ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ

Почва – биоминеральная (биокосная) динамическая система, находящаяся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой, частично вовлеченная в биологический цикл круговорота веществ.

Говоря об оценке экологического состояния почвы, удобнее ее рассматривать как компонент природно-антропогенного комплекса, включающего также воздушную среду, водные объекты, биоту и техногенную среду.

Почва, как и другие компоненты этого комплекса, испытывает не только антропогенную нагрузку, но и воздействие экологических факторов, в первую очередь климатических.

Оценка экологического состояния почвы, в отличие от подобной оценки состояния воздушной и водной сред, представляет собой более трудную задачу. Во-первых, почва – сложный объект исследования. Во-вторых, почва – многофазная открытая система, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов. Постоянное влияние физические почвенные процессы (перенос влаги, испарение и т.д.). В-третьих, опасные загрязняющие почвы химические элементы – токсиканты (Hg, Cd, As, Se и др.) являются природными составляющими горных пород и почв, поступая из естественных и антропогенных источников, а задача мониторинга требует оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей.

Перечень контролируемых показателей состояния почв может быть различным в зависимости от уровня проводимых работ.

В первую очередь, объектом изучения должны быть те показатели, которые являются приоритетными для данной местности, а также те, по которым в данной местности наблюдается (или предполагается) неблагополучие:

1) показателем загрязнения почвы служит уровень накопления того или иного токсичного вещества по отношению к его ПДК;

2) состав гумуса, поскольку это показатель, отражающий напряженность биологического круговорота и баланса элементов в условиях земледелия;

3) кислотность почв с оценкой вклада в нее подвижного алюминия, что позволяет оценивать, например, влияние кислых осадков, обнаруживать всплески щелочности, солонцеобразование, последствия применения минеральных удобрений и др.;

4) минерализация почвенного раствора, то есть состав и концентрации растворимых солей в почвенном растворе, по которым можно судить об опасности вторичного засоления почвы.

Помимо указанных, при оценке состояния почвы могут быть использованы и другие показатели.

Антропогенное воздействие на почвы носит прямой и косвенный характер и, как правило, приводит к нарушениям почвы, то есть к изменению состава и свойств почвы как динамической системы, выражающемся в нарушении равновесных экологических процессов.

Основные типы нарушений:

полное уничтожение почвы;

перекрытие почвенного профиля различными материалами;

эрозия почв;

механические нарушения;

загрязнения почв.

Загрязнение почв – это накопление и распространение в них веществ, не связанных с почвообразованием, относящихся к естественным компонентам (соли, закисляющие вещества, нефть и нефтепродукты, некоторые минеральные удобрения и др.), так и загрязнителей – токсикантов (тяжелые металлы, хлорорганические пестициды, радионуклиды и др.).

В результате загрязнения почв снижается плодородность почвы, а она сама может стать губительной средой для существующих в ней организмов.

1. Загрязнение почв тяжелыми металлами

Основной источник загрязнения – сжигание компонентов топлива. Ежегодно сгорает 5 миллиардов тонн горючих ископаемых. В золе и нефти содержатся практически все металлы в суммарной концентрации до 500 г на тонну топлива. Вместе с золой в почву поступают миллионы тонн тяжелых металлов.

Другими источниками являются выхлопные газы автомобилей (приблизительно 250 тыс. тонн свинца в год), ремонтные предприятия железных дорог - в виде пыли. Тормозные колодки поездов, истираясь, вносят в почвы приблизительно 200 тыс. тонн металлов в год.

Самоочищение почвы от тяжелых металлов происходит крайне медленно. Поведение тяжелых металлов в почве зависит от ее окислительно-восстановительных условий и кислотности. В кислой среде большинство металлов более подвижно.

Наиболее неблагополучны в этой связи подзолистые и дерново-подзолистые почвы, имеющие неблагоприятные физические и химические свойства из-за повышенной кислотности.

В песчаных, хорошо промывающихся почвах, тяжелые металлы мигрируют в грунтовые воды и быстро разносятся ими. При этом глинистые компоненты адсорбируют их, а гуминовые кислоты образуют с этими элементами растворимые комплексные соединения, легкоусваиваемые растениями.

