Международный независимый эколого-политологический университет

Экологические значения свойств почв

Закономерности, аксиомы, постулаты и правила агроэкологии

Геохимическая деятельность организмов

Условия прогрессивного развития систем

Условия устойчивости систем к антропогенным стрессам

Формирование почв

Факторы деградации почв

Параметры оценки деградации почв

Совместное влияние на почву нескольких факторов деградации

Этапы деградации

Устойчивость почв к деградации

Обратимость деградационных изменений почв

Значимость проблемы

Водная эрозия почв

Изменение свойств почв

Значимость проблемы

Деградация экологической системы при засолении и осолонцевании почв

Оценка степени засоленности почв

Значимость проблемы

Факторы деградации

Значимость проблемы

Значимость проблемы

Нерешенные вопросы

Значимость проблемы

Причины опустынивания

Изменение почв при их деградации

Пути оптимизации обстановки

Значимость проблемы

Значимость проблемы

Значимость проблемы

Влияние удобрений на развитие болезней и вредителей

Необходимая информация при проведении мониторинга

При разработке мониторинга необходимо знать источники поступления загрязняющих веществ, процессы переноса токсикантов, процессы ландшафтно-геохимического перераспределения, данные о состоянии антропогенных источников эмиссии загрязняющих веществ. Система мониторинга охватывает изучение следующих изменений окружающей природной среды: 1) источников и факторов воздействия; 2) состояния окружающей природной среды; 3) состояния биотической составляющей биосферы; 4) реакции крупных систем и биосферы в целом; 5) состояния здоровья и благосостояния населения.

В первую очередь, должна быть установлена приоритетность факторов, ведущих к наиболее серьезным изменениям окружающей природной среды. Необходимо выделить отдельные элементы тех или иных объектов наблюдения, наиболее подверженных воздействию. Необходимо определить критические точки, переход через которые вызывает нарушения и разрушения экосистем. Определение приоритетности для подсистем мониторинга при решении различных задач может привести к различным результатам для одного и того же фактора воздействия. Как правило, проводят наблюдения за откликом (обратимые изменения) и последствиями (необратимые изменения) у биоты. Проводят наблюдения по функциональным и структурным биотическим признакам. Для получения информации об изменениях экосистем необходимы данные об их первоначальном состоянии до вмешательстве человека. Необходима оценка фонового состояния.

Критерии экологической оценки состояния почв

При оценке экологического состояния почв учитывают степень воздействия и процент площади деградированных земель. В качестве критериев экологического состояния, используют химические и физико-химические свойства почв, степень загрязнения их тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами, изменение физических свойств и морфологического строения почв, морфологические показатели и фитотоксичность, ботанические показатели (таблица 25).

Таблица 25

Критерии экологической оценки состояния почв (утверждены Министерством

охраны окружающей среды и природных ресурсов 30 ноября 1992 г.)

Показатели :Экологическое :Чрезвычайная :Удовлетворительная

:бедствие :экологическая :ситуация

: :ситуация :

