Особенности почв, как средства сельскохозяйственного производства

Почву рассматривают, как исторически сложившееся тело и средство сельскохозяйственного производства. Почва, как естественноисторическое тело, характеризуется длительностью своего развития, закономерным ходом эволюции, саморегулированием и саморазвитием. Почвы, имеющие разную предысторию развития, имеют, как правило, неодинаковое плодородие и по-разному реагируют на удобрения и мелиоранты. Для прогноза изменения качества земель в ближайшем будущем и на перспективу необходимо рассмотрение почвы, как исторически сложившегося тела, знание генезиса почв.

Почва, как средство сельскохозяйственного производства, имеет свои особенности. Это непереносимость, так как даже 30-сантиметровый слой с 1 га весит около 3000 т. Большое значение имеет связь свойств почв и их качества с факторами почвообразования, при изменении которых меняется и ценность почв. Агрономически важные свойства почв меняются как в сезонной динамике, так и в течение ряда лет, в пространстве – в пределах поля и с глубиной. Свойства почв влияют на растения, а растения, в свою очередь, влияют на почву, что не характерно для других средств сельскохозяйственного производства. Почва обладает многофункциональностью и в связи с этим при использовании ее для разных целей имеет различную стоимость. Следует признать, что взаимосвязь почв с факторами внешней среды, растениями делает процессы, протекающие в почвах, очень сложными, которые до настоящего времени не описаны корректно с использованием алгоритмов и программ для ЭВМ. Это не позволяет в полной мере учитывать их в прогнозах и при определении стоимости земель.

При интенсивном ведении сельскохозяйственного производства к почвам предъявляются новые требования. Участок поля должен иметь удобную для обработки конфигурацию, размер поля, как правило, не должен быть меньше 20 га; участок должен быть выровнен по мезо- и микрорельефу. В противном случае, в каждой микро- и мезозоне возникает свой комплекс свойств почв, растения находятся на разной фазе развития. В связи с этим одновременное применение на всем поле подкормок, средств защиты растений не дает должного эффекта. В связи с пестротой почвенного покрова в пределах поля, урожай на отдельных участках может колебаться от 5 до 50 ц зерна. К аналогичному эффекту приводит и разный уровень грунтовых вод в пределах поля.

В период интенсивной химизации почвы должны быть устойчивы к орошению, усиленным обработкам, внесению удобрений, почвоутомлению при длительном развитии монокультуры. У почв должна быть хорошо выражена способность к интоксикации ядохимикатов, тяжелых металлов; способность к сохранению высокой биологической активности; высокая антипатогенная функция. Все эти показатели определяются соответствующими буферными свойствами почв.

При различной степени интенсификации сельскохозяйственного производства наибольшее значение имеют и определенные свойства почв, которые, в первую очередь, приходится учитывать при балльной оценке почв. При экстенсивном ведении сельскохозяйственного производства наиболее важное значение имеют такие показатели, как гранулометрический состав почв, рН, засоленность, солонцеватость. Без их оптимизации невозможно получение даже удовлетворительных урожаев. Однако в данном случае подчиненное значение имеет определение в почве содержания подвижных форм микроэлементов, физические и биологические свойства почв.

При усилении интенсификации сельскохозяйственного производства (для получения урожаев не 15, а 30-40 ц/га) большое значение имеет питательный режим почв, так как на полях, где планируется получение таких урожаев, физико-химические свойства почв должны быть в достаточной степени оптимальны. Для получения урожаев 100-150 ц зерна с гектара, помимо оптимизации ранее указанных параметров, большое значение имет обеспеченность растений микроэлементами, биологическая активность почв, их водно-физические свойства. Большое значение в данном случае имеет корректировка питательного режима в течение вегетации с учетом меняющихся требований растений и непредсказуемых изменений погодных условий.

Модели состояния элементов в почвах

При оценке генезиса почв, их эволюции, плодородия, степени деградации изучают свойства почв, почвенные и почвообразовательные процессы, почвенные режимы и модели состояния соединений ионов в почве или, в общем виде, модели состояния почв. Под последним показателем подразумевается оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для достижения максимальной биопродуктивности угодий при сохранении экологической и экономической целесообразности. Такое определение дается для моделей плодородия почв. Очевидно, что модели плодородия будут отличаться для разных типов и разных групп почв, климатических условий, уровня интенсификации производства, доя отдельных групп культур и т.д.

Под моделью состояния почв для оптимального осуществления ими одной из экологических функций понимается оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв для достижения максимальной эффективности выполнения почвами изучаемой экологической функции при условии экологической и экономической целесообразности изменения интенсивности осуществления других экологических функций. С этой точки зрения, можно рассматривать модели отдельных свойств почв и равновесий – модели кислотно-основного, окислительно-восстановительного состояния почв, состояния свинца, кадмия и т.д. в почвах. В этом случае можно говорить и о приемлемом, допустимом (с экологической и экономической точек зрения) состоянии в почвах свинца, кадмия и т.д.

Таким образом, наиболее полно состояние соединений любого иона в почве должно оцениваться не только с учетом факторов емкости, интенсивности, кинетики, буферных свойств, фактора мобильности, гистерезиса, возобновляющей способности почв, но и с учетом процессов и режимов, ответственных за поведение этого иона в экологической системе. То есть следует выделять процессы и режимы, модели состояния железа, кальция, свинца и т.д. в почвах, которые, очевидно, будут отличаться для выполнения почвами разных экологических функций. Например, оптимальное содержание подвижных фосфатов в почве определяется поиском экстремума в 3-координатном графике – оптимум для повышения урожая, оптимум для плодородия почв, оптимум для экологической системы.

В свою очередь, оптимум для каждого компонента экологической системы определяется поиском экстремума в координатах – десорбция элемента, состояние элемента, сорбция элемента в почве. Оптимум состояния элемента определяется в координатах – количество элемента в подвижной форме, прочность его связи с твердой фазой, скорость перехода из твердой фазы в раствор. При этом, вытеснение фосфатов из почв растворами десорбентов (Х₁) определяется следующей зависимостью Х₁ = f (pH, Eh, I, t⁰, t, C, b …), где I - ионная сила, t - время, t⁰ - температура, С – концентрация десорбента, b - комплексообразующая способность десорбента.

Сорбция фосфатов почвой (Х₂) описывается следующей зависимостью: Х₂ = f (C, t, Q_P, h, I, W^-1, K), где С – концентрация фосфатов в растворе (доза удобрений), Q_P - сорбционная емкость по отношению к фосфатам; t - время, h - кинетическая константа скорости сорбции фосфатов, I - прочность связи сорбируемых фосфатов с твердой фазой почвы, W - влажность почвы, t⁰ - температура, К – константа равновесия протекающей реакции.

Обеспеченность растений фосфатами на исследуемых почвах (Х₃) описывается следующей зависимостью: Х₃ = f (I^-1, K, Q, g, П^-1), где I - прочность связи фосфатов с почвой, К – константа скорости перехода ионов из почвы в раствор, Q - количество подвижных фосфатов в твердой фазе; g - в растворе десорбента; П – потребность растений в фосфатах. Поглощение фосфатов растениями (Х₄), в первом приближении, описывается следующей зависимостью: Х₄ = f (K₁, K₂, K₃) : k₁, k₂, k₃, где К₁, К₂, К₃ – константы равновесия в системах твердая фаза почвы – почвенный раствор, почвенный раствор – корень, корень – надземные органы; k₁, k₂, k₃ – соответствующие константы скоростей рассматриваемых реакций.

Комплексная оценка состояния соединений ионов в почве

При увеличении антропогенного воздействия все более услож­няются взаимосвязи в системе почва и в системе почва-растение. Возникают новые проблемные ситуации, характерные для периода ин­тенсивного ведения сельскохозяйственного производства.

1. При высокой степени химизации начинает более ярко прояв­ляться ее скрытое отрицательное действие, обусловленное увеличе­нием концентрации ряда токсичных элементов, потерей гумуса, ост­руктуренности, связыванием ряда микроэлементов в трудно-раствори­мые осадки, нарушением оптимального соотношения ионов в почвен­ном растворе, загрязнением сельскохозяйственной продукции, ок­ружающей среды.

2. Применение в широких масштабах осушения и орошения при­водит к значительному нарушению экологической обстановки и, в ряде случаев, к падению плодородия почв. Для прогноза эволюции почв, происходящих изменений, расчета взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой необходима углубленная оценка свойств почв и состояния соединений ионов в почве. Комплексная характеристика состояния ионов в почве включает в себя оценку по следующим па­раметрам: факторам емкости, интенсивности, кинетики, буферным свойствам. Под фактором емкости понимается оценка содержания элементов в почве, входящих в состав различных соединений. Опре­деляется содержание валовых, подвижных, усвояемых форм соедине­ний ионов.

Под усвояемыми понимаются те формы соединений элементов, которые усваиваются растениями. Их содержание выражается в мг/кг, мг/100 г, в % от содержания подвижных форм. Усвояемость элемен­та растениями зависит от свойств почв, климатических условий, фазы развития растений, вида и сорта растений. Знание содержания подвижных форм соединений элементов в почве позволяет оценить обеспеченность почв элементами питания, необходимыми для получе­ния планируемого урожая, масштабы миграции и закрепления элемен­тов твердой фазой почвы. В агрохимической службе для различных почв с целью вытеснения подвижных форм соединений элементов ре­комендуются селективные вытяжки, содержание элемента в которых, в наибольшей степени, коррелирует с урожаем. Знание количества по­движных и усвояемых форм соединений элементов в почве позволяет рассчитать дозы удобрений с учетом использования элементов пита­ния из почвы.

Для оценки генетических особенностей почв, трансформации соединений ионов в почве и вносимых удобрений и мелиорантов оп­ределяют фракционный состав соединений ионов в почве. При этом оценивается, с какими ионами противоположного заряда связан изу­чаемый катион или анион и с какими компонентами он связан в твердой фазе.

Знание фракционного состава соединений ионов в почве позво­ляет идентифицировать отдельные типы почв, оценить трансформацию внесенных в почву удобрений и мелиорантов, рассчитать мероприя­тия по регулированию фракционного состава с целью его оптимиза­ции - созданию в почве соединений, доступных для растений, но, в то же время, не мигрирующих интенсивно за пределы почвенного про­филя, не вызывающих явления токсикации живых организмов.

Ионы в почве могут находиться в свободном состоянии (их ко­личество определяется константами обмена, диссоциации и произве­дениями растворимости имеющихся в почве соединений), а также в виде комплексов, ассоциатов, в сорбированном состоянии на колло­идах, крупных молекулах, в составе живых организмов, в поглощен­ном состоянии на твердой фазе почвы за счет сил физической, ме­ханической, физико-химической, химической сорбции. Содержание элементов в почве выражается, как правило, в мг, мг-экв на на­веску почвы. В то же время в ряде случаев перспективно выражение в мг-экв на 1 м² поверхности почв, на единицу положительного и отрицательного заряда почв, на 100 г илистой фракции.

