаиболее приемлемыми считаются нормы 0,5-2,0 т/га в зависимости от типа почвы, степени ее смытости и плотности материнской породы. В США "терпимой эрозией" считается смыв 2-12 т/га год, но в действительности смыв достигает 25-50 т/га в год. «Hормальный» смыв почв составляет 0,5 см за 100-200 лет на полях черного пара; без полосно-кулисной организации его полей смыв может достигать 70 см за 100 лет. Hа полях пшеницы за 100 лет смывается около 17 см. Под покровом трав величина смыва снижается до 0,6-4,6 см за 100 лет. Так что можно предположить, что на сегодня уже смыты с больше части полей верхние самые плодородные горизонты почв.

Меры борьбы.

Склоны круче 3-50 по возможности должны быть исключены из пахотного полеводства и отведены под пастбища, защищенные лесонасаждениями в сочетании с организацией территории. Равнинные и полого-склоновые территории земледелия должны быть обеспечены контурной обработкой и распределением полей и дорог, а также защищены системой лесополос с учетом господствующих ветров. Овраги - выполаживание, облесение, садоводство.

Hа равнинных территориях склоны крутизной до 90 используются под посевы обычных полевых культур, на склонах 9-150 размещаются почвозащитные севообороты. Более крутые склоны исключаются из интенсивного земледелия, их используют под посевы многолетних трав на сено и для выпаса.

В структуре посевов холмистых районов должен быть увеличен удельный вес многолетних бобовых до 50% и сокращена площадь, занятая пропашными культурами. Hа длинных склонах, где возрастают масса, скорость и несущая сила воды, рекомендуется полосное земледелие. Здесь применим севооборот с приблизительно равными площадями, занятыми зерновыми, кормовыми культурами и травами. Пропашные культуры чередуют с почвозащитными. Там, где эрозия особенно опасна, используют постоянные полосы из многолетних трав, кустарников и деревьев. Эродированные участки отводят под почвозащитные лугово-пастбищные севообороты, а сильноэродированные - для постоянного залужения или облесения.

3. Образование бесструктурных кор и переуплотненных горизонтов

Нормальные плодородные почвы обладают рыхлой комковато-зернистой структурой и характеризуются удельным весом 1.2-1.3 г/см3. Движение тяжелых машин и обработка полей при высокой влажности за несколько лет уплотняют почву и значительно понижают ее плодородие. Объемный вес при этом увеличивается до 1.5-1.8 г/см3, при пахоте почва не крошатся на структурные агрегаты, а выламывается в виде огромных глыб ("чемоданы"), которые долго сохраняются и крайне осложняют обработку полей.

Необходимо отметить и обычное для большинства старопахотных почв образование подпахотного уплотненного горизонта на глубине 20-40 см. Водное и минеральное питание растений, их аэрация на подобных почвах всегда неблагоприятны.

Меры борьбы (предложите сами) - облегчение веса сельскохозяйственных машин, уменьшение числа обработок, периодическое глубокое (до 40-45 см) безоборотное рыхление уплотненных почв, травосеяние и внесение органических удобрений в севооборотах.

Нарушение водного и химического режима почв

1. Сухость и опустынивание почв

Для создания живой растительной биомассы абсолютная потребность в доступной влаге исключительно велика. Оптимальная влажность почв для большинства растений находится в пределах 60-100% от полевой (наименьшей) влагоемкости. Фактическая влажность почв пустынь и степей обычно ниже оптимума, что снижает продуктивность этих экосистем. До 50% поверхности суши не обеспечены регулярным атмосферным увлажнением, из них треть подверглась опустыниванию в результате ошибочных действий человека, которые выразились в уничтожении лесов и кустарников на топливо, строительство; высокой численности поголовья скота, ведущей к вытаптыванию и переуплотнению почвы, разрушению дернины. Уничтожение пустынной растительности привело к развитию опустынивания, расширению пространства подвижных песков.