% площади земель, выведенных из

с/х оборота, вследствие деградации более 50 30-50 до 5

уничтожение гумусового горизонта А+В Апах (А₁ ) до 0,1 А

перекрытие поверхности почвы

абиотическим наносом более 20 10-20 отсутствует

увеличение плотности почвы по

отношению к равновесной, % более 40 30-40 до 10

превышение уровня грунтовых вод,

% от критического более 50 25-50 допустимый

радиоактивное загрязнение, км/км²

цезий-137 более 40 15-40 до 1

стронций-90 более 3 1-3 до 0,3

сумма изотопов плутония более 0,1 менее 0,1 нет

мощность экспозиционной дозы на

уровне 1 м от поверхности мкР/час более 400 200-400 до 20

потеря гумуса в пахотных почвах

за 10 лет (относительные %) более 25 10-25 менее 1

увеличение содержания легкораст-

воримых солей, г/100 г более 0,8 0,4-0,8 до 0,1

увеличение доли обменного натрия

% от Е более 25 15-25 до 5

превышение ПДК химических веществ

1 класс опасности более 3 раз в 2-3 раза нет

2 класс опасности более 10 раз в 5-10 раз нет

3 класс опасности (включая нефте-

продукты) более 20 раз в 10-20 раз нет

Zc более 128 в 32-128 менее 16

Снижение уровня активной микробной

массы более 100 раз 50-100 до 5 раз

фитотоксичность почв (снижение числа

проростков в % к фону) более 200 140-200 до 110

Дополнительные показатели

доля загрязненной с/х продукции, % от

проверенной более 50 25-50 до 5

число яиц гельминтов в 1 кг почвы более 100 10-100 нет

число патогенных микроорганизмов

в 1 кг почвы более 10^-6 10^-6 -10^-5 менее 10^-4

коли-титр (для почвы – наименьшая

масса почвы, в которой содержится

1 кишечная палочка) менее 0,001 0,01-0,001 более 1.0

генотоксичность почвы (число мутаций

по сравнению с контролем) число раз более 1000 100-1000 менее 2

В то же время, для отдельных показателей почв разработаны более детальные оценки степени деградации и экологической напряженности. Черниковым В.А. предлагаются критерии степени деградации гумусовых кислот почв.

Таблица 26

Степень деградации гумусовых кислот дерново-подзолистых почв,

% к гумусовым кислотам недеградированных почв (по Черникову В.А.)

Диагностические показатели : Степень деградации

:------------------------------------------------------

: слабая : средняя : сильная

содержание ат % С 80-90 75-85 75

Н 85-90 80-85 80

степень окисленности 80-85 75-80 75

атомное отношение Н/С 80-85 75-80 75

отношение алифатических аминокислот к сумме

ароматических и гетероциклических 80-85 75-80 75

отношение гуматов к гуминовым кислотам 80-85 75-80 75

соотношение неароматических и ароматических

соединений 80-85 75-80 75

Таблица 27

Поправочные коэффициенты для оценки степени деградации гумусовых

соединений почв

Степень деградации : Гранулометрический состав

:----------------------------------------------------------------------

: песок : легкий : средний : тяжелый

: : суглинок : суглинок : суглинок

недеградированные почвы 1,0 1,0 1,0 1,0

слабо деградированные почвы 1,23 1,1 1,05 1,05

средне деградированные почвы 1,45 1,2 1,25 1,15

сильно деградированные почвы 1,60 1,3 1,35 1,20

Мосиной Л.В. предлагается оценка степени деградации почв по их микробиологической активности.

Таблица 28

Оценка состояния экосистем по микробиологическим критериям

Содержание :Наличие актино- :Число видов :Содержание :Уменьшение мик-

стерильных акти :мицетов группы :бацилл :фитопатогенных :робной биомассы, %

номицетов, % :Niger, % : : :

высокая степень устойчивости экосистемы

отсутствуют отсутствуют 7-8 отсутствуют отсутствуют

средняя степень устойчивости

35-40 отсутствуют - отсутствуют не отмечено

слабая степень устойчивости

52-50 > 50 3 18-20 20-50

Разработаны градации деградации почв по фитотоксичности и генотоксичности.

Таблица 29

Критерии для выделения зон экологической напряженности генотоксичности

почвы (тест Эймса)

Рост числа мутаций, по сравнению с : Площадь проявления показателя, %

контролем :-----------------------------------------------------------------

: < 5 : 5-10 : 20-30 : > 50

до 2 раз 1 *) 1 1 1

в 2-10 раз 2 2 2 2

в 10-100 раз 2 3 3 4

в 100-1000 раз 3 3 4 5

более, чем в 1000 раз 3 3 5 5

*) 1 – относительное экологическое благополучие; 2 – риск; 3 – кризис; 4 – бедствие; 5 – экологическая катастрофа.

Детально разработана система экотоксикологической оценки пестицидов.

Таблица 30

Балльная система экотоксикологической оценки пестицидов по Соколову М.С.

и Глазовской М.А.

Показатель вторичного эффекта пестицидов : Баллы

персистентность в почве, мес. менее 1 2

1-6 4

6-24 - 6

более 24 - 8

влияние на процессы ферментации и биологическую активность почвы

не оказывает влияния 0

оказывает на отдельные процессы и популяции 1

влияет на многие процессы и популяции 2

выщелачивание по почвенному профилю, см

не мигрируют 0

до 15 см 1

до 50 см 2

глубже 50 см 3

перемещение из почвы в культивируемые растения и фитотоксичное воздействие

не адсорбируются растениями 0

адсорбируются, но не имеют вторичного воздействия 1

адсорбируются и снижают качество урожая 2

адсорбируются, снижают качество урожая и оказывают фитотоксичное

действие на культуры 3

реакция на фотолиз

разлагается фотохимически 0

устойчивы к фотохимическому разложению 1

оценка по предельно допустимой концентрации, мг/кг

в сельскохозяйственной продукции – более 1 0

1- 0,1 - 1

0,1-0,01 2

менее 0,01 3

0 4

в воде - более 1 – 0; (1-0,1) – 1; (0,1-0,01) – 2; менее 0,01 – 3; 0 – 4

воздействие на органолептические свойства

сельскохозяйственной продукции: не воздействуют – 0; воздействуют – 1;

