Общие принципы почвенно-экологического мониторинга

5) ведение мониторинга  за состоянием почв территорий  ненарушенных антропогенными вмешательствами  (фоновый мониторинг) (Глазовская  М. А. и др., 1989; Черныш А. Ф., 2003).

Специальные задачи почвенно-экологического мониторинга выполняемые на разном уровне (локальном, региональном, глобальном), различаются. Объединяет их общая цель: своевременное обнаружение изменений  свойств почв при различных видах  их использования и неиспользования.

Локальный и региональный мониторинг должен решать следующие  задачи:

1. характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;
2. определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;
3. установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;
4. определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;
5. оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;
6. рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;
7. оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

При глобальном мониторинге  должно проводиться следующее:

1. характеристика потока контролируемых химических элементов на почвы фоновых территорий;
2. определение уровней контролируемых показателей состояния почв;
3. выявление зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;
4. определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий.

Экологическому менеджменту, как системе принятия решений  связанных с реализацией действий на земле, должен, в обязательном порядке, предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о ее состоянии. Все это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, ее главного компонента – почвенного покрова. Система мониторинга должна не только содействовать надежной охране земель, но и в короткие сроки дать значительный экологический и экономический эффект, обеспечить подготовку достоверных текущих и долгосрочных прогнозов на проведение мелиоративных и других мер по улучшению угодий. Совокупность полученных при мониторинге данных даст возможность решить актуальные задачи определения оптимальных и критических уровней важнейших физических и химических показателей почв применительно к отдельным ее типам, регионам, сельскохозяйственным культурам, технологиям их возделывания, системам земледелия (Черныш А. Ф., 2003).

1.2 Особенность  почвы как объекта мониторинга

Специфика почв как объекта  мониторинга определяется их местом и функциями в биосфере. Почвенный  покров служит конечным приемником большинства  техногенных химических веществ, вовлекаемых  в биосферу. Обладая высокой емкостью поглощения, почва является главным  аккумулятором, сорбентом и разрушителем токсикантов. Представляя собой  геохимический барьер на пути миграции загрязняющих веществ, почвенный покров предохраняет сопредельные среды от техногенного воздействия. Однако возможности  почвы как буферной системы не безграничны. Аккумуляция токсикантов  и продуктов их превращения в  почве приводит к изменению её химического, физического и биологического состояния, деградации и, в конечном итоге, разрушению. Эти негативные изменения  могут сопровождаться токсичным  воздействием почв на другие компоненты экосистемы – биоту (в первую очередь, видовое разнообразие, продуктивность и устойчивость фитоценозов), поверхностные  и грунтовые воды, припочвенные слои атмосферы (Гришина Л. А., 1991 и др.).

Организация почвенного мониторинга представляет собой задачу более трудную, чем  мониторинга водных и воздушных  сред по следующим причинам:

1) почва – сложный объект исследования, так как представляет биокосное тело, которое живет по законам и живой природы, и минерального царства;

2) почва – многофазная гетерогенная полидисперсная термодинамическая 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 (перенос влаги и испарение);

3) опасные загрязняющие почвы химические элементы Hg, Cd, Pb, As, F, Se являются природными составляющими горных пород и почв. В почвы они поступают из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей;

4) поступают в почву различные химические вещества антропогенного происхождения практически постоянно;

5) природное пространственное и временное варьирование содержаний химических веществ в почвах велико, что нередко определяет трудность установления степени превышения исходного уровня содержания химических веществ в почвах (Мотузова Г. В., 1994).

Многие  методические вопросы почвенного мониторинга  не решены. Окончательно не определено понятие «фон», «фоновое содержание». Часто современное состояние  биосферы оценивают, сравнивая его  с прошлым состоянием с помощью  косвенных методов: путем ретроспективной  экстраполяции современных данных, сопоставлением со сведениями в прежних  публикациях, определением содержания загрязняющих веществ в захороненных средах и музейных образцах, используя  изотопный анализ химических веществ. Все эти методы не свободны от недостатков. Наиболее эффективным представляется для оценки локального загрязнения  сравнивать загрязненные почвы с  незагрязненными аналогичными, а  при фоновом мониторинге оценивать  изменение во времени фоновых  почв.