Под фактором интенсивности понимается оценка прочности свя­зи элемента с твердой фазой почвы, которая выражается в ккал, кДж на 1 г-ион, на 1 г-моль. Как правило, доступные для растений элементы питания связаны с ППК с прочностью связи менее 10 ккал/г-ион, прочно связанные недоступные - более 100 ккал/г-ион. В почвоведении и агрохимии довольно широко принято определение фосфатных, калийных, известковых "потенциалов", ко­торые оценивают изменение свободной энергии при переходе иона из твердой фазы в раствор и характеризуют состояние соединений ионов в почве с энергетической точки зрения. Оценивая затраты, которые необходимо произвести растению для роста и развития на исследуе­мой почве с энергетической точки зрения, можно дать энергетичес­кую оценку плодородия. Перспективность такой оценки обусловлена тем, что все параметры состояния в системе почва-растение оцени­ваются единой энергетической мерой. Наиболее плодородной счита­ется такая почва, при развитии на которой растения вынуждены затратить меньше энергии для обеспечения себя всеми факторами жизни, обусловленными почвой. При этом и больше солнечной энер­гии может быть аккумулировано в урожае.

Под фактором кинетики понимается оценка скорости протекаю­щих в почве процессов. В ряде случаев, возможно более быстрое поглощение растениями элементов питания из раствора, по сравнению со скоростью их перехода из твердой фазы в раствор, из менее мо­бильной в более мобильную форму. В этом случае наблюдается угне­тение роста и развития растений. В почве протекают внешне-диффу­зионная кинетика, определяемая скоростью движения ионов в раст­воре; внутри-диффузионная кинетика, определяемая скоростью движе­ния ионов внутрь почвенных частиц, в твердой фазе; химическая кинетика различных порядков, определяемая скоростью протекания химических процессов. Значительная часть процессов в почве конт­ролируется внутри-диффузионной кинетикой и химической кинетикой первого порядка. Знание кинетики почвенных процессов позволит подойти к созданию ингибиторов и катализаторов отдельных проте­кающих в почве реакций, регулировать скорость процессов в почве, создавать удобрения и мелиоранты с заданной оптимальной для дан­ной почвы и культуры скоростью растворения.

Буферные свойства почв оцениваются по всем почвенным пара­метрам и имеют важное агрономическое значение. Наиболее часто определяется калийная и фосфатная буферная способность по Бекетт, буферность почв в кислом и щелочном интервалах. При изучении бу­ферных свойств почв изучаются буферность, буферная емкость. Под буферностью почв понимается способность почв противостоять изменению ак­тивности компонентов (прочности связи, скорости перехода из твердой фазы в раствор), под влиянием влажности, температуры и других условий внешней среды. Например, в одной почве при затоп­лении содержание подвижного железа может увеличиться в 10 раз, а в другой только на 20%, что важно для прогноза плодородия почв. Следует отметить, что в различных интервалах времени, температу­ры, влажности величины буферности неодинаковы. Буферная емкость почв характеризует способность почв противостоять изменению ак­тивности компонента (величины фактора интенсивности, кинетики) при добавлении этого компонента в почву.

Оценивая позитивную буферную емкость, можно рассчитать дозы удобрений и мелиорантов, необходимых для создания почв с задан­ными свойствами, рассчитать вероятность изменения реакции среды при применении физиологически кислых и щелочных удобрений.

Характеризуя уровень разработки комплексной характеристики состояния ионов в почве, следует указать на наличие ряда нере­шенных проблем, которые наиболее ярко проявляются при интенсив­ной химизации производства. При увеличении интенсификации произ­водства изменяется один из важных факторов формирования почв. Очевидно, оптимальные свойства почв при этом не могут оставаться постоянными. В настоящее время этот вопрос находится в стадии разработки. В указанных условиях урожай начинает лимитироваться новыми параметрами плодородия, для изучения которых необходимы и новые методы. При освоении новых регионов в сельскохозяйственное использование вовлекаются почвы с неизученными свойствами, для анализа которых также требуется свой метод анализа.

Все более ярко проявляется закономерность, согласно которой оптимум по одному из параметров почвенного плодородия меняется при изменении других параметров, что, к сожалению, не нашло пока должной теоретической и практической проработки. В оценке состо­яния соединений ионов в почве начинает развиваться направление изучения "живых" почв, "живой" системы почва – корни - стеб­ли - листья, анализа гравитационных, электрических, осмотических, биологических, концентрационных полей в почве; анализа и регули­рования плодородия с учетом почвенных режимов и процессов, структуры почвенного покрова.

Оптимальные свойства почв

Для нормального развития растений необходимо оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв. При этом оптимумы свойств почв относительны. Они зависят от вида культур (и даже фаз их развития и сортов), климатических условий, сочетания всех свойств почв. Однако с учетом указанных факторов оптимумы свойств почв известны недостаточно. Сельскохозяйственное использование почв под большинство культур лимитируется при содержании частиц < 0,01 мм (физической глины) более 85% и менее 5%; содержании гумуса для большинства почв менее 1%; степени солонцеватости более 10%; содержании водорастворимых солей более 1%; рН меньше 4,0 и больше 9,0; ОВ потенциале менее 200; токсичных концентрациях железа, марганца, алюминия; плотности почв более 1,5 г/см³; скважности менее 40%; влажности менее 30 и более 90% от полной влагоемкости; содержании в почвенном воздухе кислорода менее 5% и углекислого газа более 7%; аэрации менее 10%; мощности мелкозема менее 20 см; уклоне более 10⁰; на глеевых почвах, солонцах, солончаках, солодях; показателе загрязнения почв Z_C = 32-128; содержании камней более 50 м³/га; при доле в почвенном покрове поля более 50% почв, непригодных для с/х использования, при площади поля менее 1 га, при агрономической несовместимости контуров в пределах поля, емкости поглощения катионов менее 2 мг-экв/100 г почв, глубине грунтовых вод ближе 50 см; чаще при средней температуре почвы за вегетационный период более 35⁰ и менее 10⁰С.

По данным Каштанова А.И. с соавторами (2001), допустимыми параметрами водно-воздушного режима почв являются: 1) плотность пахотного горизонта (г/см³) для легких почв 1,3-1,4; для среднесуглинистых – 1,2-1,3; для тяжелосуглинистых и глин – 1,1-1,25; 2) плотность подпахотного слоя для легких почв – 1,4-1,5; для остальных – 1,2-1,3; 3) общая порозность (в % от объема почвы) 50-55%; 4) порозность аэрации (в % от общей порозности для пахотного слоя) 18-25%; для подпахотного – 12-17; 5) водопроницаемость (коэффициент фильтрации, м/сутки) – 0,15-0,75; 6) уровень грунтовых вод – 60-100 см; 7) затопление посевов летом: для зерновых – менее 0,5 сут.; для силосных и корнеплодов – менее 0,8 сут.; для многолетних трав – менее 1,8 сут.; 8) затопление пахотного слоя летом – для сенокосов трое суток; для других культур – менее 1,5.

Для нормального развития растений почвы должны иметь достаточное количество элементов питания, небольшую плотность, достаточное для растений количество воды и воздуха. Развитие растений не должно угнетаться неблагоприятными физико-химическими свойствами почв, повышенным содержанием подвижных соединений железа, марганца, алюминия, тяжелых металлов, повышенной засоленностью и солонцеватостью почв. Почвы не должны содержать в большом количестве возбудителей болезней, вредителей и сорняков.

Как указывалось ранее, оптимальные свойства почв различаются для отдельных почв, регионов, культур уровня интенсификации производства. Это иллюстрируется следующими данными.

Таблица

Интегральная модель оптимальных свойств дерново-подзолистых легко и

среднесуглинистых почв (Кулаковская Т.Н., 1990)

Показатель

Оптимальные значения

контурность эродированность завалуненность Ап А2 структурность гумус N Р2О5 К2О микроэлементы подвижный магний рН S водно-воздушный режим

не менее 15-20 га отсутствует, слабо выражена отсутствует, менее 103/га 25-30 см отсутствует содержание водопрочных агрегатов > 0,25 мм 70-80% 2-2,5%; запас 60-70 е/га; Сг:Сф = 1,1-1,2 доступные формы N-NO, NH4 – 3-4,5 мг/100 г; 100-120 кг/га; потребление из почв за вегетацию 50-60 кг/га 25-30 мг/100 г по Кирсанову; 600-700 кг/га; потребление из почв 60-70 кг/га 20-25 мг/100 г; 500-550 кг/га; потребление из почв за вегета- цию 180-200 кг/га Сu – 3-4; Co – 0,8-1,2; Mg – 0,2-0,4; B – 0,5-0,6; Zn – 6-7 мг/кг 10-12 мг/100 г; 200-250 кг/га рНКС1 = 6-6,5; рНН2О = 6,5-7,0; А1 отсутствует; Нг = 1,5-2 мг-экв/100 г S – 8-12 мг-экв/100 г; V% - 89-90%; Ca/K = 15-17 коэффициент использования годовых осадков – 0,6-0,7 запас продуктивной влаги в слое 0-50 см – 130-150 мм; плотность – 1,1-1,2 г/см3; порозность – 50-55%; воздухоемкость – 25-30%

Таблица

Показатели, определяющие окультуренные и высоко окультуренные

дерново-подзолистые суглинистые почвы (Муха В.Д., 1994)

Показатель	Окультуренные почвы	Высоко окультуренные почвы
технологические площадь поля, га контурность полей, км эродированность физической глины в % в Ап в С в породе, подстилающей с 1 м - « - с 0,5 м мощность Ап водно-воздушный режим запас продуктивной влаги на начало вегетации 0-100 см общая порозность, % агрофизические плотность содержание водопрочных агрегатов > 0,25 мм в Ап агрохимические, биологические, мелиоративные гумус, % Сгк:Сфк азот легкогидролизуемый, мг/100 г азот – возможное потребление за веге- тацию, кг/га Р2О5 – возможное потребление за вегетацию, кг/га К2О – возможное потребление за веге- тацию, кг/га рН Нг, мг-экв/100 г V, % Е, мг-экв/100 г количество полезной микрофлоры, млн экз. на 1 г уровень залегания верховодки, м продуктивность зерновых, т/га	10-25 0,6-0,8 слабая, нет 20-50 40-50 20 10 20-25 120-130 45-50 1,3-1,2 40-50 2,0-3,0 0,6-0,8 4-6 - - - 5,0-5,5 3-5 60-80 12-18 5-8 2,5-3,0 2,0-2,5	25-30 0,6-0,8 отсутствует 30-40 30-40 20-30 30-50 25-30 120-130 50-55 1,1-1,2 70-80 2,5-5,0 1,1-1,3 6-10 50-60 60-70 180-200 5,5-6,5 1,5-2,0 80 20-30 8-10 3-5 3,0-4,5

Оптимальные свойства различны для почв разного гранулометрического состава. Оптимальные свойства почв отличаются для различных сельскохозяйственных культур. На основании свойств почв оценивается степень их окультуренности почв, которая в значительной степени определяет и сельскохозяйственную ценность почв. Однако, следует отметить, что степень окультуренности почв, а следовательно, их ценность в агрономическом отношении не могут быть определены только по тем параметрам, которые указаны в ранее приведенных таблицах.