2. Селевые разливы и оползни

Нарушение гидрологического режима горных и холмистых ландшафтов, связанное с вырубкой лесов, вызвало катастрофический характер стока ливневых дождевых вод. Почвы оголенных склонов могут полностью исчезнуть за 3-5 лет вплоть до горной породы. Одновременно катастрофический сток талых и ливневых вод, выходя из вмещающих рек, сметает на своем пути мосты, поля, сады, населенные пункты. Эти наводнения, т.н. "сели" покрывают освоенные земли наносами каменистого бесплодного ила и песка. Аналогичные последствия вызываются и оползнями.

3. Вторичное засоление почв

Природная засоленность грунтов, почвообразующих пород и почв характерна для пустынь и пустынных степей. Существующая в мире современная практика орошения часто приводит к перемещению солей из подпочвенных горизонтов к поверхности и образованию вторично засоленных бесплодных почв и солончаков. В почвах при этом накапливаются токсические для растений углекислые, сернокислые и хлористые соли натрия и магния в количестве 2-5%. Происходит все это потому, что воду на поля подают с избытком, а в итоге 50-60% поступающего объема вод фильтруется в грунт, вызывая общий подъем засоленных вод к поверхности. В бывшем СССР из 20 млн.га орошаемых земель засолилось и утратило плодородие около половины.

4. Природная и вторичная кислотность почв

Для большинства сельхозрастений оптимальная реакция почв находится в интервале рН 6.5-8.0. Почвы промывного водного режима (назвать) обладают повышенной кислотностью (рН 5-6, подвижный Al). Общая биопродуктивность почв снижается в увеличением кислотности. Кислотность атмосферных осадков приводит к резкому возрастанию кислотности поверхностного стока и почв.

5. Переосушение почв

Широко распространенная форма деградации почв. Она наблюдается при осуществлении примитивно выполненных проектов строительства сети осушительных каналов, не обеспечивающих оптимальный уровень залегания грунтовых вод, при котором происходит подпочвенное увлажнение растений в засушливые периоды. Большой вред хозяйствам черноземной и нечерноземной зон был нанесен переосушкой малых рек.

Загрязнение как один из видов деградации почв:

Загрязнение почвы по современной экологической концепции означает любое действие, вызывающее нарушение нормального функционирования почвы посредством физического, химического или биологического ее разрушения или снижения плодородия, приводящее к качественому и количественному уменьшению биомассы. Кроме того, загрязнение почвы - это не только проникновение некоторых элементов извне, но и повреждение одного из компонентов почвы, приводящее к снижению плодородия, нарушению нормального ее функционирования.

Таблица 1

Оценка степени загрязнения почв	Показатель снижения качества и количества растительной продукции от получаемой на аналогичных незагрязненных почвах, %
Практически не загрязнена	Менее 5
Слабо загрязнена	6-10
Умеренно загрязнена	11-25
Сильно загрязнена	26-50
Очень сильно загрязнена	51-75
Чрезмерно загрязнена	Более 75

В последние годы из общего ассортимента экотоксикантов выделены самые приоритетные загрязнители почвы и агросферы, так, называемые суперэкотоксиканты. В их числе хлорированные диоксины, дибензофураны, бензантрацены, ниатрозамины и нафтиламины. Известно, что они и некоторые ТМ являются потенциальными мутагенами и канцерогенами. Они индуцируют или ингибируют жизненно важные ферментные системы человека. Суперэкотоксиканты, кроме отмеченных эффектов, обладают еще и сенсибилизирующим действием, и сверхкумуляцией. Согласно А.Д.Кунцевичу, "практически для всех суперэкотоксикантов теряет смысл понятие ПДК". Человек подвергается их действию как в процессе дыхания, так и орально (с продуктами питания и водой, в которые они попадают из почвы и гидросферы). Hаиболее сложные проблемы возникают с так называемыми консервативными загрязнителями. К ним относят все тяжелые токсичные металлы, долгоживущие радионуклиды (Т1/2>12 мес) и высокоперсистентные пестициды (ХОП, хлортриазины, сульфонил мочевины). К неконсервативным загрязнителям относятся короткоживущие радионуклиды и большинство пестицидов. Для них чрезвычайно важны энтальпия и другие факторы деструкции и биотрансформации. Загрязнители, не вошедшие в три указанные группы (например, фториды, нефтепродукты, ПАВ, хлорбифенилы, бензпирен), по своему поведению и трансформации в почве примыкают к одной из отмеченных выше групп.