По степени дисперсности тяжелые металлы в почвах находятся в трех формах: истинно растворимой, коллоидной и в виде взвесей.

Hg, Pb, Cd и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) гумусового горизонта различных типов почв суглинистого состава. Но в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Zn и Cu менее токсичны, но более подвижны, чем Pb и Cd. Тяжелые металлы оказывают токсичное действие на микробный состав почв.

Основными методами определения тяжелых металлов являются атомно-абсорбционный и рентгенфлуоресцентный.

2. Загрязнение почв нефтепродуктами

К ним относятся нефть сырая и продукты ее переработки: нефтяное, дизельное, карбюраторное топливо, растворители, нефтяные битумы, асфальтены и др.

Источники загрязнения – потери при транспортировании, авариях (приблизительно 9 миллионов тонн в год).

При попадании в почву они проникают вглубь от поверхности. Нефтепродукты впитываются почвой (особенно хорошо – сухой) за счет капиллярных сил и удерживаются в таком состоянии долгое время, полностью лишая почву плодородия, превращая ее в насыщенную нефтепродуктом губку.

Почва может самоочищаться от нефтепродуктов за счет их биохимического окисления бактериями, содержащимися в почве, почвенном растворе и природной воде. Но этот процесс менее эффективен, чем в водоемах.

Основные методы определения: спектрофотометрический, экстракционно-фотометрический, экстракционно-хроматографический (тонкослойная хроматография).

3. Закисление почв

Кислотность почвы – важнейший экологический фактор, определяющий условия жизнедеятельности почвенных организмов и высших растений, а также подвижность загрязнителей в почве (в первую очередь, металлов). Процесс приобретения почвой повышенной кислотности часто называется закислением почв.

Причины закисления:

- выделение (выдыхание) микроорганизмами и корнями растений СО₂, при растворении которого в воде образуется угольная кислота;

- образование некоторых форм гумуса, имеющих повышенную кислотность. Это происходит при переработке трудно разлагаемого органического вещества, например хвойной подстилки;

- всасывание растениями с почвенной влагой катионов щелочных и щелочно-земельных металлов (K, Na, Ca, Mg), приводящее к обогащению почвенного раствора кислотными компонентами;

- внесение кислотообразующих удобрений – аммиачных на основе мочевины, преобразование которой в нитратную форму, усвояемую растениями, сопровождается образованием азотной кислоты;

- кислотные осадки (pH кислотного дождя может достигать 2-3), с которыми в почву попадает HNO₃, H₂SO₄. Обычный дождь за счет растворения СО₂ содержит угольную кислоту и имеет некоторую кислотность (pH ~ 5,5-6).

При закислении почвы угнетается рост и развитие многих сельскохозяйственных культур, подавляется жизнедеятельность микроорганизмов.

Закисление почвы приводит к увеличению подвижности многих элементов, в первую очередь тяжелых металлов. Особая роль в этом процессе принадлежит Al, содержание которого в почве и в почвообразующих породах в формах, не обладающих подвижностью, высоко.

Обменная кислотность почвы обусловлена присутствием способных к обмену ионов Н⁺ и Al³⁺ в почвенно-поглощающем комплексе (ППК), которые высвобождаются путем обменных реакций при взаимодействии ППК с раствором нейтральной соли (обычно используется раствор KCl с концентрацией 1 г·моль/л). Ионы Н⁺ образуются по схеме

В присутствии Al в ППК протекает обменная реакция, сопровождающаяся высвобождением катионов Al, что приводит к еще большему закислению среды:

Катионы Al претерпевают кислотный гидролиз с образованием катионов водорода:

Количество выделившихся ионов водорода и алюминия может быть определено методом титрования раствором щелочи с известной концентрацией. Мерой обменной кислотности почвы обычно считают рН солевой почвенной вытяжки, приготовленной в стандартных условиях.

В зависимости от величины рН солевой вытяжки различают несколько степеней кислотности почвы (табл. 15).