При оценке стоимости почв и их балльной оценки на основании их свойств, процессов и режимов необходимо выбирать для анализа наиболее стабильные показатели, которые не изменяются очень сильно как в сезонной динамике, так и в пространстве, не могут быть легко изменены в процессе сельскохозяйственного использования. В то же время, следует выбрать такие показатели, которые не только отражают генезис почв, но и существенно влияют на плодородие и урожай сельскохозяйственных культур.

Оптимальные величины показателей свойств почв относительны и зависят от многих факторов. В большинстве развитых стран оптимальное содержание подвижных форм элементов питания зависит как от выращиваемой культуры, так и от гранулометрического состава почв, рН, емкости поглощения катионов, содержания гумуса, соотношения с другими элементами питания. Для правильной оценки качества почв на основании их физико-химических и агрохимических свойств необходим и правильный выбор десорбентов для оценки обеспеченности почв элементами питания.

Градации обеспеченности элементами питания относительны и меняются от рН, Eh, гранулометрического состава, емкости поглощения, гумусированности, плотности, влажности, температуры почв, сорбционных свойств корневых систем выращиваемых культур.

Оптимальное содержание элементов в растворе возрастает с увеличением величины показателей почв, препятствующих их переходу в подвижное и усвояемое растениями состояние. Например, величина оптимального содержания подвижных фосфатов в почве возрастает с уменьшением температуры, увеличением плотности заряда в почве базоидов, увеличением содержания в почве илистой фракции, аморфных и слабоокристаллизованных гидроокисей, чаще с уменьшением гумусированности; при преобладании фосфатов железа и алюминия с уменьшением рН среды; с увеличением в почве количества доступной влаги, уменьшением селективности корневых систем выращиваемых растений к фосфатам, уменьшением площади рабочей поверхности корней выращиваемых культур, увеличением интенсивности действия любого ингибирующего влияния на растения.

В то же время, очевидно, что на практике количество параметров состояния почв, которое целесообразно определять с экономической точки зрения, ограничено. При оценке качества почв, по данным анализов почвенно-агрохимической службы, приходится использовать те показатели, которые реально определяются на производстве. Естественно, при этом необходимо осознавать и возникающие неточности оценки.

Таким образом, с точки зрения оценки качества почв, следует отметить следующее. Качество почв и их ценность для целей сельскохозяйственного использования определяется степенью приближения сочетания свойств, процессов и режимов почв к модели плодородия. Однако модель плодородия отличается для отдельных типов почв, групп культур, климатических условий и уровня интенсификации сельскохозяйственного производства. Чем больше степень приближения сочетания свойств, процессов и режимов почв к модели плодородия, тем выше балльная оценка почв и ее цена для целей сельскохозяйственного использования. При этом модель плодородия должна подбираться под ту культуру, экологические требования которой больше соответствуют параметрам исследуемой почвы и выращивание на которой дает больший доход. Например, для пойм – овощных культур, для склонов – культур, рекомендуемых зональной почвозащитной системой земледелия и т.д.

При оценке качества почв необходимо учитывать не только свойства, но также протекающие процессы и режимы, существенно влияющие на биопродуктивность почв в настоящее время и в обозримом будущем. С увеличением плодородия исследуемых почв и уровня интенсификации сельскохозяйственного производства при оценке качества почв необходимо определять все возрастающее число показателей, дающих более углубленную характеристику почвенного плодородия. Значимость в формировании урожая, качества и цены почв отдельных параметров почвенного плодородия неодинакова. Она различается для отдельных групп почв, культур, климатических условий, планируемого уровня интенсификации производства. При балльной оценке почв влияние на нее отдельных факторов, в первом приближении, можно рассчитывать по уравнению множественной регрессии: Б = А₁ + вХ₁ + сХ₂ + …, где А – эмпирический коэффициент, в, с – значимость факторов Х₁, Х₂…; Х₁, Х₂ – степени оптимизации фактора (от 0 до 100%). Для уравнения и отдельных его членов указываются лимиты их действия.

Общая постановка задачи. Студенты должны знать модели плодородия основных типов почв России, параметры внешнего воздействия, необходимые для создания свойств почв, соответствующих моделям плодородия, и для поддержания их в процессе с/х использования. Студенты должны уметь объяснить изменение параметров моделей плодородия в зависимости от гидротермических условий территории, для почв разного гранулометрического состава и в зависимости от уровня интенсификации производства.

Список индивидуальных данных. Оптимальные свойства почв для разных почвенно-климатических зон, модели плодородия почв для разных почвенно-климатических зон. Требования отдельных культур к параметрам плодородия почв.

Пример выполнения работы. На основании полученных материалов сравниваются модели плодородия двух типов почв, строятся графики и уравнения регрессии зависимости оптимума рН, содержания подвижных фосфатов, физических свойств почв от гранулометрического состава и гидротермических условий территории. Оцениваются ответы студентов на поставленные вопросы. Обсуждаются закономерности изменения моделей плодородия почв от уровня антропогенного воздействия и почвенно-климатических условий.

Контрольные вопросы к защите

1. Что такое модель состояния почв для эффективного выполнения заданной экологической функции?

2. Что такое модель плодородия почв?

3. Чем отличаются свойства почв, протекающие в них процессы и режимы?

4. Чем отличаются почвенные и почвообразовательные процессы?

5. Как Вы понимаете оптимальные структурные взаимосвязи между свойствами почв; какое значение они имеют при формировании моделей плодородия почв?

6. Почему необходимо учитывать в моделях плодородия почв не только их свойства, но также протекающие процессы и режимы?

7. Что Вы понимает под эффектами синергизма и антагонизма?

8. Что такое эмерджентность при оценке моделей плодородия почв?

9. Почему в моделях плодородия почв необходимо учитывать и указывать затраты на их создание и поддержание?

10. Разъясните, как изменяются модели плодородия почв в зависимости от уровня интенсификации производства?

11. Что Вы понимаете под законом «убывающего плодородия почв»?

12. Разъясните, как изменяются модели плодородия почв от гидротермических условий территории?

13. Почему модели плодородия почв отличаются для разных типов почв и различного гранулометрического состава?

Способ оценки результатов. При защите с первого раза ответ оценивается в 4 балла; каждая последующая попытка оценивается на 1 балл ниже.

Семинар 4 «Экологические ограничения при выборе способов орошения почв»

Модульная единица 17

Требования к содержанию, оформлению и порядку выполнения

При подготовке к семинару следует составить конспект (5-10 страниц) теоретического материала. Для подготовки конспекта используют материалы лекций и главы методических пособий «Почвенная экология» Савич В.И. и др., Орел, 2002, стр. 163-225; «Адаптивно-ландшафтные системы земледелия», Росинформагротех, 2005.

Самостоятельно делаются выводы об экологических- ограничениях при орошении, в связи со свойствами почв, пород, рельефом местности, уровнем грунтовых вод и их составом, составом поливных вод.

Теоретическая часть

Способы орошения почв в значительной степени зависят от свойств почв, рельефа, уровня грунтовых вод и их состава, климатических условий, состава поливных вод. Как указывается в работе «Агроэкологическая оценка земель …» (2005),

При орошении засоленных почв важное значение имеет выбор способов орошения и их комбинаций. Известные способы орошения (поверхностное, дождевание, аэрозольное или мелкодисперсное, внутрипочвенное, субирригация, капельное) имеют определенные преимущества и недостатки, которые следует учитывать сообразно мелиоративным и климатическим условиям.

При всех видах поверхностного орошения - напуском по полосам, бороздам или затоплением вода движется по поверхности почвы.

Преимущество полива по полосам, применяемого на культурах узкорядного, сплошного сева и при влагозарядковых поливах, заключается в том, что равномерный слой воды, покрывающий поверхность почвы, не вызывает перераспределения солей, их миграции к неполитым участкам поверхности. Недостаток этого способа - коркообразование, разрушение структуры, ирригационная эрозия.

Полив по бороздам, применяемый для орошения пропашных культур, плодовых насаждений и виноградников, наиболее экономичен по сравнению с другими видами поверхностного орошения, поскольку позволяет применять значительно меньшие поливные нормы и не требует больших объемов планировочных работ. Он не вызывает столь интенсивного разрушения структуры почвы, как полив по полосам. Недостаток его - выпотевание солей на гребнях поливной борозды, что приводит к страданию растений, особенно проростков.

Наиболее древний способ орошения - полив затоплением применяют для возделывания культур, устойчивых к затоплению, а также для влагозарядки, промывки почв от солей. Этот способ прост, высокопроизводителен, обеспечивает равномерное покрытие поверхности почвы водой, благодаря чему происходит равномерное оттеснение солей в глубокие слои почвы.

Серьезные его недостатки - высокие поливные нормы, опасность быстрого подъема уровня грунтовых вод, развитие анаэробных процессов, ухудшение физических свойств почв.

Данный способ является основным при возделывании риса. При этом на сильнозасоленных почвах с коэффициентом фильтрации менее 0,5 см/сут. применяется режим укороченного затопления, при котором всходы не затапливают. На почвах с коэффициентом фильтрации более 2 см./сут. практикуют прерывистое затопление с интервалом 5-6 суток.

Большими достоинствами характеризуется способ полива растений с применением механизированных дождевальных агрегатов. При дождевании достигается строго нормированная подача воды, не требуется слишком тщательная планировка поверхности почвы, отпадает необходимость устройства выводных и распределительных борозд, повышается коэффициент земельного использования. Недостатки дождевания: неравномерность полива в ветреную погоду и при повышенных поливных нормах, возникновения стока, эрозии. Дождевание нельзя использовать для влагозарядки и промывки засоленных почв. В сухостепных и аридных районах не обеспечивается глубокое промачивание почвы, возникает необходимость увеличения числа поливов, затрат энергии.

Орошение дождеванием даже при небольшой минерализации воды при частых поливах может вызывать засоление почв. Поэтому в сухостепной и полупустынной зонах дождевание сочетают с поверхностным орошением.

Первое используется для проведения вегетационных и освежительных поливов, второе - для влагозарядковых поливов и промывки почв от водорастворимых солей.

Довольно распространенным видом орошения является, так называемая, субирригация - регулирование уровня грунтовых вод на мелиоративных системах с помощью шлюзов. Все большее развитие получают аэрозольное, капельное, внутрипочвенное орошение. Последнее, однако, не применимо на засоленных почвах с близким залеганием минерализованных грунтовых вод.

При капельном орошении также возможно вторичное засоление почвы. Накопление солей происходит по периферии контура увлажнения в результате капиллярного влагопереноса.

Вовлечение засоленных почв в активный сельскохозяйственный оборот путем орошения приводит к сложным их изменениям, которые носят как положительный, так и негативный характер. Общим для всех орошаемых массивов является подъем уровня грунтовых вод. Интенсивность этого процесса зависит от мелиоративных условий, конструкции оросительных систем и характера их эксплуатации. В условиях технически несовершенной водопроводной и распределительной сети при неупорядоченном водопользовании и несоблюдении поливных норм и режимов орошения, скорость подъема уровня грунтовых вод может достигать 1-2 м/год, в то время как при дождевании в условиях закрытой оросительной сети скорость их подъема не превышает 0,2-0,6 м/год.

Вторичное засоление - главная причина неудач при орошении земель в полуаридных и аридных районах земного шара. Оно возникает в результате перемещения к поверхности водорастворимых солей из глубоких слоев почвообразующих и подстилающих пород и грунтовых вод или в результате орошения минерализованными водами. Оно может быть связано и с притоком минерализованных грунтовых вод с вышерасположенных орошаемых массивов.

