4.3 Характеристика физико-химических методов исследования абиотических компонентов птс

4.3.1 Оценка качества водной экосистемы по органолептическим и гидробиологическим параметрам

Говоря о качестве воды, мы имеем в виду основанные на нормативах (таблица 3) ее потребительские свойства, т.е. пригодность для пищевого, хозяйственного или другого использования. В то же время, оценку качества воды не следует отождествлять с оценкой экологического состояния водного объекта, т.к. последняя значительно шире и включает также определение биотических и гидрологических параметров водоема, признаков и стадий его деградации, а также оценку состояния дна (донных отложений) и прилегающих к водоему территорий. Вместе с тем, некоторые гидробиологические показатели (например, индекс Вудивисса), также позволяют оценивать качество воды реального водоема, не связывая, однако, это качество с какими-либо нормативами.

Если воздух - среда, в которой человек постоянно находится и ею дышит, то воду человек ежедневно употребляет в пищу, вводя ее в состав собственных тканей. С этой точки зрения, качество потребляемой воды в значительной мере определяет и состояние нашего организма. Именно поэтому, трудно отделить вопросы качества реально потребляемой нами воды (не только для пищевых целей) от вопросов качества воды, которая потенциально может быть употреблена в пищу или использована каким-либо образом человеком. По той же причине, различные нормативы качества воды имеют много одинаковых значений. Различают группы нормативов (ПДК) для питьевой воды, воды водоемов хозяйственно-бытового назначения, воды водоемов культурно-бытового назначения, воды водоемов рыбохозяйственного назначения. Традиционной методикой оценки качества воды является способ определения ее органолептических показателей, что можно осуществлять как для открытого водоема (Лабораторный практикум по экологии [Электронный ресурс] : учеб. пособие / П. В. Дебело [и др.], 2012).

Особенности нормирования химических веществ в водной среде обусловлены несколькими факторами.

1.С гигиенических позиций оценивается уровень загрязнения воды, предназначенной для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения (спорт, купание, отдых).

2.Гигиенические нормативы качества воды распространяются не на весь водный объект, а только на пункты водопользования.

3.Вода используется населением не только для питья, приготовления пищи, личной гигиены, но и для хозяйственно-бытовых целей. В связи с этим при нормировании учитывается как непосредственное влияние химических загрязнителей на организм, так и их влияние на органолептические свойства и процессы самоочищения воды водоёмов.

4.Для всех водных объектов, используемых населением, устанавливаются единые гигиенические нормативы (ПДК, ОДУ).

Таблица 4.13 - Нормативы по стандарту для воды (П. В. Дебело, Т.Ф.Тарасова, 2012)

Цветность воды в градусах	Не более 20 град.
Прозрачность воды в см.	Не менее 30 см
Запах воды в баллах	Не более 2 балов
РН воды	В диапазоне 6,5-8,5

4.3.2 Почва как объект исследования

Почва - это малая динамическая система, состоящая из трех основных компонентов: детритофаги (организмы, питающиеся органическими остатками), детрит (органические остатки), почвогрунт. Эти компоненты находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, а результатом этого процесса является образования гумуса.

В. В. Докучаев формулировал «понятие о почве как вполне самостоятельном естественно-историческом теле, которое является продуктом совокупной деятельности:

1) грунта (материнских горных пород, почвообразующих пород);

2) климата;

3) растительных и животных организмов;

4) времени;

5) рельефа местности, т. е. возникновение почвы происходит в результате действия всех пяти факторов.

Позже к этим пяти были добавлены еще два: воды (почвенные и грунтовые) и хозяйственная деятельность человека.

Почвообразующие породы представляют собой тот субстрат, на котором происходит формирование почвы. Эти породы являются как бы фундаментом и каркасом сложного природного сооружения - почвы. Однако почвообразующая порода не есть скелет почвы, инертный к развивающимся в ней процессам. Она состоит из разнообразных минеральных компонентов, различным образом участвующих в процессе почвообразования. Среди них имеются частицы, практически инертные к химическим процессам, но играющие важную роль в образовании физических свойств почвы. Другие составные части почвообразующих пород легко разрушаются и обогащают почву определенными химическими элементами, таким образом, состав и строение почвообразующих пород оказывает чрезвычайно сильное влияние на процесс почвообразования.

Несмотря на большую важность почвообразующих пород, ведущую роль в почвообразовании играет биологическая деятельность. Без жизни не было бы и почвы. Почвообразование на Земле началось после появления жизни. Любая горная порода, как бы глубоко разложена и выветрена она ни была, еще не будет почвой. Только длительное взаимодействие материнских пород с растительными и животными организмами в определенных климатических условиях создает специфические качества, отличающие почву от горных пород.