Состояние почвенного покрова по РТ

Таблица 1

Почвенный покров РТ,	% по типам почв (Газеев, Силкин, 1996)
Черноземы	42.2
Серые, темно-серые лесные	15.1
Коричнево-серые, дерново-карбонатные	10.2
Светло-серые лесные	17.3
Дерново-подзолистые	7.0
Болотные	1.2
Пойменные	4.1
Почвы овражно-балочного комплекса	2.9

С 1990 г. по 1995 г. из сельскохозяйственного оборота выбыло 126,8 тыс.га сельхозугодий, из них 34,8 га пахотных земель. Основные причины: отводы земель с переводом их в другие категории, деградация земель в результате развития эрозионных процессов, подтопления, заболачивания, засоления, нарушения земель при обработке общераспространенных полезных ископаемых (песка, глины), подчас без разрешительных документов, захламление отходами производства и потребления и другие негативные явления, связанные с хозяйственной деятельностью человека.

Развитию эрозии в республике способствует сильная горизонтальная и вертикальная расчлененность рельефа всего Волжско-Камского края, сведение естественной растительности, распашка бывших лесных и степных ценозов. Только за послевоенное время, площадь пашни подверженной эрозии, возросла в 2,5 раза и составляет на сегодня 1 млн.330 га. Еще более 600 тыс.га являются эрозионноопасными. В среднем за год в республике с 1 га пашни смывается от 5-7 до 22 тонн самого плодородного верхнего слоя почвы. Каждый сантиметр смытого гумусового горизонта почвы снимает потенциальные урожаи зерна на полях на 0,5-2,4 ц/га, каждая потерянная тонна гумуса сопровождается уменьшением запасов полезной энергии в почве на 4-5 х 10 56 0 ккал/га. В зависимости от степени смытости потери гумуса в пахотном слое нечерноземных почв региона по сравнению с несмытыми составляют следующие величины: в слабосмытых в 1,2-1,4 раза, среднесмытых - в 1,5-2 раза, сильноcмытых - в 2,5 раза и более. Слабая степень эрозии почв снижает урожаи не менее, чем 15-25%, интенсивная - вдвое и больше, выводя, в конечном счете, почвы из использования в земледелии.

В республике эрозии наиболее подвержено Предкамье, где по правым склонам долин р.Камы, Вятки, местами Казанки доля смытых земель достигает 70-75%. Hа втором месте находится правобережье Волги - смыто 42% пашни.

Для республики настоящим бичем стали и овраги. Суммарная их длина составляет более 15 тыс. км. Овражной эрозии наиболее подвержено Предволжье, где густота оврагов в 1,5 раза выше среднереспубликанской (0.23 км/км2), мало уступает и Предкамье. Здесь большинство оврагов в своем развитии приблизились к максимуму. В последние годы наибольшие скорости прироста отмечаются в Восточном Закамье. В результате эрозии за год с территории республики размывается и перемещается около 2 млн.м3 грунта. В современный период во всех физико-географических зонах интенсивность оврагообразования более, чем в 2 раза выше, чем прежде.

В рамках ведения мониторинга земель, который входит в Единую систему мониторинга окружающей природной среды РТ, предусмотрено постоянное наблюдение за состоянием земельного фонда республики, но из-за отсутствия достаточного финансирования работы, предусмотренные Программой мониторинга, не производятся.

Критическое состояние земельного фонда РТ обусловлено рядом причин, наиболее существенными из которых являются: отсутствие правовых норм регулирования экологически безопасного использования земель различных категорий; разработка и реализация проектов внутрихозяйственного землеустройства без учета требований природоохранительного законодательства; отсутствие системы экологических стимулов рационального использования земельных ресурсов (государственная поддержка мероприятий по улучшению земель, льготное налогообложение, механизм расчета и взыскания экологического ущерба, нанесенного экосистемам в результате хозяйственной и иной деятельности); принятие решений на различных уровнях управления в области земельных отношений без необходимого обоснования и учета природных особенностей территорий; отсутствие систематических наблюдений за состоянием земельного фонда; слабая изученность качественного состояния почв (загрязнение токсикантами промышленного происхождения, содержание в почвах эссенциальных (жизненно важных) элементов); несовершенство учета качества земель, отсутствие информационной базы (банк данных, включая электронные карты).