Угроза вторичного засоления возрастает по мере повышения уровня грунтовых вод и степени их минерализации.

Уровень грунтовых вод, при котором происходит накопление солей в верхних горизонтах почв, приводящее к угнетению и гибели сельскохозяйственных растений, называется критическим.

Этот уровень зависит, прежде всего, от водоподъемной способности грунтов и изменяется, в зависимости от гранулометрического состава, преимущественно, в пределах 1,5 до 3,5 м. При этом наиболее высокой способностью к капиллярному подъему воды характеризуются средние суглинки, особенно лессы (до 3,5 - 4 м); в тяжелосуглинистых породах она снижается до 2 м, в тяжело-глинистых до 1,5 м, в песчаных и супесчаных до 0,5 - 1,5 м.

Критический уровень грунтовых вод зависит также от их минерализации. Чем она выше, тем с большей глубины грунтовые воды могут вызывать засоление почв.

Опасность вторичного засоления возрастает по мере усиления засушливости климата. По данным Зимовца Б.А., при глубине грунтовых вод 1,0-1,5 м и минерализации 3-5 г/л ежегодная прибавка солей в верхнем метровом слое южных черноземов и темно-каштановых почв не превышает 0,03-0,05%, с увеличением минерализации до 7-10 г/л прибавка солей возрастает до 0,07-0,09%.

Для подзоны каштановых и светло-каштановых почв темпы сезонно-годового соленакопления более высокие: при том же уровне и минерализации грунтовых вод они достигают 0,0-0,07%. В то же время, в гидроморфных каштановых почвах многолетняя и сезонно-годовая активность соленакопления остается в 2-3 раза ниже активности соленакопления в гидроморфных почвах сероземной зоны, особенно при глубине грунтовых вод 2-3 м.

Если для регулирования солевого режима орошаемых черноземных и каштановых почв в полугидроморфных условиях можно использовать дождевание, то в пустынных условиях оно не обеспечивает оптимизации водно-солевого режима орошаемых почв ни в автоморфных, ни в гидроморфных условиях, особенно при минерализованных грунтовых водах (5-10%). При близком их залегании к поверхности (2-3 м) за вегетационный период в корнеобитаемом слое накапливается свыше 0,3% солей. Для удаления избытка солей требуется дополнительный влагозарядковый полив поверхностным способом.

Относительно слабая активность сезонно-годового соленакопления в корнеобитаемом слое орошаемых почв сухостепной зоны позволяет использовать субирригацию при пресных и слабоминерализованных грунтовых водах и удовлетворительном их оттоке.

При необеспеченном естественном оттоке грунтовых вод оптимизировать водно-солевой режим глубокозасоленных черноземных и каштановых почв в гидроморфных условиях возможно только на основе инженерного дренажа.

В целом критические параметры солевого режима, зависящие от перечисленных факторов, должны устанавливаться для конкретных условий на основе практического опыта.

Реальная опасность вторичного засоления пахотного слоя черноземных, каштановых почв и солонцов существует при очень слабом естественном оттоке минерализованных грунтовых вод (более 5-7 г/л), залегающих на глубине 1,0-1,5 м и выше. Вторичные солончаковые почвы и солончаки формируются, прежде всего, в богарных вторично гидроморфных условиях, которые наблюдаются на периферии орошаемых массивов, вблизи открытых оросительных каналов, не имеющих защитных средств от инфильтрации.

Солевой режим орошаемых почв в большой мере определяется способами и режимами орошения соответственно глубиной промачивания при орошении. Различают мелкое промачивание - до 0,5 м, среднее промачивание - до 1,0 м и глубокое - более 1,0-1,5 м. При этом глубина промачивания влияет не только на оценку водно-солевого режима корнеобитаемого слоя, но и на гидрогеологическое и геохимическое состояние ландшафта.

При поверхностных способах полива, обеспечивающих, как правило, глубокое промачивание почв, создается промывной режим орошения. В условиях открытой оросительной сети происходят большие потери на инфильтрацию, и при отсутствии дренажа наблюдается подъем уровня грунтовых вод и увеличение их минерализации.

На фоне дренажа интенсивный промывной режим орошения приводит к другим неблагоприятным последствиям. Они связаны с большим расходом пресных поливных вод, активизацией процессов миграции солей из древних аккумуляций, законсервированных в глубоких слоях зоны аэрации, поступлением этих солей в общий гидрогеохимический сток, ухудшением качества речной воды в нижних частях бассейнов рек. Промывной режим орошения на фоне интенсивного дренажа нередко приводит к ощелачиванию почв и грунтовых вод за счет десорбции обменных натрия и магния. При промывном водном режиме почти повсеместно наблюдается ухудшение свойств почв, связанных с разрушением и потерей органического вещества, гипса, карбоната кальция, дезагрегацией структуры почв, уплотнением пахотного и подпахотного горизонтов, выносом питательных элементов.

Иначе складывается водно-солевой режим при дождевании из закрытой оросительной сети, при котором почвы промачиваются на глубину не более 0,5-1 м. В результате орошения широкозахватной техникой с поливной нормой не более 350-450 м³/га в глубокозасоленных черноземных и темно-каштановых почвах формируется непромывной водный режим, обеспечивающий сохранение природных запасов солей на глубине 2 м и более. Периодически промывной водный режим формируется лишь в лугово-черноземных и лугово-каштановых почвах, расположенных в микропонижениях, через которые осуществляется потускулярное (очаговое) пополнение грунтовых вод.

В совокупности задач, которые приходится решать при эксплуатации ирригационных систем в районах массового орошения все более обостряется проблема утилизации дренажного стока, которая ранее не возникала при локальном орошении. Пока что она остается нерешенной ни в технико-экономическом, ни в экологическом аспектах, хотя разрабатываются различные варианты решений, в том числе: сброс минерализованных вод в местные понижения; отвод их в море; закачка в глубоко залегающие водоносные слои; использование на промывку и освоение солончаковых почв; очистка и опреснение, в том числе на атомных станциях.

Важнейшим условием орошения является оптимальное качество оросительной воды. При оценке пригодности воды для полива учитывается опасность засоления, осолонцевания почв, подщелачивания, загрязнения токсичными веществами.

Успех мелиорации засоленных почв зависит от характера их использования в мелиоративный и последующий периоды. Определяющую роль в данном отношении играет выбор культур и технологий их возделывания. Растения облегчают проведение мелиорации уже на начальном этапе. Реставрация засоления на промытых почвах чаще наблюдается в тех случаях, когда после промывки они остаются неосвоенными. При отсутствии значительного растительного покрова усиливается перенос солей к поверхности промытой почвы. Угроза этих вторичных процессов особенно велика, если в почве сохраняется значительное остаточное засоление. В тех случаях, когда необходимо промыть сильнозасоленную почву, опреснение которой не может быть достигнуто в течение одного промывного сезона, применение специальных культур - освоителей особенно важно. При этом, помимо затенения поверхности почвы, существенную роль играет разрыхляющее действие корневой системы, улучшение структуры почвы, фильтрационной способности.

Сильное воздействие на водно-солевой режим и физические свойства почв оказывает культура многолетних трав, особенно люцерны. Она благоприятствует значительному ускорению мелиоративного процесса. Благодаря высокой транспирации (10000-18000 м³/га) на полях с хорошо развитой люцерной в течение вегетационного периода уровень грунтовых вод часто на 70-100 см ниже, чем на соседних полях с пропашными культурами.

В качестве культуры-освоителя, на недопромытых почвах нередко используется подсолнечник, обладающий высокой солеустойчивостью. Он развивает большую массу, потому хорошо затеняет поверхность почвы и улучшает ее свойства. При использовании орошаемых засоленных почв следует стремиться к максимальному сокращению периода, в течение которого почва остается без растительного покрова, поэтому там, где невозможно получить два урожая, следует практиковать пожнивные культуры.

Учитывая повышенную уплотняемость почв при орошении, необходимо предусматривать в системе обработки почвы глубокие вспашки и рыхления.

В качестве важного мелиоративного мероприятия, своего рода "биологического дренажа" следует рассматривать посадку 2-3-рядных лесополос вдоль всех постоянных элементов оросительной сети. Лесные насаждения расходуют большое количество грунтовых вод на транспирацию. Один гектар насаждения древесных пород может транспирировать 10000-20000 м³/га грунтовых вод. Лесополосы вдоль оросительных каналов снижают уровень грунтовых вод на 1 м и более, создавая уклон их к каналу. Кроме того, полосные лесонасаждения уменьшают скорость ветра, ослабляют физическое испарение влаги с поверхности почвы, уменьшают сухость воздуха.

Выбор древесных пород производится с учетом степени засоленности почв.

Длительное использование почв в условиях орошения оказывает существенное влияние на их эволюцию и агрономические свойства. В зависимости от исходного состояния почв, режимов орошения и технологий возделывания сельскохозяйственных культур изменяется их мелиоративное состояние.

При орошении черноземных, каштановых и других почв с глубоким засолением в ирригационно-автоморфных условиях с использованием кондиционных оросительных вод в условиях высокой культуры земледелия, применения органических и минеральных удобрений, травосеяния и сидерации существенных изменений в генетических признаках этих почв не происходит. Компенсация недостатка воды и питательных веществ орошением и удобрениями определяет значительное повышение их производительности. Примеры высокоэффективного использования орошаемых почв достаточно многочисленны, особенно в районах с высокой ирригационной культурой населения.

При различных нарушениях ирригационно-агротехнического комплекса в автоморфных почвах происходит снижение содержания гумуса, питательных элементов (в связи с высоким урожаем и потерями в результате нисходящей миграции), уплотнение почвы, но эти изменения находятся в пределах их генетических характеристик.

Иначе складывается эволюция почв при близких и минерализованных грунтовых водах, а также использовании поливных вод повышенной минерализации. В ирригационно-гидроморфных условиях, не обеспеченных дренажом, в черноземных, каштановых и других почвах формируется новый солевой состав, который отражается не только на родовых, но и типовых признаках. Эти почвы переходят в категорию солонцово-солончаковых. В зависимости от состава и концентрации грунтовых и поливных вод и климатических условий длительность этих преобразований составляет от 2-3 до 8-10 лет.

Сильно снижается производительность почв в результате ощелачивания. В качестве критического уровня, начиная с которого существенно снижается урожайность культур и требуется мелиоративные мероприятия, считается величина общей щелочности 1,4 мг-экв/100г почвы, в том числе токсичной 1,0 мг-экв/100 г.

В условиях щелочной реакции в орошаемых почвах усиливаются потери органического вещества.

При поверхностных способах полива наблюдается заметное повышение плотности почвы. По данным А.Г. Бондарева, на почвах каштаново-солонцового комплекса оно прослеживается до глубины 1,0-1,5 м при наибольших изменениях (на 0,2-0,4 г/см³) на глубине 0,3-0,9 м. При орошении дождеванием увеличение плотности почвы отмечено на глубине до 40-60 см. На уплотнение орошаемых почв наряду с физико-химическими процессами сильное влияние оказывает давление ходовых систем сельскохозяйственной техники.