питьевой воды, допустимая концентрация, мг/кг – более 0,1 – 0; (0,1-0,01) – 1;

(0,01-0,001) – 2; менее 0,001 – 3

летучесть

соединения не улетучиваются – 0; улетучиваются, но концентрация насыщения

ниже максимально допустимого предела – 1; равна максимально допустимому пределу – 2; равна пределу токсичности – 3

токсичность для холоднокровных животных (ЛД₅₀ ) мг/кг

более 1000 – 1; (200-1000) – 2; (50-200) – 3; менее 50 –4

способность накапливаться в организме теплокровных животных

коэффициент бионакопления более 5 – 0; (3-5) – 1; (1-3) –2; менее 1 – 3

При суммарном количестве баллов по всем показателям 21 и более – очень токсичные

Препараты; 21- 14 – среднетоксичные; 13 и ниже – относительно слаботоксичные препараты.

Значительное изменение свойств почв происходит под влиянием тяжелых металлов, содержащихся в сточных водах и осадках, вносимых на поля. Существующий принцип расчета доз основан на том, что после внесения компонентов на основе осадков сточных вод суммарное содержание токсиканта в почве (с учетом рассеивания в пахотном слое) не должно превышать ПДК – предельно допустимой концентрации валового содержания исследуемых токсикантов. При этом, в ряде случаев. вводятся эмпирические коэффициенты, учитывающие содержание гумуса, рН, гранулометрический состав (Касатиков В.А., 1989). Директивами Европейского сообщества (ЕС) в 1986 году определены обязательные нормы при внесении ила в почвы сельскохозяйственного использования.

Таблица 31

Допустимые концентрации тяжелых металлов в почвах и илах (рН=6-7)

Элемент : В почве, мг/кг : В иле, мг/кг :Максимальное поступление, кг/га/год

Hg 1-1,5 10-25 0,10

Cd 1-3,0 20-40 0,15

Zn 150-300 2500-4000 30

Pb 50-300 750-1200 15

Cu 50-140 1000-1750 12

Ni 30-75 300-400 3

Cr - - -

Наиболее высокие уровни загрязнения почв тяжелыми металлами (цинком до 500-1000 мг/кг) установлены для городов с цветной и черной металлургией. Почвы вокруг перерабатывающих заводов загрязнены углеводородами, сероводородом, серой, вокруг машиностроительных заводов и химических предприятий – свинцом, медью, хромом, железом. Техногенные ореолы в почвах формируются в течение 20-50 лет, при минимальной продолжительности загрязнения 5-10 лет, а для мышьяка и цинка – 1-2 года. Существенные дополнения в предельно допустимые концентрации тяжелых металлов в почвах внесены, в связи с тем, что фоновое содержание их в отдельных почвах отличается. Так, например, фоновое содержание токсикантов в отдельных почвах существенно отличается от среднего в России. Так, например, фоновое – нормальное содержание свинца (в мг/кг) составляет в тундрово-глеевых почвах – 15-29; в дерново-подзолистых – 6-15; серых лесных – 10-25; черноземах – 13-28; каштановых – 18-26; красноземах – 20-28.

Корректировка ПДК обусловлена также тем, что, в зависимости от гранулометрического состава, рН среды и других свойств почв, негативное действие тяжелых металлов на биоту отличается. По мнению Важенина И.Г., под ПДК для почвы следует понимать такую концентрацию химического элемента-загрязнителя, которая при длительном (многолетнем) воздействии на почву не вызывает каких-либо патологических изменений в почвенной биоте и в свойствах ее абиотической части, особенно, в ППК. В связи с указанным, оценка степени загрязнения почв тяжелыми металлами проводится не только для валовых форм элементов, но и для их подвижных форм.