Решение проблем, связанных с современным состоянием почв республики, должно найти отражение в Комплексной Программе повышения плодородия почв, разработать которую в 1996 г. должны представители министерств, ведомств, научных учреждений, работающих в области охраны окружающей среды.

Лекция № 2

Цели и задачи почвенно-химического мониторинга фоновых территорий

Основная цель почвенного мониторинга фоновых территорий практически повторяет цель мониторинга почв в целом: своевременное обнаружение неблагоприятных изменений почв при развитии естественного процесса почвообразования в результате поступления в почвы глобально рассеянных загрязняющих веществ антропогенного происхождения. В данном случае конкретизируются именно антропогенные изменения свойств почв. Задачи почвенного мониторинга фоновых территорий таковы: 1) определить поток контролируемых химических элементов на почвы; 2) определить уровни контролируемых показателей химического состояния почв фоновых территорий; 3) определить зоны миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических веществ в почвах.

Организация почвенного ФМ представляет собой, по-видимому, задачу более трудную, чем мониторинга водных и воздушных сред, а также локального, импактного мониторинга. Специфические особенности и трудности разработки и проведения почвенных исследований на фоновых территориях связаны со следующими обстоятельствами:

1. Почва - сложный объект исследования, так как представляет собой биокосное тело, которое живет по законам природы и минерального царства.

2. Почва - многофазная гетерогенная полидисперсная термодинамически открытая система. Химические взаимодействия в ней происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов. Постоянное влияние оказывают физические почвенные процессы.

3. Значительная часть опасных загрязняющих почвы химических элементов является естественной составляющей горных пород и почв (например, ТМ). В почвы они поступают из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния антропогенной составляющей.

4. Уровень поступления загрязняющих веществ на почвы фоновых территорий низок по сравнению с запасом этих веществ в верхних горизонтах почв.

5. Поступление химических веществ на почвы фоновых территорий носит постоянный характер.

6. Природное пространственное и временное вариьрование содержания химических веществ в почве велико, что определяет трудность установления превышения исходного уровня содержания химических веществ в почвах.

Понятие фон, фоновый уровень окончательно не определено. Его точное определение необходимо не только для решения задач ФМ, но и для оценки степени техногенного загрязнения почв. ПДК многих элементов еще не установлены. При характеристике загрязнения обычно сопоставляют уровни содержания элементов в загрязненных почвах с естественным фоновым уровнем.

Часто оценку современного состояния компонентов биосферы проводят путем сравнения современных концентраций контролируемых элементов с их природными концентрациями, имевшими место в доиндустриальную эпоху. Для определения их предложен ряд косвенных методов:

а) ретроспективная экстраполяция современных многолетних определений загрязняющих увеществ;

б) поиски соответствующих сведений об окружающей территории по прежним публикациям в научной литературе;

в) определение содержания загрязняющих веществ в захороненных средах;

г) определение содержания элементов в музейных образцах;

д) изотопный характер химических элементов.

Однако ни один из перечисленных методов не может быть признан для почв достаточно эффективным. Например, ретроспективная экстраполяция современных определений невозможна, так как пока нет наблюдений такой продолжительности, которые выявили бы устойчивые тенденции изменений концентраций ЗВ. Сопоставление вновь полученных сведений с публикациями достаточной давности - непростая задача, так как исследователи применяют различные методы, метрологическое сопоставление которых сейчас провести невозможно (примеры).

Таким образом, для характеристики локального и регионального загрязнения почв необходимо сопоставлять содержание ЗВ в почвах изучаемого района с почвами фоновых территорий и оценивать изменение этого содержания в пространстве, а для характеристики глобального загрязнения целесообразны регулярные наблюдения за состояние загрязняющих веществ в почвах фоновых территорий и оценка изменения его во времени.

Фоновый уровень содержания химических элементов в почвах определяют по-разному: 1) за фоновое принимают содержание элементов в пределах почвенного профиля; 2) под фоновым понимают содержание металлов в почвах удаленных от локальных источников загрязнения. Обычно имеется в виду содержание в самом верхнем почвенном горизонте. Иногда за фоновое принимают среднее взвешенное содержание элемента в почвенном профиле.