Важное значение климатических условий для почвообразования давно обратило на себя внимание. С климатом связано обеспечение почвы энергией (теплом) и в значительной мере водой. От годового количества поступающего тепла и влаги, особенностей их суточного и сезонного распределения зависит развитие почвообразовательного процесса. Наличие морозного периода обуславливает промерзание почвы, прекращение биологических и резкую подавленность физико-химических процессов. Аналогичный результат получается в засушливых районах в период отсутствия осадков. Движение воздушных масс (ветер) влияет на газообмен почвы и захватывает мелкие частицы почвы в виде пыли. Но климат оказывает влияние на почву не только непосредственно, но и косвенно, воздействуя на биологические процессы (распределение высших растений, интенсивность микробиологической деятельности).

Определенное влияние на почвообразование оказывают почвенно-грунтовые воды. Вода является средой, в которой протекают многочисленные химические и биологические процессы в почве. Для большей части почв на междуречных пространствах основным источником воды служат атмосферные осадки. Однако там, где грунтовые воды расположены не глубоко, они оказывают сильное воздействие на почвообразование. Под их влиянием меняется водный и воздушный режимы почв. Грунтовые воды обогащают почвы химическими соединениями, которые в них содержатся, в отдельных случаях вызывают засоление. В переувлажненных почвах содержатся недостаточное количество кислорода, что обуславливает подавление деятельности некоторых групп микроорганизмов. В результате воздействия грунтовых вод формируются особые почвы.

Влияние рельефа сказывается главным образом на перераспределении тепла и воды, которые поступают на поверхность суши. Значительное изменение высоты местности влечет за собой существенное изменение температурных условий. С этим связано явление вертикальной зональности в горах. Сравнительно незначительное изменение высоты сказывается на перераспределении атмосферных осадков. Большое значение для перераспределения солнечной энергии имеет экспозиция склона. Очень часто степень воздействия на почву грунтовых вод определяется особенностями рельефа.

Совершенно особый фактор почвообразования - время. Все процессы, протекающие в почве, совершаются во времени. Чтобы сказалось влияние внешних условий, чтобы в соответствии с факторами почвообразования сформировалась почва, требуется определенное время. Так как географические условия не остаются постоянными, а меняются, то происходит эволюция почв во времени.

От всех остальных факторов резко отличается влияние на почву человека, точнее, человеческого общества. Если влияние природных факторов на почву проявляется стихийно, то человек в процессе своей хозяйственной деятельности действует на почву направленно, изменяет ее в соответствии со своими потребностями. С развитием науки и техники, с развитием общественных отношений использование почвы и ее преобразование усиливаются.

Следовательно, можно заключить, что почва - это особое природное образование, где процессы цикличной миграции химических элементов на поверхности суши, обмена веществ между компонентами ландшафта достигают наивысшего напряжения. Одновременно с энергичным перераспределением вещества в почве активно трансформируется и аккумулируется солнечная энергия.

Основные химические и биологические процессы в почве могут совершать только при наличии свободной воды. Почвенная вода является той средой, в которой осуществляется миграция и дифференциация химических элементов в процессе почвообразования. Многие вещества содержатся в свободной воде в виде истинных и коллоидных растворов, поэтому свободную почвенную воду правильнее назвать почвенным раствором. Почвенный раствор играет настолько важную роль в почвообразовании и питании растений, что Г. Н. Высоцкий образно назвал его кровью почвы.

Состав и концентрация почвенного раствора обуславливают его активную реакцию. Активная реакция (актуальная кислотность) определяется концентраций в растворе ионов Н+. Вода в слабой степени подвергаясь электролитической диссоциации, распадается на два иона: Н+ и ОН-. Концентрация этих ионов ничтожна: произведение [Н+] [ОН-] = 10ˉⁿ, где n = 14 (таблица 4.14). В идеально чистой воде должно находиться равное количество обоих ионов:

[Н+] = [ОН-] = 10ˉª, где а = 7.

рН = - lg[H+].

Таблица 4.14 – Соотношение количественных и качественных водородных показателей почв (П. В. Дебело, В.И. Бударникова, 2010)

Почвы	рН
Сильнокислые	3,0-4,5
Кислые	3,5-5,5
Слабокислые	3,5-6,5
Нейтральные	6,5-7,0
Слабощелочные	7,0-7,5
Щелочные	7,5-8,5
Сильнощелочные	8,5 и более

Степень кислотности почв является весьма важным показателем, так как характеризует многие генетические и производственные качества почвы. Как правило, в кислых почвах отсутствуют хлориды, сульфаты, карбонаты. В нейтральных почвах присутствуют карбонаты. В почвах с щелочной реакцией накапливаются не только карбонаты, но также сульфаты и хлориды. Различные растения нормально развиваются в определенных значениях рН. Установлено влияние концентрации водородных ионов в почвенном растворе не только на высшие растения, но и на микробиологические процессы, а вместе с тем и на весь ход почвообразования.