2. МЕТОДОЛОГИЯ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО  МОНИТОРИНГА

2.1 Выбор контрольных участков

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

Мониторинг  почв следует проводить на фиксированных  контрольных участках, репрезентативно  характеризующих почвенный покров природных и сельскохозяйственных геохимически сопряженных ландшафтов типичных для данного региона  водосборных бассейнов. Водосборный  бассейн является идеальным объектом оценки и контроля состояния экосистем, поскольку имеет ясные природные  границы, замыкающие единонаправленный  поток вещества и энергии и  обеспечивающий относительную автономию  исследуемой территории. Зоны водосбора должны занимать площадь в пределах от нескольких десятков гектаров до нескольких квадратных километров, быть гидрологически изолированными и максимально гомогенными в геологическом отношении. Внутри зоны водосбора должны быть достаточно широко представлены доминирующие типы фитоценозов и почв региона. Для контроля загрязнения пробные участки располагают на разном направлении ветров. Фоновые участки должны находиться вне зоны действия источника загрязнения, на расстоянии не менее 10-15 км. При высоких фоновых уровнях загрязняющих веществ расстояние это может быть меньшим, при низких фоновых уровнях оно должно быть большим. Все участки должны обладать сходными характеристиками состава и свойств почв, природных вод и растительного покрова. При проведение фонового мониторинга следует осуществлять наблюдения за возможно большим числом естественных БГЦ (Гришина Л. А. и др., 1991)

Для текущего контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий необходима сплошная аэро- или  космическая съемка при выборочном контроле на наземных пунктах наблюдения. Контрольными являются поля с традиционной системой земледелия без наложения  химических или гидротехнических мелиораций (Гришина Л. А. и др., 1991).

2.2 Показатели экологического состояния почв, подлежащие контролю при мониторинге

Наиболее  важным вопросом является выбор показателей  мониторинга почв, периодичности  наблюдений и методов измерения. Перечень показателей должен быть оптимальным, обеспечивающим реальность исполнения и не вызывающем потери информации. Система показателей должна включать обязательные для всех видов почв и специфичные для почв одного или нескольких типов параметры, а также показатели, обусловленные  природой загрязняющих веществ (Гришина  Л. А. и др, 1991). Выбираемые для мониторинга  показатели должны быть по возможности  просты, а методы доступны, в том  числе для сравнительно небольших  лабораторий, не располагающих дорогостоящим  оборудованием. Кроме того, необходимо отметить, если при контроле воздуха  или вод основное внимание обращается на вредные и токсичные примеси, то при почвенном мониторинге  приходится контролировать многие параметры, характеризующие систему в целом, выявлять признаки, указывающие на возникновение неблагоприятных  тенденций или снижение почвенного плодородия (Садовникова Л. К., 2006).

Обязателен  контроль показателей подвижности  загрязняющих веществ, т. к. именно они  характеризуют способность загрязняющих веществ переходить в сопредельные среды: в растения, в почвенные  и грунтовые воды. Но чаще запас  подвижных соединений неорганических загрязняющих веществ определяют в  составе вытяжек разбавленных кислот, щелочей, солей, экстрагирующее действие которых может быть усилено присутствием комплексообразователей. Широким распространением пользуется, например, вытяжка ацетатно-аммонийного  буферного раствора. Результаты диагностики  состояния загрязняющих веществ с помощью этих показателей свидетельствуют об их информативности. Многочисленные данные показывают, что при загрязнении различных ландшафтов общее содержание металлов и содержание их подвижных соединений в почвах повышается на порядки. Существенно увеличивается доля подвижных соединений металлов от общего содержания их в почве (Мотузова Г. В., 1999).

Во многих случаях заменить трудоемкое определение  валового содержания и подвижных  форм соединений тяжелых металлов, на определение легко контролируемых показателей рН, Eh, ЕКО, содержания органического вещества помогают представления о взаимосвязи процессов и их количественная оценка на основе термодинамических принципов химического равновесия (Орлов Д. С. и др., 1989).

По результатам  многолетней практики Гришина Л. А. и соавторы (1991) предлагают разделить  показатели почвенно-экологического мониторинга  на показатели ранней, кратко- и долгосрочной диагностики.

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

В качестве этих диагностических свойств целесообразно  использование характеристик кислотно-основного, ионно-солевого, окислительно-восстановительного режимов почв. Анализу могут подвергаться почвенные растворы, лизиметрические  воды, водные вытяжки, в которых определяются рН и активность других ионов, содержание азота, фосфора, серы, кальция, магния, тяжелых металлов, органического  вещества. Частота измерения –  несколько раз за сезон.

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

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

Вслед за Садовниковой Л. К. (2006) рассмотрим конкретные важнейшие показатели почвенного мониторинга.

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

Емкость катионного обмена (ЕКО). Является важной почвенной характеристикой. Она складывается из поглотительной способности гумусовых веществ, минеральных частиц почвы, а также входящих в ее состав микроорганизмов. Величина ЕКО почвы коррелирует с содержанием в ней гумуса, гранулометрическим и минералогическим составом, величиной рН. Таким образом, емкость катионного обмена – интегральная почвенная характеристика, по которой можно оценивать степень устойчивости почв, в том числе, и к антропогенному воздействию (Биогеохимические…, 1993).