Таблица 32

Группировка почв по содержанию подвижных форм элементов-загрязнителей,

растворимых в 1н растворе НС1

Элемент : Фон: 0 : Группы почв и градации уровней загрязненности, мг/кг

: :----------------------------------------------------------------------------

: : 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6

марганец 100-150 200 400 600 800 1000 1200

хром 15-30 30 60 90 120 150 200

ванадий 10-20 20 40 60 80 100 120

цинк 5-10 16 20 40 60 80 100

никель 4-6 8 16 24 32 40 48

медь 3-5 7 14 21 28 35 42

свинец 2-3 5 10 15 20 25 30

кобальт 1-2 3 6 9 12 15 18

кадмий менее 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2 3

Таблица 33

Группировка почв по содержанию подвижных форм тяжелых металлов,

извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН=4,8)

Элемент : Фон: 0 : Группы почв и градации уровней загрязнения, мг/кг

: :------------------------------------------------------------------------------

: : 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6

марганец < 50 50 100 150 200 250 300

хром < 10 10 20 30 40 50 60

ванадий < 10 10 20 30 40 50 60

цинк < 5 5 10 15 20 25 30

никель < 2 2 4 6 8 10 12

медь < 1 1 2 3 4 5 6

свинец < 0,8 0,8 1,5 2,3 3,2 4 5

кобальт < 0,5 0,5 1 1,5 2 2,5 3

молибден < 0,3 0,3 0,5 1 1,5 2 2,5

кадмий < 0,1 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,0

*) молибден определяется в оксалатной вытяжке по Григу.

Таблица 34

Группировка почв по валовому содержанию химических элементов в

окрестностях предприятий цветной металлургии

Элемент :Фон: :Знамена- : Группы почв и градации уровней загрязненности, мг/кг

:«Кларк» :тель про- :---------------------------------------------------------------------------

: 0 :гресии : 1 : 2 : 3 : 4 : 5

марганец 800 2 1600 3200 6400 12800 25600

хром 200 2 400 800 1600 3200 6400

фтор 200 2 400 800 1600 3200 6400

ванадий 100 2 200 400 800 1600 3200

литий 80 2 160 320 640 1280 2560

цинк 50 2 100 200 400 800 1600

никель 40 3 120 360 1080 3240 9720

медь 20 3 60 180 540 1620 4860

свинец 10 3 30 90 270 810 2480

кобальт 8 3 24 72 216 648 1944

молибден 2 3 6 18 54 162 486

кадмий 0,5 4 2 8 32 128 512

селен 0,1 4 0,4 1,6 6,4 25 100

ртуть 0,02 4 0,08 0,32 1,28 5 20

В последних разработках (дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91 – гигиенические нормативы ГН 2.1.7.020-94) величина ОДК приводится с учетом гранулометрического состава и рН среды.

Тяжелые металлы накапливаются в организме человека. Совместно установлены синергизм и антагонизм такого комплексного воздействия. Токсичность иона свинца усугубляется недостатком по кальцию, а лития по натрию. Из-за антагонизма цинка и кадмия введение избыточных количеств первого приводит к уменьшению содержания последнего. Аналогичная ситуация возникает и при действии нескольких токсикантов на почву и растения. Однако, учет эффектов синергизма, антагонизма и других эффектов при выработке ПДК, ОДК и уровней напряженности экологических систем пока не проводятся.

Критерии экологической оценки состояния растений

Ботанические критерии нарушения экологического состояния систем имеют большое значение, так как они не только чувствительны к нарушениям окружающей среды, но и наилучшим образом прослеживают изменения деградации в пространстве. Ботанические тесты позволяют в ряде случаев оценить извне уровни загрязнения, в связи с накоплением отрицательных воздействий в растениях в течение длительного времени. Негативные изменения учитывают на разных уровнях организации: организменном (фитопатологические изменения), популяционном (ухудшение видового состава и фитоценометрических признаков) и экосистемном (изменение соотношения площадей в ландшафте). По Виноградову В.В., ботанические показатели нарушенности экосистем приведены в следующей таблице.

Таблица 35

Ботанические показатели нарушенности экосистем

Показатели : Зоны экологических

:-----------------------------------------------------------------------------------------

: нормы : риска : кризиса : бедствия

ухудшение видово- естественная уменьшение смена господст- уменьшеине оби-

го состава естест- смена доминан- обилия господ- вующих видов на лия вторичных

венной раститель- тов, субдоминан-ствующих, в вторичные, в ос- видов, полезных

ности тов и характер- особенности новном непоеда- растений практи-

ных видов полезных ви- емые сорные и чески нет

дов ядовитые

изменение ареалов отсутствие ослабление, разделение, со- исчезновение

изреживание кращение

повреждение рас- отсутствие повреждение повреждение повреждение

тительности наиболее чувст- среднечувстви- слабочувстви-

вительных ви- тельных видов тельных видов

дов (хвойных (травы, кустар-

деревьев, лишай- ники)

ников)