При использовании первого метода существует опасность сделать неправильные выводы. Различия уровней содержания элементов в пределах почвенного профиля могут быть достаточно велики и не связаны с загрязнением почв. Они могут быть результатом естественных процессов почвообразования, который ведет к формированию профиля, дифференцированных по содержанию контролируемых при мониторинге химических элементов (пример). Различия могут быть обусловлены литологической неоднородностью почвенной толщи (пример).

Последний прием применяется наиболее часто. Возможное изменение фонового содержания элементов является результатом естественных процессов и глобального переноса химических веществ антропогенного происхождения.

Почвенное обследование

Комплексное почвенное обследование предполагает использование совокупности приемов исследования свойств почвы, направленной на изучение (наблюдение, контроль) почвы - объекта почвенного мониторинга как единого целого.

В соответствии с главными источниками загрязнения почв выделяются два основных объекта наблюдений (типа загрязненных территорий).

К первому из них относятся почвы сельскохозяйственных районов. Отбор проб производится два раза в год - весной после таяния снега (до применения пестицидов) и в конце вегетационного периода. Пробы должны отбираться на одних и тех же участках, типичных для данного района по природным условиям и характеру использования. Уровень загрязнения почв определяется по содержанию наиболее устойчивых пестицидов и тяжелых металлов.

Второй объект наблюдений - это почвы вокруг промышленно-энергетических центров. Отбор производится один раз в год весной после таяния снега в точках на почвенно-географических профилях, расположенных по восьми направлениям (азимутам) в радиусе до нескольких десятков километров от источника загрязнения. Пробы почв анализируются на содержание тяжелых металлов, бенз(а)пирена и других ингредиентов.

Одновременно для определения интенсивности поступления тяжелых металлов в почву ежегодно (в конце зимы) проводится отбор проб снега. Соединенный образец снега с площади 1 га составляется из 20-40 точечных проб. Участки наблюдений чаще всего приурочены к местам с максимальным уровнем загрязнения почвенного покрова.

Компоненты почвы, подлежащие контролю при проведении комплексного почвенного обследования - почвенные горизонты, новообразования почвы, отдельные гранулометрические фракции. Вне зависимости от форм поступления загрязняющих веществ, от типа почв, их геоморфологического положения, верхние горизонты в первую очередь принимают выпадающие в результате глобального рассеяния вещества. Гумусовые горизонты выступают как региональные комплексные геохимические барьеры, удерживающие значительную часть загрязняющих веществ в составе органического вещества.

Скорости изменения свойств почв, подлежащие контролю, под влиянием естественных процессов и глобального рассеяния веществ различны. Поэтому и интервал наблюдений за этими свойствами должен быть различным. Наиболее устойчивые из них имеет смысл определять однократно, другие - с разным периодом наблюдений, условно разделив эти свойства на периодически и регулярно контролируемые.

Подготовительная работа к полевым исследованиям

Основные этапы подготовки к полевым исследованиям следующие:

1. Определение задач и целей исследования

Четкая формулировка задач, объема работ и границ территории, которая будет исследована в полевой и камеральный периоды, определение ожидаемых итогов исследований - позволяют правильно спланировать полевые работы, составить реально химико-аналитическую программу лабораторных исследований и распределить время на обработку материалов и составление отчета. При многолетних исследованиях составляется уточняемый в дальнейшем план работы на весь период работ и детально на каждый год.

2. Подготовка к полевому периоду

Необходимо возможно полнее по опубликованным и фондовым материалам собрать сведения о регионе и той территории, на которой предполагаются работы (геология, геоморфология, климат, растительный покров, почвы, гидрология, использование территории). Одновременно с этим обобщаются материалы по аналогичным промышленным предприятиям и их влиянию на окружающую среду. Собирают сведения об источниках загрязнения на территории исследования (расположение, используемое сырье, объем производства, отходы). Разрабатывают предварительную классификацию почв, проводят районирование территории по природным условиям. Проверяют наличие и качество топографического материала и организуют его получение, используют тематические карты (почвенные, геоботанические, геологические, геохимические). Устанавливают связь с учреждениями, которые вели и ведут работы в плане предполагаемых исследований.