Специфический характер ухудшения почв связан с периодическими переполивами, когда формируется застойно-промывной водный режим с частой сменой аэробных и анаэробных условий. В результате развивающихся элювиально-глеевых процессов происходит вынос оснований, подкисление среды, повышение дисперсности органического вещества, происходит деградация черноземных и каштановых почв.

Особый путь эволюции претерпевают почвы с высоким исходным засолением, особенно солончаки. Под влиянием комплекса ирригационно-агротехнических мероприятий в них формируются новые режимы свойства, постепенно приближающие их к зональным орошаемым почвам. Однако при нарушении мелиоративных режимов происходит довольно быстрая реставрация процессов засоления, особенно в ирригационно-гидроморфных условиях.

Создание оросительных систем на засоленных почвах часто имеет неблагоприятные экологические последствия, связанные с тем, что дренажный сток транспортирует в водоприемник большие количества солей, различных токсичных соединений (остатков пестицидов и их дериватов, тяжелых металлов). Происходит повышение концентрации солей в водах водоисточников, их эвтрофикация.

В связи с этим весьма актуальна проблема сокращения дренажного минерализованного стока с оросительных систем. Она может быть решена прежде всего путем пересмотра поливных норм, опреснения поверхностных горизонтов способом вмывания, усиления роли биологического дренажа и другими средствами.

Карпенко Н.П. (2005) отмечает, что при действии нескольких факторов деградации на систему чаще отмечается наличие эффектов синергизма. В этом случае функция отклика представляется в виде: У = b₀ + Σb_iX_i + Σb_ij X_iX_j + Σb_ijX_i² + …

Ниже приведена таблица почвенно-мелиоративной характеристики качества оросительных вод по степени их минерализации.

Таблица

Почвенно-мелиоративная классификация качества оросительной воды

(Каштанов А.И. и др.)

Классы качества воды	Минерализация воды (г/л) для орошения почв			Оценка качества воды по степени опасности развития процесса
	с тяжелым мехсоставом и/или ППК > 30	со средним мехсоставом и/или ППК 15-30	с легким мехсоста-вом и/или ППК < 15	засоления	осолонцевания		содообра-зования
				Cl-	Na+ Ca2+	Mg2+ Ca2+	(CO32-+HCO3-) – (Ca2++Мg2+)
I - неопасный II - малоопасный III - умеренно опасный IV опасный	0,2-0,5 0,5-0,8 0,8-1,2 > 1,2	0,2-0,5 0,6-1,0 1,0-1,5 > 1,5	0,2-0,7 0,7-1,2 1,2-2.0 > 2,0	< 2,0 2,0-4,0 4,0-10,0 > 10,0	< 1,0 0,5-1,0 1,0-2,0 > 2,0	< 1,0 1,0-1,5 1,5-2,5 > 2,5	< 1,0 1,0-1,25 1,25-2,5 > 2,5

*) концентрация ионов выражена в мг-экв/л

В нижеследующей таблице приведена характеристика качества оросительных вод по содержанию в них тяжелых металлов.

Таблица

Классификация тяжелых металлов и других элементов по степени опасности

их содержания в воде для орошения (Каштанов А.Н. и др., 2001)

Классы	Характеристика классов	Показатели	ПДК в оросительной воде, мг/л	Лимитирующий признак вредности
				ФТ	Т	ВМ	СТ
1 2 3	малоопасный умеренно опасный опасный	стронций алюминий литий железо* цинк* марганец* хром (Cr3+) молибден* ванадий вольфрам висмут фтор бор* селен никель медь* хром (Cr6+) кобальт* свинец кадмий ртуть мышьяк	7,0 5,0 2,5 5,0(0,3)*3 1,0 0,2 0,5 0,01 0,1 0,)5 0,1 1,0 0,3-3,0 0,02 0,2 0,2 0,1 0,05 0,03 0,01 0,005 0,05	1*1 2.1.1 2.1.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 1.2.3 1.2.2 2 2 2 3.2.1 3.2.1 1.2.2 3.3.2 3.3.2 2.3.3 3.3.2 3 3 3 3	2 1 1 1 3 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3	3.2.2*2 3.2.1 2 3.2.1 3.2.1 3.2.1 2 1.2.3 2.3.3 1 1 3 3 1.2.3 2 3.2.2 2 2.1.1 3.2.2 2.1.1 3.2.2 2.3.3	1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 2 3 3 3 3 3 3 3 3

*)ФТ – фитоопасный, Т – транслокационный, ВМ – водно-миграционный, СТ – санитарно-токсичный

* - микроэлементы; *¹ – индекс опасности: 1 – малоопасный, 2 – умеренно опасный, 3 – опасный; *² – 3.2.2 – индекс опасности для орошения соответственно кислых, нейтральных и щелочных почв; *³ – для капельного орошения

Орошение, безусловно, изменяет солевой профиль почв, их свойства, структуру микробоценозов и, в целом. Все свойства, процессы и режимы почв. Иллюстрацией этого являются материалы представленных рисунков.

Критерии благополучного состояния почв и ландшафтов при мелиорации приведены в работе «Агроэкологическая оценка земель …» (2005)

Таблица

Критерии благополучного экологического состояния почв и ландшафтов

Показатели	Природная зона
	лесостепная	степная	сухостепная	полупустынная	пустынная
содержание гумуса в почве, %	2-3	5-7	3-4	2-3	1,5-2,0
плотность почвы, г/см3		0,10-0,18
степень засоления почвы, %	0,1-0,3	0,1-0,3	0,2-0,3	0,3-0,4	0,3-0,4
рН	6-7	7,0-7,5	7-8	7,5-8,0	7,5-8,3
окислительно-восстановительный потенциал	450-600	400-600	350-500	350-450	350-450
степень осолонцевания
содержание обменного Na+ в % от ЕКО		< 3
поглощенного Mg2+ в % от ЕКО		< 15
кКальциевый режим, отклонение от природного, %		< 5
глубина до грунтовых вод, м	4-5	8-10	5-7	5-6	4-5
пределы регулирования влажности почвы, доли НВ	0,7-.0,9	0,7-0,8	0,7-0,85	0,7-0,85	0,7-0,9
отношение оросительной нормы к осадкам	0,1-0,2	0,3-0,5	0,6-1,0	1,5-2,0	–
оросительная норма М, мм	60-100	130-270	400-590	500-670	690-880
минерализация поливной воды, г/л	1-2	0,5-0,7	1	–	–
нисходящий ток воды, мм	40-60	30-40	40-80	80-100	100-110
ирригационное питание на уровне грунтовых вод, доли М	0,08-0,1	0,1-0,15	0,20-0,25	0,25-0,50	0,25-0,50
инфильтрационное питание, доли М	0,05-0,25	0,05-0,08	0,08-0,13	0,13-0,20	0,13-0,20
отношение дренажного стока к питанию грунтовых вод	0,68-0,95	0,75-0,93	0,85-0,91	0,80-0,87	0,80-0,87
влагообмен между почвой и грунтовыми водами, доли испарения	0,05-0,1	0,05-0,1	0,05-0,1	0,05-0,15	0,10-0,15
допустимые пределы изменения УГВ, м
подзоны: бессточная	0,3-0,5	0,3	0,5	0,5	–
дренированная	0,5-1,0	0,5-1,0	1,0-1,5	1-3	–
интенсивно дренированная	1-3	1-2	1,0-1,5	1.3	–

Показатели благополучного экологического состояния почв приведены в следующей таблице.

Таблица

Показатели благоприятного экологического состояния почв

Ландшафтно-географические зоны	Нисходящий поток – q, мм	Экологически благоприятные оросительные нормы (при среднемноголетних осадках и сохранении R*=(0,9-1,1)	Степень засоления почв, С,%	Экологически допустимые глубины уровня грунтовых вод, м	Содержание гумуса, %	Пределы регулирования влажности корнеобитаемого слоя почвы в долях НВ	рН	Окислительно-восстановительный потенциал, Eh
лесостепная	40-60	60-100	0,1-0,3	4-5	2-3	0,7-09	6,0-7,0	450-600
степная	30-40	130-270	0,1-0,3	8-10	5-7	0,7-0,8	7,0-7,5	400-600
сухостепная	40-80	400-590	0,2-0,3	5-7	3-4	0,7-0,85	7,0-8,0	350-500
полупустынная	80-100	500-670	0,3-0,4	5-6	2-3	0,7-0,85	7,5-8,0	350-450
пустынная	100-110	690-880	0,3-0,4	3-4	1,5-2	0,7-0,9	7,5-8,3	350-450

При анализе экологических последствий мелиораций учитывают следующие элементы (факторы) геосистемы.

Таблица

Типизация элементов геосистем для анализа мелиоративных воздействий

Компонент геосистемы	Элементы (факторы) геосистемы
1. земли, почвы	1.1. земельные угодья 1.2. свойства почв 1.3. засоление и загрязнение почв 1.4. заболачивание почв 1.5. вынос солей с дренажными водами 1.6. сработка и сгорание торфяной почвы 1.7. эрозия почвы
2. поверхностные воды	2.1. меженный режим рек 2.2. режим половодий 2.3. регулирование речного стока 2.4. водный режим пойм 2.5. водный баланс 2.6. загрязнение вод
3. подземные воды	3.1. понижение уровней грунтовых вод 3.2. подъем уровней грунтовых вод 3.3. подтопление земель 3.4. засоление грунтовых вод 3.5. ресурсы подземных вод 3.6. качество и загрязнение подземных вод
4. атмосферный воздух	4.1. загрязнение воздуха 4.2. запыление и задымление 4.3. загрязнение токсичными веществами 4.4. климат приземного слоя
5. животный мир	5.1. места обитания и размножения животных 5.2. миграция животных 5.3. редкие и новые виды фауны 5.4. рыбные ресурсы 5.5. охотничьи ресурсы
6. Растительность	6.1. мелиорируемые земли 6.2. флора прилегающих земель 6.3. редкие (реликтовые) территории 6.4. водная растительность 6.5. биоразнообразие
7. рельеф и литологические условия	7.1. овраги 7.2. абразия и переработка берегов 7.3. оползни, карст 7.4. переформирование русел и дейгиш 7.5. деформация грунтов
8. санитарно-эпидемиологическая обстановка	8.1. питьевая вода 8.2. очаги болезней 8.3. экология и распространение болезней 8.4. контроль болезней 8.5. болезни животных
9. социально-экономическая структура	9.1. население, инфраструктура 9.2.экономические показатели 9.3. региональное развитие 9.4. рекреационные ресурсы

Влияние орошения на экологические взаимосвязи в биогеоценозах в обобщенном виде приведено в следующей таблице.