В среднем значение рН почв близко к нейтральному показателю. Такие почвы наиболее богаты обитателями. Известковые почва имеют рН =4-6, т.е. они слабо щелочные; торфяные почвы имеют рН = 4-6, т.е. они слабо кислые. Соответственно, основные и кислые почвы имеют специфический, приспособленный к тем или другим состав почвенных организмов. При значении рН меньше 3 (сильно кислые почвы) и больше 9 (сильно щелочные) из-за высоких концентраций ионов водорода или гидроксид-ионов повреждаются клетки живых организмов.

Кроме того, рН почвы сказывается и на степени доступности биогенных элементов. При рН меньше 4 почва содержит так много ионов алюминия Al³⁺, что она становится высокотоксичной для большинства растений. При еще более низких значениях рН в токсичных концентрациях могут содержаться ионы железа Fe³⁺, марганца Mn²⁺, а также фосфат-ионы (РО₄^3-) оказываются связанными в малорастворимые соединения (фосфаты и гидрофосфаты) – тогда растения страдают от их недостатка.

Почва обладает буферностью, т.е. свойством сохранять свою реакцию при сравнительно небольшом добавлении кислот или щелочей. Буферность почв обуславливается в основном составом поглощенных оснований. При воздействии кислоты на почву с нейтральной реакцией произойдет обмен поглощенных оснований на ион водорода кислоты, а в растворе образуется нейтральная соль:

В силу того, что ионы водорода будут изъяты из раствора и адсорбированы почвой, концентрация ионов водорода существенно не изменится. При взаимодействии щелочной соли с кислой почвой произойдет обмен между основаниями солей и поглощенными ионами водорода, в результате чего основания будут сорбированы, а вытесненные ионы водорода перейдут в раствор и увеличат кислотность почв до исходного уровня. Таким образом, буферность косвенно служит критерием загрязнения почвы.

Почвенные загрязнения антропогенного характера можно разделить по источнику их поступления в почву:

1. с атмосферными осадками. Многие химические соединения, попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву. Это в основном газы – оксиды серы, азота и др. Большинство из них не просто растворяются, а образуют кислоты;

2. осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают в виде пыли и аэрозолей. Котельные и автомобили значительно пополняют почвенные загрязнения;

3. с растительным опадом. Вредные соединения в любом агрегатном состоянии поглощаются листьями через устьица или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают опять в почву;

4. мусором, выбросами, отвалами, отстойными породами. В эту группу входят различные загрязнения смешанного характера, включающие как твердые, так и жидкие вещества, засоряющие поверхность почвы, затрудняющие рост растений на этой площади;

5. тяжелыми металлами (кадмием, медью, хромом, никелем, кобальтом, ртутью, мышьяком, марганцем). Данный вид загрязнений представляет значительную опасность для человека и других живых организмов, т.к. тяжелые металлы нередко обладают высокой токсичностью и способностью к кумуляции в организме. Наиболее распространенное автомобильное топливо – бензин – включает в себя очень ядовитое соединение – тетраэтилсвинец, содержащий тяжелый металл – свинец, который попадает в почву и накапливается в листьях.

Экологический ущерб от ухудшения и разрушения почв и земель под действием антропогенных (техногенных) нагрузок выражается главным образом в деградации почв и земель; их загрязнении химическими веществами; захламлении земель несанкционированными свалками, другими видами несанкционированного и нерегламентированного размещения отходов.

При любой производственной деятельности происходит механическое разрушение и засорение почвы Поэтому оценку экологического ущерба можно осуществить с помощью методики определения гранулометрического состава почвогрунта (соотношение между типом почвы и содержанием в ней физической глины размером < 0,01мм), содержания гумуса в ней и выявления водородного показателя почвы (таблицы 4.14, 4.15).

Таблица 4.15 - Нормативы стандарту отражающие соотношение между типом почвогрунта и содержанием глинистых частиц размер < 0,01мм (П. В. Дебело, В.И. Бударникова, 2010)

Наименование почво-грунтов	Содержание глинистых частиц, в % по весу (размер < 0,01 мм)
Песок	Менее 3
Супесь	3-10
Суглинок легкий	10-30
Суглинок легкий	30-45
Суглинок тяжелый	45-60
Глина легкая	60-75
Глина средняя	75-85
Глина тяжелая	Более 85

Для справки:

Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и почвенных организмов, на скорость и направленность происходящих в ней химических и биохимических процессов.

В природных условиях рН почвенного раствора колеблется от 3 (в сфагновых торфах) до 10 (в солонцовых почвах). Чаще всего кислотность не выходит за пределы 4-8.

Дикорастущие растения получили название индикаторных, поскольку по ним можно судить о характере и состоянии почвы, на которой они произрастают (см. таблица 4.12).