появление тери- отсутствие редко спорадически массово

тологических

отклонений

уменьшение ин- менее 10 10-20 25-50 более 50

декса разнообра-

зия Симпсона, %

лесистость % от более 80 60-70 50-30 менее 10

зональной

повреждение менее 5 10-30 30-50 более 50

древостоя, %

повреждение менее 5 10-30 30-50 более 50

хвои, % био-

массы

гибель посевов менее 5 5-15 15-30 более 30

в % площади

проективное по- более 80 60-80 50-30 менее 10

крытие пастбищ-

ной степной и

полупустынной

растительности

% от нормальной

В ряде районов отклонение параметров химических и биологических свойств растений от нормы обусловлено не только их антропогенным загрязнением, но и с экстремально высоким или экстремально низким содержанием в литосфере. Такие районы относятся к патогенным геохимическим аномалиям. При этом, развитие патологических изменений у биоты возможно как при избытке элементов (As, Hg, Sr, Pb и т.д.), так и в связи с пониженным содержанием F, I, Ca, Ce, а также при дисбалансе Са/Р. Металлы, поглощаемые организмами, являются как активизаторами действия ферментов (Zn, Mn, Fe, Cd, Co, Ni, Hg, Re, Cs, Li, Ca, Al …), так и ингибиторами (Be, Sr, Ba, Cd, Hg, Ni, Fe).

В соответствии с теорией пороговых концентраций Ковальского В.В., организм может регулировать свои функции только в определенных интервалах концентрации и соотношений элементов. Поэтому важным критерием состояния экологических систем являются биохимические критерии состояния растений. Биохимические критерии экологического нарушения основаны на измерениях аномалий в содержании химических веществ в растениях. Эти критерии, по Трофимову В.Т. и Ермакову В.В., приведены в следующей таблице.

Таблица 36

Биологические критерии оценки экологического состояния территорий

Химический: Степень экологического неблагополучия :Относительно удо-

элемент :--------------------------------------------------------------------------:влетворительное

: бедствие : кризис : риск :состояние - норма

концентрация микроэлементов в укосах, пастбищных растениях в растительных кормах

(мг/кг сухого вещества)

Zn меньше 2 или 2-10 или 100-500 10-20 или 60-100 2-60

больше 500

Cu меньше 0,5 или

больше 100 0,5-2 или 80-100 2-20 или 20-80 5-50

Со меньше 0,01 или

больше 50 0,05-0,01 или 5-50 0,05-0,2 или 5-10 0,2-1,0

Мо меньше 0,2 ил

больше 50 0,2-0,5 или 10-50 0,5-1,0 или 3-10 1-3

В меньше 1 или

больше 300 0,1-0,5 или 100-300 0,5-1,0 или 30-100 1-30

F меньше 1 или

больше 200 1-3 или 100-200 3-5 или 100-200 5-30

I меньше 0,05 или

больше 20 0,05-0,1 или 5-20 0,1-0,2 или 2-5 0,2-2,0

Se меньше 0,01 или

больше 50 0,01-0,03 или 10-50 0,03-0,05 или 2-10 0,05-1,0

содержание высокотоксичных химических элементов в кормах и укосах растений

(превышение МДУ, раз)

As, Cd, Cr,

Pb, Hg, Ni, Sb > 10 5-10 1,5-5 1,1-1,5

содержание токсичных химических элементов в растениях и растительных кормах

(превышение фоновой концентрации, раз)

Ba, Be, Ti > 10 5-10 1,5-5 1,1-1,5

отношение кальция к фосфору в кормах

Са:Р менее 0,1 или

более 30 0,1-0,4 или 10-30 0,4-1,0 или 3-10 1-3

отношение кальция к стронцию в кормах и укосах растений

Ca:Sr < 1 1-10 10-50 > 50-100

геохими-

ческое

воздей-

ствие опасное сильное умеренное слабое

Для характеристики территориальных особенностей геохимического техногенного воздействия используют региональный суммарный коэффициент ноосферной концентрации -–С_n ^S : C_n ^S = D_i C_ni + … D_k C_nk , где D_i – D_k – техногенное давление различных продуктов на изучаемой территории; С_n – коэффициент ноосферной концентрации.

С_n = åC₁ /N₁ + … + C_i / N_i , где С - содержание компонента в данном продукте; N_i – кларки соответствующих аномальных элементов в ноосфере (биосфере).

Экологические критерии нарушения животного мира рассматривают на ценотических уровнях (видовое разнообразие, пространственная структура, трофическая структура, биомасса и продуктивность, энергетика) и на популяционных уровнях (пространственная структура, численность и плотность, поведение, демографическая и генетическая структура).

Интерпретация и графическое изображение данных по загрязнению

агрофитоценозов

содержание   ..  619  620  621   ..