Таблица

Влияние водохозяйственных объектов и орошения на экологические типы

взаимосвязи гидрогеохимических потоков геологического (ГК) и биологического

(БК) круговоротов

Экологические типы взаимосвязи гидрогеохимических потоков между ГК и БК	Характеристика взаимосвязи гидрогеохимических потоков между ГК и БК	Влияние на гидрогеохимический режим ландшафтов и бассейнов	Влияние на почвообразование
экологически благоприятный (близкий к естественному)	сохраняется близкая к естественной ритмика гидрогеохимических потоков с отклонениями до 10% от 30-40 летних ритмов	сохраняется близкой к естественной структуре и ритмике водно-солевых балансов	почвообразовательные процессы сохраняются близкими к естественным, повышается плодородие и продуктивность орошаемых почв
экологически допустимый	вынос химических веществ и питательных элементов из БК в ГК в пределах 10-20% амплитуд естественных 30-40 летних ритмов, а также возможно сезонное поступление солей из ГК в БК	сдвиг в структурах водно-солевых балансов в пределах 10-20% амплитуд 30-40 летних естественных ритмов	возможны местные процессы деградации почв на площади до 10%
экологически предельно допустимый (обратимый)	нарушение природных связей между ГК и БК достигает 20-50% амплитуд 30-40 летних ритмов	сдвиги в структурах водно-солевых балансов достигают 20-50% амплитуд 30-40 летних природных ритмов	прогрессирующая деградация почв с охватом 10-50% почвенного покрова мелиорированных земель с распространением на прилегающие земли
катастрофический (необратимый)	интенсивный вынос веществ из БК в гидрогеохимические потоки ГК, превышающие 50% амплитуд 30-40 летних ритмов	полное разбалансирование гидрогеохимических потоков при нарушениях структур водно-солевых балансов (более 50% амплитуд 30-40 летних ритмов)	деградация более 50% почвенного покрова на орошаемых и прилегающих к ним землях

Оценка состояния при орошении экосистем с учетом возможного экологического риска приведена в таблице .

Таблица

Оценка состояния геосистем с учетом возможного экологического риска

(в долях единицы)

Иерархический уровень геосистемы	Экологические риски	Величина прием-лемого риска Rприем	Состояние геосистемы с учетом величин экологического риска
			экологически безопасное (устойчивое) R Rприем	экологически опасное (неустойчивое) R Rприем	экологически кризисное R Rприем
региональный	риск площадного развития опасных экологических процессов	0,05	<0,05	0,05-0,2	>0,2
локальный	риск площадного развития подтопления	0,1	<0,1	0,1-0,3	>0,3
	риск площадного развития процессов вторичного засоления	0,05	<0,05	0,05-0,25	> 0,25
	риск площадного развития осолонцевания (слабоосолонцован- ных почв)	0,15	<0,15	0,15-0,30	>0,30
	риск площадной деградации почв (по физическим свойствам и содержанию гумуса)	0,02	<0,02	0,02-0,20	>0,20

Обобщенные данные о степени подтопления земель с учетом типов режимов почвообразования зональных почв приведены в работе «Агроэкологическая оценка земель …» (2005).

Таблица

Степень подтопления земель с учетом типов режимов почвообразования

зональных почв

Природные типы гидрогеологического режима	Степень подтопления при глубинах грунтовых вод, м
	неподто-пленные	слабое	среднее		сильное		очень сильное
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- лесостепная зона – черноземы выщелоченные и оподзоленные
автоморфный	6-7	5-6		4-5		3-4		2-3
субавтоморфный	5-6	4-5		3-4		2-3		1-2
автоморфно-гидроморфный	4-5	3-4		2-3		2		1-2
лугово-черноземные почвы
субгидроморфный	3	2-3		1-2		1		1
степная зона - черноземы и темно-каштановые почвы
автоморфный	9-10	8-9		7-8		6-7		5-6
субавтоморфный	8-9	7-8		6-7		5-6		4-5
автоморфно-гидроморфный	6-7	5-6		4-5		3-4		2-3
черноземно-луговые почвы
субгидроморфный	4-6	3-4		3		2		1
лугово-черноземные почвы
	3-4	2-3		1-2		1		1
сухостепная зона – каштановые почвы
автоморфный	8-9	7-8		6-7		5-6		4-5
субавтоморфный	7-8	6-7		5-6		4-5		3-4
автоморфно-гидроморфный	6-7	5-6		4-5		3-4		2-3
каштановые луговые почвы
субгидроморфный	4-6	3-4		3		2		21
лугово-каштановые почвы
гидроморфный	3-4	2-3		1-2		1		> 1
полупустынная зона – светло-каштановые, комплексные солонцеватые почвы
автоморфный	7-8	6,5-7		6-6,5		5,5-6		5-5,5
субавтоморфный	6-7	5,5-6		5-5,5		4,5-5		4-4,5
автоморфно-гидроморфный	5-6	5-5,5		4,5-5		4-4,5		3,5-4
субгидроморфный	4-5	4-4,5		3,5-4		3-3,5		2,5-3
гидроморфный	3-4	3-3,5		2,5-3		2-2,5		1-2
пустынная зона – бурые почвы
автоморфный	7-8	6-7		5-6		4-5		3-4
субавтоморфный	6-7	5-6		4-5		3-4		2-3
автоморфно-гидроморфный	5-6	4-5		3-4		2-3		1-2
солонцеватые
субгидроморфный	4-5	3-4		2-3		1-2		< 1
засоленные
гидроморфный	3-4	2-3		1-2		1		< 1

Общая постановка задачи. Обосновать экологические ограничения при орошении почв сухостепной и степной зон, обусловленные типом почв, их свойствами, рельефом, составом пород, химическим составом оросительных вод, уровнем грунтовых вод и их засолением.

Список индивидуальных данных. Карты рельефа, геохимических провинций, состава грунтовых вод, почвенная карта

Пример выполнения работы. Учитывая карту рельефа и УГВ, почвенную карту, прогнозируют экологические изменения при орошении почв и при возможности при разных способах орошения. Рекомендуют оптимальный способ орошения для данных условий.

Контрольные вопросы к защите

1. Какие способы орошения Вы знаете, в чем их преимущества и недостатки; ограничения использования?

2. Какие свойства почв ограничивают отдельные способы орошения?

3. Какие параметры рельефа ограничивают отдельные способы орошения?

4. Какие характеристики состава поливных вод ограничивают отдельные способы орошения?

5. Когда возникает вторичное засоление и осолонцевание почв?

6. Как изменяются при орошении протекание отдельных почвообразовательных процессов?

7. При каких условиях возникает опасность засоления, осолонцевания, содообразования?

8. Какие критерии благополучного состояния биогеоценозов при орошении?

9. Какие показатели учитывают при оценке экологических последствий орошения?

10. Как изменяются при орошении экологические взаимосвязи в биогеоценозах и геосистемах?

11. Какие экологические последствия подтопления земель при орошении?

Способ оценки результатов. Защита работы с первой попытки оценивается в 4 балла. Последующая попытка оценивается на 1 балл ниже.

Семинар №5. Загрязнение почв поллютантами, их миграция и мониторинг

Модульная единица 21

Требования к содержанию, оформлению, порядку выполнения работы

Для подготовки к семинару необходимо составить конспект 2-3 страницы по материалам лекций, и используя рекомендованную литературу «Почвенная экология» Савич В.И. и др., Орел, 2000; Геохимическая характеристика ландшафтов» Кауричев И.С., Савич В.И., Степанова Л.П., Орел, 2004; «Агроэкология», Колос, 2000

В результате проведения семинара студент должен знать принципы и формулы расчета миграции поллютантов в агрофитоценозах и биогеоценозах, в ландшафтах, знать критерии миграции. Студент должен уметь объяснить направление и интенсивность миграционных потоков в разных элементах ландшафта и почвах для различных токсикантов.

Теоретическая часть

Миграция веществ происходит в твердой, жидкой и газообразной формах и рассчитывается на уровне горизонтов почв, катены, ландшафтов.

В понимании разнообразия геохимических ландшафтов важ­ное значение имеет выделение низшей единицы. Такой единицей принято считать - элементарный геохимический ландшафт.

Элементарный геохимический ландшафт (по Б.Б. Полынову) - это литологически однородная территория, находящаяся в пределах одновозрастного элемента рельефа, занятая в каждый данный мо­мент определенным биоценозом, однородной почвой и присущей ей однотипной миграцией и аккумуляцией веществ.

Компоненты ландшафта (как природно-территориального комплекса) представляют собой блоки элементарной геохимической системы (ЭЛГС). Каждый блок может рассматриваться как подсис­тема, состоящая из субблоков. Например, в почве, как блоке (или под­системе) ландшафта (ЭГЛ), можно выделить субблоки - генетические горизонты. Геохимический ландшафт при полном своем выражении включает в себя водораздельные участки, склоны и местные депрес­сии поверхности (долины рек, озера, котлованы и т.д.).

Схема полного геохимического ландшафта

На этой схеме нетрудно заметить отдельные ее части, четко различающиеся по устройству поверхности, потоку воды и т.д. В та­ком геохимическом ландшафте можно выделить три группы ЭГЛ, характеризующихся своими особенностями всех компонентов и, как итог, своими особенностями процессов миграции и аккумуляции ве­ществ: элювиальные ЭГЛ, транзитные ЭГЛ и аккумулятивные. Они располагаются закономерно по рельефу местности.

Рассмотрим краткую их характеристику.

1. Элювиальные (автономные, субаэральные) ЭГЛ - это вы­ровненные водоразделы (местный, межбалочный, межовражный, ме­ждуречный и т.д.), относительно повышенное положение и плакорные условия таких территорий обусловливает поступление веществ на поверхность территории только из атмосферы, а в условиях агроландшафтов и с удобрениями, мелиорантами, и другими средствами химизации. Почвы в зависимости от гидротермического режима в той или иной степени промываются атмосферными осадками. Грунтовые воды залегают глубоко и, как правило, не влияют на почвообразова­ние. Может возникать лишь временная верховодка в пределах почвенно-грунтового слоя и приводить в периоды избыточного увлажне­ния локально (особенно по микропонижениям) к сезонному оглеению и к выпотному режиму при последующем иссушении. В гумидных зонах господствует промывной режим, обеспечивающий вынос под­вижных продуктов из почвенного профиля. В таких условиях разви­ваются зональные почвы при возможном сочетании с интразональными (внутри-зональными) на участках с выраженными отрицательными формами мезо- и микрорельефа, определяющими перераспределение осадков и растворимых веществ. В соответствии с этим на общем фоне элювиального геохимического ландшафта по микро- и мезозападинам (понижения. где скапливаются поверхност­ные воды) могут быть выделены аккумулятивно-элювиальные ЭГЛ.

На таких участках создается опасность концентрации подвиж­ных вредных продуктов миграции, а также их возможное повышение миграции в грунтовые воды или возврат в верхние горизонты при последующем испарении влаги (выпотный период водного режима).

2. Транзитные ЭГЛ - это склоны повышений и водораздельных пространств при макро- и мезорасчлененной территории склона к ме­стным депрессиям, небольшим водотокам (к ложбинам и балкам).

В зависимости от условий стока (что определяется, прежде все­го, удаленностью участков склона от выровненного водораздела, их формой и крутизной), транзитный ЭГЛ может быть подразделен на несколько видов:

1) для верхней трети и середины склонов характерен смыв (твердый сток). Эти части склонов относятся к трансэлювиальному ЭГЛ, т.е. здесь сочетаются элювиальный вынос веществ по профилю с поверхностно-внутрипочвенным переносом веществ;

2) нижнюю часть и шлейф склона относят к трансаккумуля­тивному ЭГЛ. Здесь перенос веществ по склону сочетается с их ак­кумуляцией. Здесь откладываются вещества твердого стока (намытые почвы), и территория приобретает аккумулятивные формы, особенно аккумуляция, усиливается на перегибе склона и переходе его в шлейф. Данная картина миграции характерна для вогнутого склона. На выпуклых формах склона она меняется. ЭГЛ транзитного типа в пределах трансэлювиальной части характеризуется обычно глубоким залеганием грунтовых вод. В трансаккумулятивной части склона грунтовые воды залегают выше и могут участвовать в гидрогенной аккумуляции веществ.