Составляют предварительный план полевых и камеральных работ (маршруты при рекогносцировке, посещение учреждений и хозяйств, план доставки образцов на анализ).

Аналитический план составляется с учетом реальных возможностей лабораторных исследований.

Масштаб топографических карт, которые нужно иметь в поле и в камеральный период, зависит от целей исследований, особенностей региона, конкретного объекта, длительности изучения его. Для выявления зон загрязнения в городах удобным масштабом карт является 1:10000 и детальнее. Для пригородной зоны и окружающей ее территории следует использовать крупномасштабные карты 1:25000 и 1:50000. Для уточнения границ фонового содержания ТМ в почвах и в качестве обзорных удобны среднемасштабные 1:100000-1:300000. Они послужат основой схематических карт содержания элементов в почвах региона с охватом территории площадью 1000 км2.

3. Время проведения экспедиционных работ и сбора образцов при изучении загрязнения ТМ не имеет значения, так как в основном при маркировке зоны загрязнения используют измерения валового содержания элементов. При этом подвижность элементов изменяется незначительно. Удобнее, однако, сбор материалов проводить в сухое время года и период уборки урожая основной культуры или кормов, т.е. летом или в начале осени.

Тестовые участки для регулярных наблюдений

Для осуществления работ по почвенному фоновому мониторингу необходимо решить не только вопрос "что изучать", т.е. обоснованно выбрать группу (группы) соединений химических элементов, контроль за содержанием которых строго необходим, но и не менее важно знать "где изучать", как должны выбираться объекты исследования.

Опираясь на характер воздействия на почвы химических веществ, показатели свойств почв можно разделить на три группы:

1) прямые химические показатели загрязненности почв, они характеризуют уровни содержания в почве загрязняющих веществ;

2) показатели изменения свойств почв (прежде всего химических и биологических) под влиянием химического загрязнения;

3) показатели химических, физических, биологических свойств почвы, которые характеризуют способность почв противопостоять изменению их свойств при антропогенном загрязнении (иными словами буферность) и способность почв к самоочищению.

При таком подходе сопряженно изучаются химические, физические и биологические свойства почв. Названные показатели не являются независимыми. Между свойствами почв, которые описываются этими показателями, существует естественная взаимосвязь. Это открывает возможность выбора ограниченного числа необходимых и достаточных показателей из обширного перечня - интегральных показателей состояния почв.

Фоновый почвенный мониторинг имеет специфические особенности, отличающие его от локального мониторинга (ЛМ). При ЛМ почвы, наиболее подверженные загрязнению, выделяются прежде всего в зависимости от удаленности их от источника загрязнения и от направления преобладающих ветров, т.е. от непочвенных факторов.

Участки наблюдений выбирают в зависимости от этих условий. Для оценки глобального загрязнения основными факторами, определяющими выбор тестовых участков, являются физические и химические свойства почв и их геоморфологическое положения. Тестовыми должны служить почвы, в которых значимое увеличение содержания загрязняющих веществ будет установлено раньше, чем на других почвах обследуемой территории, при равном поступлении этих веществ извне.

Тестовые участки на фоновых территориях выбирают в две стадии. На первой местоположение тестовых участков определяют в зависимости от ландшафтных особенностей района. Вычленяют зоны выноса и зоны аккумуляции (элювиальный, аккумулятивный типы элементы ландшафта). Загрязняющие вещества в растворенном виде и в составе малорастворимых соединений (взвесей и пр.) мигрируют в ландшафте и накапливаются в зонах аккумуляции, поэтому наблюдать достоверные изменения их содержания (состояния), а также изменения физико-химических свойств почв, их биологической активности, на ранних стадиях можно лишь в зонах аккумуляции.

Первый этап по выделению тестовых участков совпадает с рекогносцировочным (базовым) обследованием территории, при котором определяется региональный фон загрязняющих веществ, закономерности изменения их содержания в зависимости от типа почвообразующих пород, рельефа, растительности, типа почвообразования. На данной стадии могут быть выявлены местные геохимические аномалии. Такие территории следует исключить из дальнейшей работы по выделению тестовых участков.