Таблица 15. Степени кислотности почвы

Гидролитическая кислотность обусловлена вытеснением в почвенный раствор дополнительного количества водородных ионов при взаимодействии с растворами гидролитически щелочных солей или щелочей.

Например, при взаимодействии ППК с раствором ацетата натрия образуется уксусная кислота:

Гидролитическая кислотность (при отсутствии обменной) не вредна для почвы, но ее нужно учитывать при решении хозяйственных вопросов, например при определении необходимости известкования или иной обработки почвы.

При избыточной кислотности проводят известкование, при пониженной – гипсование.

При экстремально высокой кислотности проводят механическое удаление и замену исходной почвы качественной почвой, привезенной из других мест.

Наряду с закислением, может происходить и техногенное подщелачивание почв. Оно происходит при поступлении щелочных, щелочно-земельных и тяжелых металлов с выбросами металлургических заводов; аммиака – с выбросами комбинатов по производству удобрений и т.д. Повышенная щелочность неблагоприятна для многих сельскохозяйственных растений, резко возрастает подвижность органического вещества, что ведет к обеднению гумусом.

Масштабы подщелачивания почв значительно меньше, чем процессов закисления, и негативные последствия не столь значительны.

4. Засоление почв

Засоленность почвы обусловлена повышенным содержанием в ней легкорастворимых минеральных солей, что, как правило, создает неблагоприятные условия для развития и роста растений. У растений, произрастающих на засоленных почвах, задерживаются набухание семян, цветение, рост и снижается урожайность. При больших концентрациях солей наступает гибель растений.

Основной признак засоленных (солонцеватых) почв – присутствие в почвенном растворе значительного количества катионов натрия. Соответствующими анионами являются в основном хлорид, сульфат, гидрокарбонат и карбонат. Наиболее отрицательно влияют на качество почвы гидрокарбонаты и особенно карбонаты как наиболее щелочные компоненты. В зависимости от вклада различных анионов в солесодержание почвенного раствора различают хлоридное, хлоридно-сульфатное, содовое и смешанное засоление.

Засоление может происходить в силу естественных и антропогенных процессов.

Естественное засоление почв происходит при переносе растворенных в грунтовых водах солей из водоносных слоев к поверхности. При испарении воды соль остается на поверхности почвы и при определенных условиях возникает зона засоления.

Естественное засоление возможно также при наличии понижения или низины на местности, при достаточной проницаемости грунтов. При переувлажнении засоленных почв возможны также их солонцевание и заболачивание.

Антропогенное засоление происходит главным образом при орошении посевов водой с повышенной концентрацией солей – более 1 г/л (соленость воды большинства рек не превышает 0,2-0,3 г/л).

5. Загрязнения почвы, обусловленные применением минеральных удобрений и пестицидов

Применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве обусловлено естественным извлечением из почвы биогенных элементов – соединений азота, фосфора, калия и др. Особенно остро стоит проблема восполнения потерь азота.

Избыточный азот накапливается в основном в форме нитратов. В этой форме он не сорбируется почвой, легко вымывается из почвы, переходит в грунтовые воды и близлежащие водоемы.

Негативные последствия возможны и при использовании «экологически чистых» органических удобрений (навоза, торфа, компоста). При их попадании с полей в водоемы в последних создаются условия, благоприятные для размножения патогенных бактерий, грибов.

Например, размножение в водоеме почвенной амебы может привести к заболеванию людей менингоэнцефалитом при купании.

Помимо минеральных удобрений к средствам интенсивной химизации сельскохозяйственного производства относят пестициды. Наиболее устойчивы к разложению в условиях почвы хлорорганические пестициды. При обработке посевов основная часть пестицидов остается на поверхности почвы и растений. Пестициды адсорбируются органическим веществом и минеральными коллоидами почв. Гумусом адсорбируется до 80 % пестицидов. Избытки мигрируют, попадая в грунтовые воды. Пестициды воздействуют на почвенные бактерии. Полная детоксикация почвы от пестицидов происходит лишь при их распаде на нетоксичные компоненты.