3. Аккумулятивные ЭГЛ - это части территории, аккумули­рующие поверхностный и грунтовый сток. Они охватывают приле­гающие к склонам территории – подгорные, равнинные террасы, дельты и поймы, обширные депрессии, долины в горах, реки, озера. Сюда поступает большая часть жидкого поверхностного и внутрипочвенного стока и твердого поверхностного стока (а также аллюви­альных вод), приносящих многие вещества, в том числе и из-за пре­делов данного ландшафта. Аккумулятивные ландшафты могут быть подразделены на супераквальные (надводные, гидроморфные) и аквальные (подводные).

1) Гидроморфные (супераквальные) ЭГЛ - шлейфы, поймы долины, котлованы и т.п. территории, где грунтовые и почвенно-грунтовые воды часто смыкаются и залегают в пределах почвенно-грунтовой толщи.

Поймы рек, помимо влияния стоковых вод с водоразделов, подвергаются действию поемных процессов. (Дать примеры - солон­чаки, низинные, ожелезненные, вивианитовые, известковистые, засо­ленные торфяники, болотные солончаки и т.п. - можно показать слайды). Притеррасная пойма - классический пример супераквально-го ЭГЛ.

2) Аквальные (субаквальные, подводные) ЭГЛ - дно реки, замкнутого бассейна. Это конечные этапы миграции веществ. Пере­несенные вещества могут уноситься речными потоками или накапли­ваться в осадках (озера, замкнутые другие водоемы). Общий поток веществ в геосистеме (в общем ГС) направлен от водоразделов к склонам и далее вниз по рельефу.

В заключении рассмотрим некоторые положения и понятия, характеризующие функционирование геохимических ландшафтов.

Функционирование ЭГЛС (т.е. проявление сущности геохими­ческих процессов) осуществляется путем обмена веществом, энерги­ей и информацией между блоками и субблоками системы при много­кратном изменении химического и фазового состояния вещества, каналами связи между блоками служат миграционные потоки, кото­рые состоят из фазы носителя и фазы мигранта. В качестве фазы но­сителя, выступают потоки водных, воздушных и твердых (дефляционно-гравитационноосыпнных) масс и в некоторых случаях живые организмы.

Миграционные потоки могут разделяться на внутренние и внешние, циклические и направленные.

Внутренние (например, биологический круговорот веществ) определяют тесноту обратной геохимической связи между блоками ЭГЛС, ее устойчивость и приводят к дифференциации химических элементов между блоками.

Внешние связаны с односторонне направленным миграцион­ным потоком веществ. Изменение щелочно-кислотных, Oх-Red, термодинамических и других условий, влияющих на устойчивость ми­гранта в миграционном потоке приводит к уменьшению (или увеличению) его подвижности. Это определяет направленный харак­тер миграции отдельных компонентов миграционного потока ве­ществ. Эти явления приводят к дифференциации веществ между бло­ками (и субблоками) систем. Участки, где резкое изменение условий миграции приводит к накоплению (повышению концентраций) хими­ческих элементов (веществ), называются геохимическими барьерами (Перельман).

Преобладание рельефа с неровной поверхностью (не строго горизонтальной) предопределяет перемещение потоков веществ (водных и твердых) от более высоких частей территории к более низ­ким. Создается система ЭГЛ, сменяющих друг друга от водораздела к местной депрессии рельефа, связанная латеральными потоками. Та­кая система называется каскадной. В ней каждый элементарный ландшафт - звено (блок) этой системы. В такой каскадной системе ЭГ ландшафтов начальными ее звеньями являются возвышенные уча­стки (водораздельные), а конечными - депрессии. При этом началь­ные звенья геохимически автономны (самостоятельны), а конечные звенья - геохимически подчиненные (гетерономные). ЭГЛ. Каскадные ЭЛЛ образуют ландшафтно-геохимические арены.

В зависимости от порядка водосборных бассейнов, выделяют мега-мезо-микроарены. Микроарены наиболее просты и часто пред­ставлены одним типом ландшафтно-геохимической катены.

По месту конечной аккумуляции веществ, выносимых с гидро­химическим и твердым стоком среди КГЛС выделяют открытые и замкнутые КГЛС. Замкнутые системы представляют территории, где в их конечных звеньях идет накопление продуктов миграции, вслед­ствие испарения растворов и осадкообразования (бессточные озера, котлованы, впадины и т.п.).

По форме каскадные системы могут быть линейными, рассеи­вающими или концентрирующими, по числу звеньев выделяются каскадные системы I, II, III и более высоких порядков.

В каждой зоне формируются характерные типы сочетаний почвенно-геохимических ландшафтов.

В таежных и лесных зонах на древних водоразделах формиру­ется кислая сиаллитная кора выветривания с бурыми или подзоли­стыми почвами. Склоны и террасы переходных элювиально-аккумулятивных ландшафтов заняты дерново-подзолистыми и глее-ватыми дерново-подзолистыми почвами, в которых накапливаются мик­ростяжения железа. Аккумулятивные ландшафты характеризуются об­разованием ясно выраженных железистых и марганцевых аккумуляций, конкреций, ортштейнов, вивианита, торфяников ни­зинного типа.

В степной зоне автоморфные ландшафты представлены черно­земами на лессах и лессовидных суглинках, элювиально-аккумулятивные - лугово-черноземными почвами с солонцами, ак­кумулятивные - лугово-болотными или луговыми засоленными поч­вами.

В сухой степи автоморфные ландшафты заняты каштановыми почвами на лессовидных суглинках и глинах, элювиально-аккумулятивные - солонцовыми комплексами, аккумулятивные - солонцами, солончаками, соляными озерами.

В тропической зоне для водоразделов и древних высоких тер­рас характерны аллитная и ферраллитная коры выветривания и кис­лые красноземные и желтоземные почвы. Переходные элювиально-аккумулятивные ландшафты на средних террасах заняты каолинитовыми красноцветными почвами. В аккумулятивных ландшафтах формируются лугово-болотные почвы с резко выраженным накопле­нием железа, марганца, органического вещества. Иногда здесь разви­ты монтмориллонитовые слитые почвы.

В пределах микро- и мезорельефа осуществляется геохимиче­ская дифференциация микроструктур почвенного профиля. Впадины на водоразделах, получая дополнительные массы воды, всегда характеризуются большей выщелоченностью почвенного профиля. Вместе с тем, вокруг впадин в виде геохимических колец обычно формиру­ются участки перераспределения и вторичной аккумуляции локально вымытых веществ.

В степях и пустынях легкорастворимые соли, вымытые из микро-понижений, образуют кольца солончаков и солонцов.

В агрономическом отношении классификация элементарных геохимических ландшафтов служит объективной основой для фор­мирования системы агроэкологических ограничений техногенно-химической интенсификации земледелия в плане предотвращения эрозионных процессов, загрязнение почв и вод токсическими веще­ствами. В частности, степени свободы применения минеральных удобрений и пестицидов значительно уменьшаются от элювиальных ландшафтов к супераквальным. Если в элювиальных ландшафтах можно применять высокоинтенсивные технологии с использованием удобрений и пестицидов при соблюдении общепринятых норм и пра­вил безопасности, то в супераквальных и транссупераквальных прак­тически должно быть исключено применение пестицидов и резко ограничено использование азотных удобрений. Потребности азота в севооборотах должны удовлетворяться преимущественно за счет по­вышения доли бобовых культур. На трансэлювиальных элементах, в зависимости от интенсивности смыва, необходима регламентация уровней применения азотных удобрений, пестицидов и технологий их внесения, в частности, должно быть исключено поверхностное внесение удобрений.

Помимо ландшафтной обстановки, судьба продуктов техногенеза, так же как и природных соединений, зависит от их свойств, термоди­намических и физико-химических условий, влияющих на миграцию веществ и их аккумуляцию.

Сельскохозяйственным ландшафтам (агроландшафтам) свой­ственны в основном те же процессы и те же закономерности в функ­ционировании, характерные и рассмотренные нами для природных ЭГЛ. Но в отличие от природных биогеоценозов, в агроценозах от­чуждение из почв с урожаем макро- и микроэлементов идет ежегодно. Кроме того, поступление новых и возврат некоторых веществ осуществ­ляется также с внесением удобрений, ядохимикатов, химических ме­лиорантов и с поливными водами.

И, наконец, антропогенное воздействие на ландшафт вносит существенные изменения в условия среды, которые определяют темы и качественную направленность геохимических процессов.

Формы миграции в почвенном профиле и в ландшафтах

Как вы знаете, процесс почвообразования в общем виде мы определяем (по Роде А. А.), как процесс обмена веществом и энергией между почвообразующей породой (почвами) и живыми организмами, гидросферой и атмосферой.

В основе этого обмена лежат противоречивые (противополож­но направленные) процессы - так называемые слагаемые почвообра­зовательного процесса. Важнейшими из них являются процессы син­теза и разрушения почвенных минералов и процессы миграции и аккумуляции веществ.

Поэтому понимание механизма формирования любой почвы требует познания конкретного проявления этих противоположных по своей сущности слагаемых почвообразовательного процесса и, в ча­стности, процессов миграции и аккумуляции веществ.

Это одна сторона значения необходимости их изучения.

Вторая и не менее важная заключается в том, что процессы миграции и аккумуляции веществ лежат в основе функционирования любого элементарного геохимического ландшафта; они составляют его содержание, т.е. сущность ЭГЛ.

Эти процессы раскрывают картину благополучия или неблаго­получия конкретной территории в геохимическом отношении, как в условиях природного почвообразования, так и при природно-антропогенном его проявлении.

Не зная форм миграции элементов (веществ), условий, влияю­щих на интенсивность миграции, нельзя управлять этими процесса­ми, предвидеть возможности (формы и масштабы) их проявления, а, следовательно, их направленного регулирования в целях обеспечения экологического благополучия территории (ландшафта). Овладение необходимым минимумом знаний в этой области является обязательным условием для практического осуществления почвенного (или в целом ландшафтного) мониторинга и успешного решения всего комплекса задач, связанных с функционированием ландшафта.

Главными агентами переноса веществ в почвах и ландшафтах являются движущиеся вода и ветер. К ним следует добавить гравита­ционные силы, которые активно участвуют в передвижении обло­мочных форм почвенных минералов и горных пород в условиях склонов заметной крутизны. Это явление оказывает большее влияние на почвообразование в горных ландшафтах (их геохимию) и горных почвах.

Наиболее масштабной миграция веществ происходит под дей­ствием движущейся воды. Под ее воздействием мигрируют состав­ные компоненты твердой (и жидкой) фазы почвы, находящиеся в ней в различном состоянии дисперсности: в виде грубых дисперсий (> 0,001 мм), в форме коллоидного состояния вещества и в виде ис­тинных растворов.