На втором этапе исследований детально изучаются почвы выделенных зон для точного определения расположения выделенных участков.

Содержание загрязняющих веществ в почвах - широко варьирующий показатель: чем уже интервал возможных значений признака, т.е. чем ниже варьирование этого показателя, тем быстрее будет достигнуто значимое превышение исходного содержания элемента и его подвижных соединений в почве. Итак, один из критериев выбора тестовых участков в пределах уже выделенных зон - величина варьирования содержания загрязняющих веществ.

Свойства почв тестовых участков должны быть чувствительными, податливыми к изменению, т.е. такими, чтобы последствия, связанные с загрязнением почв, проявились в первую очередь на них. Для почв элювиальных участков (контрольных) свойства должны быть стабильными. Стабильность и чувствительность характеризуются таким интегральным показателем как потенциальная буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам. ПБС характеризует способность почв поддерживать на данном уровне концентрацию данного элемента. Почвы с низкой ПБС наиболее чувствительны к загрязнению соответствующими контролируемыми элементами и именно они должны быть выбраны почвами основных тестовых участков.

Отбор проб почв

Необходимо корректировать - для фонового и импактного мониторинга

В основе полевых исследований по картографированию уровней загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами лежат три основных параметра:

1. Величина (площадь) элементарного участка, с которого отбирают смешанный образец, отражающий уровень (класс) загрязненности почвы.

2. Количество почвенных проб, необходимое для составления репрезентативного (представительного) смешанного образца.

3. Ключевой участок - наименьшая геоморфологическая единица ландшафта, отражающая генезис и свойства почвы, почвообразующей породы, рельеф, растительность, гидрологию территории.

Особое внимание уделяется выделам сельскохозяйственных угодий (пашня, луг, пастбище), лесам и кустарникам, различно аккумулирующим техногенные выбросы. В пределах ключевого участка выделяют один или несколько элементарных участков. Размер элементарного участка зависит от расстояния от источника загрязнения: чем дальше от него, тем больше площадь участка.

Смешанный образец составляют с пробной площадки в пределах элементарного участка. Размеры пробной площадки при однородном почвенном покрове колеблются от 1 до 5 га, а при неоднородном от 0,5 до 1 га. С каждой площадки отбирается не менее одной объединенной пробы. Количество почвенных проб для составления смешанного образца зависит от варьирования содержания ТМ в составе выпадений и находится в пределах 20-60 точечных проб. Глубина взятия почвенных проб на пашне в среднем равна 0-20 (25 см), на лугах и пастбищах - 0-5 см и 5-20 (25) см. Образцы отбирают буром или лопатой.

При необходимости отбираются точечные пробы по генетическим горизонтам на всю глубину почвенного профиля. Необходимо также при отборе проб в равной мере захватить рядки и междурядья. В садах пробы отбираются примерно в метре от ствола дерева.

Объединенная проба почвы, взятая с пробной площадки, ссыпается на "крафт" бумагу или полиэтиленовую пленку, тщательно перемешивается, измельчается вручную и разравнивается на бумаге в виде квадрата, делится на четыре части. Две противоположные части отбрасываются, две оставшиеся перемешиваются и разравниваются на бумаге, условно делятся на 6 квадратов, из центра которых берется одинаковое количество почвы. Масса пробы должна быть около 1 кг. Описание проб заносится в полевой журнал; образцы помещают в полиэтиленовые или холщовые мешочки, составляют этикетку на каждую пробу и отправляют в лабораторию.

Наиболее удобное время взятия образцов - весна, до начала сева или осень - после уборки урожая.

Важным условием получения достоверного аналитического материала о степени загрязнения почвенного покрова является строгое соблюдение условий, исключающих возможное загрязнение почвенных проб металлами в процессе взятия проб, высушивания образцов, транспортировки, хранения и подготовки их к анализу. Желательно исключить из употребления лопаты, ножи, буры, изготовленные из высококачественной стали, а также ржавые инструменты.

Показатели состояния почв

Почву характеризует множество показателей ее состояния, перечень которых необходимо определить и обосновать. Наибольшей информативности можно ожидать от использования относительных показателей, а не абсолютных. В связи с этим среди выбранных должны быть показатели двух видов. Во-первых, показатели наименее устойчивых свойств почв, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию. Во-вторых, нужны показатели наиболее стабильных свойств, так как они характеризуют внутренние свойства системы или объекта, находящиеся в состоянии динамического равновесия с окружающей средой.

Среди показателей должны быть такие, которые отражают специфическую реакцию на воздействие загрязнения, поскольку загрязняющие вещества имеют различную природу и последствия их избыточного поступления в почву и в растения специфичны. Должны контролироваться показатели и неспецифической природы, интегральные свойства анализируемой системы, так как они взаимосвязаны и отражают общее состояние почвы.

Значениям показателей, характеризующих свойства почвы, свойственны достаточно высокие уровни варьирования, что также необходимо учитывать при анализе данных и принятии решений. Наконец, необходимо четко определять пространственно-временные границы анализируемой системы.

Контролируемый показатель загрязнения почв должен соответствовать следующим требованиям:

1. Необходима схема поведения загрязняющих веществ и участия их в почвенно-химических процессах, основанная на аналитических и термодинамических методах изучения природы вещества.

2. Показатель должен быть интегральной характеристикой состояния контролируемого химического элемента и физико-химического состояния почв.

3. Показатель должен в достаточной мере чувствительным, чтобы можно было ожидать повышения уровня при увеличении содержания элемента в выпадениях.

4. Показатель должен быть в достаточной мере устойчивым для точки опробывания и умеренно варьировать в пространстве и времени, в противном случае интервал возможных значений его будет так велик, что, во-первых, объект исследования утратит свою индивидуальность, во-вторых, создаст угрозу ошибочно загрязненные почвы с относительно высоким уровнем показателя отнести к незагрязненным.

5. Скорости перехода соединений элемента, которые характеризуют этот показатель, в состав менее подвижных, а следовательно, менее опасных, должны быть таковы, чтобы можно было ожидать отрицательного действия этих соединений на растения прежде, чем они перейдут в состав устойчивых и недоступных растениям соединений.

6. Должны существовать стандартные надежные методы определения показателя, обеспечивающие правильность и требуемую воспроизводимость результатов.

Различают следующие группы показателей:

Показатели химического состояния почв включают: емкость поглощения, состав обменных катионов, степень засоления, валовые содержания элементов, активность ионов в жидкой фазе почвы, содержание органического вещества, групповой и фракционный состав гумуса, отношение Сгк:Сфк, отношение С:N, окислительно-восстановительный потенциал.

Показатели физического состояния почв включают: водопроницаемость, влажность, предельная полевая влагоемкость, полевая влагоемкость, влажность завядания, гранулометрический состав, агрегатный состав, водопрочность агрегатов, плотность почвы, плотность твердой фазы почвы, пористость агрегатов, набухание, температура, электропроводность, намагниченность;

Показатели биологического состояния почв: дыхание почвы, скорость разложения целлюлозы, ферментативная активность, численность и видовое разнообразие микроорганизмов, гено- и фитотоксичность почвы.

Санитарно-бактериологические показатели состояния почв: содержание патогенных бактерий и вирусов, санитарно-энтомологические, санитарно-гельминтологические и комплексные показатели.

Показатели эрозионного воздействия на почвы: мощность гумусового горизонта, наличие погребенных горизонтов.

Каждое из указанных свойств является важной характеристикой почвы и необходимо для полноты знаний о ней. Рассмотрим более подробно эти показатели.

Показатели химического состояния почв

Содержание легкорастворимых солей. Состояние почвенной биоты во многом определяется динамикой химического состава почвенного раствора. Биоценоз, сформированный в конкретных природных условиях, чутко реагирует на изменение среды обитания. Следует помнить, что антропогенная деятельность, направленная на улучшение агрохимических и агрофизических свойств почв, не всегда благоприятна для природных экосистем. Процессы вторичного засоления и расоления почв, которые наблюдаются при проведении мелиоративных мероприятий, изменяя химический состав и минерализацию почвенного раствора, приводят к серьезным нарушениям функционирования природных экосистем.

Показателем, отражающим эти изменения, может служить содержание легкорастворимых солей в почве, определяемое по количеству плотного остатка солей в водной вытяжке или по изменению электрохимических свойств почв.