В обобщенном виде формы миграции веществ в почве и ланд­шафтах можно представить в виде следующей схемы (схема ).

Схема характеризует основные формы миграции тяжелых металлов в почвенно-природных водах.

Взвешенные и коллоидные формы входят в состав грануло­метрических фракций твердой фазы почвы.

Истинно растворенные присутствуют в почвенных растворах или могут активно и быстро переходить из твердого состояния в растворенное при увлажнении почвы. Обычно это вещества, извлекае­мые из почвы водной вытяжкой или поступающие в лизиметрические (дренажные) воды.

Схема 1. Формы миграции веществ в почве (по Орлову, Амосовой и Садовниковой «Охрана почв от химического загрязнения»)

Миграция веществ в почвенном профиле и ландшафтах во взвешенном состоянии (суспензионной форме) в значительных раз­мерах проявляется при образовании делювиальных или аллювиаль­ных потоков и является чрезвычайно важной и масштабной (а иногда и главной) при миграции веществ в «каскадных» и пойменных ланд­шафтах.

исключительное значение эта форма ми­грации имеет для эродированных (и эрозионно-опасных) земель склонов и сочетающихся с ними подчиненных ландшафтов (транс-аккумулятив­ных и аккумулятивных), а также для пойменных ландшафтов.

Одновременно отметим, что в этой форме могут мигрировать различные соединения, представляющие минералогический состав гранулометрических фракций и различные продукты техногенного загрязнения, представленные или в форме частиц размером > 0,001мм, или вошедших в состав исходных минеральных, органоминеральных и органических соединений почвы в результате тех или иных форм сорбции.

Наиболее подробно рассмотрим две формы миграции - в виде истинных и коллоидных растворов. Этим формам миграции веществ принадлежит основная роль в передвижении веществ в поч­венном профиле при развитии почвообразовательного процесса, иными словами, формирование профилей всего разнообразия почв, неразрывно связано (в зна­чительной мере обусловлено) проявлением этих форм миграции ве­ществ и их аккумуляцией. Отсюда видно особое значение их в познании генезиса почв и понимания их влияния на экологическую обстановку конкретных ландшафтов.

Миграция веществ в истинно растворенном состоянии в значи­тельных масштабах возможна при следующих условиях:

1) если ионы представлены в почве легкорастворимыми (во­дорастворимыми) соединениями, например NaCl, Na₂S0₃ и т.п.;

2) если появившийся в почвенном растворе или природных водах, ион не образует с другими ионами трудно растворимых соеди­нений (или шире - неподвижных продуктов сорбционных процес­сов). Например, N0₃ ^_ только в результате биологического поглоще­ния может терять свою миграционную способность, т.к. другие виды его сорбции в почве, в сколько-нибудь заметных количествах, не имеют места (обменное поглощение, осадкообразование);

3) если, появившийся в растворе ион металла не подвергается активной гидратации с образованием трудно растворимых гидрооксидов. Например, Na и, наоборот, ион трехвалентного Fe быстро гидратируется, превращаясь в Fe(OH)₃ с очень низким произведением растворимости (10^-32), что исключает миграцию данного элемента в ионной форме (Fe³⁺), поскольку такой ион не может существовать в условиях характерной для почв реакции.

В силу сказанного, в природных почвах и ландшафтах мигра­ция ионов в основном связана с присутствием в почвогрунтах (или появление в них в силу тех или иных процессов - выветривания, поч­вообразования) карбонатов, сульфатов, хлоридов и нитратов. В до­полнении к сказанному, масштабы указанных солей в природной об­становке тесно связаны еще с их растворимостью. В ес­тественных условиях при медленном движении растворов увеличива­ется расход воды на испарение почвой (и транспирацию), что ведет к повышению концентрации растворов и выпадению менее раствори­мых солей в осадок.

Первыми переходят в осадок малорастворимые углекислые со­ли Са и Mg; затем сернокислый кальций (гипс). При очень большом сгущении раствора, когда полностью оседают углекислые соли Са и Mg, а также большая часть гипса, в осадок выпадает сернокислый натрий. При еще большем сгущении раствора в осадок выпадает сер­нокислый магний, затем хлориды натрия и далее все остальные соли. Однако растворимость солей в естественных растворах и их мигра­ция в почве зависит от многих условий (t, pH, концентрации СО₂ и др.). Так, например, растворимость карбонатов кальция и магния во многом определяется концентрацией СО₂ в растворе и от температу­ры; хлориды являются более подвижными, чем сульфаты и в теплой, и в холодной воде.

Миграция элементов питания и токсикантов из агрофитоцено-зов в другие компоненты экологической системы представляет боль­шую экологическую и народнохозяйственную проблему. Отмечается загрязнение почв, растительности, вод и приземного слоя воздуха, потеря элементов питания из почв. При этом в грунтовые воды и воз­душную среду происходит миграция удобрений, мелиорантов, со­держащихся в них токсикантов, применяемых на полях ядохимика­тов, продуктов выделения растений и разложения растительного опада, продуктов трансформации различных соединений, поступаю­щих в пахотные почвы в результате антропогенного загрязнения.

Загрязнение воздушной среды

Серьезные экологические проблемы возникают при загрязне­нии воздушной среды продуктами, поступающими из агросистем. В современных условиях образуются огромные дополнительные массы газов (СО₂, СО, SО₂, H₂S, NH₃), в возрастающих количествах поступающих в атмо­сферу и существенно изменяющих круговорот веществ в системе атмосфера - суша - живое вещество - океан. Возникает угроза изме­нения мирового баланса кислорода и двуокиси углерода, уменьшения запасов биологически чистой воды и зарастания озер. Ущерб от за­грязнения атмосферы в США уже в 1977 году достигал 25 млрд. дол­ларов. Значительную долю в это загрязнение вносят газообразные выделения из почв и биоты. Объем почвенного воздуха на Земле со­ставляет 33 ∙10³ км³, с суточно-сезонными колебаниями 15∙10³ км³ при влажности полевой влагоемкости почв и до 51∙10³ км³ при влажности воздушно-сухой почвы (Зборищук Н.Г.)

Загрязнение биосферы определяется, главным образом, атмо­сферным переносом и выведением загрязняющих веществ из атмо­сферы. В атмосферных аэрозолях в заметных количествах обнаруже­ны ДЦТ, полихлорированные бифенилы, ртуть, свинец, зола, сажа. Отмечено выделение в атмосферу низкокипящих органических жид­костей и газов (дихлорэтан, фреон, растворители) и канцерогенных веществ (полициклические ароматические углеводороды типа бензопирена). Ежегодно выделение в атмосферу дихлорэтана и фреонов составляет не менее 1 млн.т. Общее количество углеводородов (кро­ме метана), поступающих в атмосферу, оценивается 50 млн.т в год (Розанов Б.Г., Первова Н.Е.). При этом значительная часть этих ве­ществ поступает в атмосферу и с транспирацией из растений. Боль­шие территории, занятые почвами и растениями, обуславливают и значительное влияние выделений из них на развитие экосистемы в целом. Следует отметить, что газообразные вещества являются пер­вым претендентом на роль переносчиков информации в экосистеме, т.к. они могут передавать информацию наиболее быстро из-за ускоренной диффузии газов (Звягинцев Д.Г.).

Из воздушных выделений, связанных с ведением сельскохо­зяйственного производства, наибольшее экологическое значение имеют выделения углекислого газа и кислорода, соединений серы, азота. С экологической точки зрения, значительное увеличение в ат­мосферном воздухе углекислого газа приводит к развитию парнико­вого эффекта и повышению температуры. Имеются расчеты, показы­вающие, что удвоение количества углекислого газа в атмосфере повысит среднюю планетарную температуру на 1,5-2°. Для парнико­вого эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раз больше, чем от других источников антропогенного поступления энергии. По пессимистическим прогнозам, за счет этого эффекта к 2050 году уровень моря под­нимется на 25-40 см, а к 2100 году на 2 метра, что приведет к затоп­лению 3% суши и 30% урожайных земель. Вероятная прибавка запа­сов углекислого газа в атмосфере, за счет дегумификации почв, составляет 1000 млрд.т, что является весьма существенным для парникового эффекта.

Большое экономическое и экологическое значение имеет со­держание в воздухе кислорода. В процессе фотосинтеза растения ежегодно выделяют 242 млрд.т кислорода и только 0,013 млрд.т образуется абиотическим путем. Общая ежегодная генерация фото­синтетического кислорода сейчас приблизительно достигает 230 млрд.т, из которых 56 млрд.т поставляет океан и 174 млрд.т - суша (природные наземные растения поставляют 152 млрд.т, культурные - 21 и водные - 1 млрд.т). Считается, что фотосинтетическая гене­рация кислорода упала за историю Земли примерно на 30%. В совре­менных условиях ежегодный расход кислорода больше его прихода на 31,6 млрд. т. Это объясняет уменьшение кислорода в атмосфер­ном воздухе (Розанов ВТ.). За год растения поглощают 3-3,6 т на 1 га углекислого газа и выделяют 1,8-5 т/га кислорода. При этом на разложение листвы расходуется до 50% от выделенного кислорода. Распашка территорий уменьшает выделение кислорода, т.к. основная роль в его образовании принадлежит лесам. Лес занимает 7% поверх­ности Земли, но вырабатывает 50% кислорода, получаемого атмо­сферой от растительного мира. Уменьшение же кислорода в атмо­сфере приводит к угнетению биоты, потере трудоспособности и болезням людей, к проблемам осуществления отдельных технологи­ческих циклов. Для различных типов производств определены затра­ты кислорода, чистой воды на 1 т продукции, и за эти природные ре­сурсы взимается соответствующая плата.

Большое влияние сельскохозяйственное производство оказы­вает на азотный баланс экосистем. Биосфера содержит более 150 млрд. т азота, связанного в органических соединениях почвенного покрова, и около 1,1 млрд.т в биомассе растений. Полагают, что об­щее количество азота, выделяемого из почв в результате денитрификации, составляет около 100 млн.т, в том числе окислы азота - 7 млн.т. Проблема рационального применения химикатов в сельском хозяйстве вызывает большой интерес к изучению денитрификации, т.к. с этим процессом связаны основные (до 40%) потери из почвы азота. Недоокисленные соединения азота, поступая из почвы в атмо­сферу, вызывают разрушение озонового слоя (1 молекула оксидов азота разрушает до 10 молекул О₃). В свою очередь, разрушение озо-вого слоя сопровождается повышением доли ультрафиолетового излучения, губительного для растительности (особенно, зерновых). Окисление аммиака и окислов азота в воздухе приводит к образованию, главным образом, азотной кислоты, вместе с остатком аммонийных солей, выпадающей на сушу и поверхность океана.

Значительное влияние на компоненты экосистемы оказывают поступающие из почвы соединения серы. Суммарное количество серы сульфатов, выпадающих с осадками на поверхность суши и океана, оценивается в 159 млн.т. С удобрениями в почву и далее в речную воду поступает ежегодно 11 млн.т серы. SО₂ выделяется среди других загрязняющих веществ разнообразием видов негативного воздействия на почву и биоту. При этом, ущерб почвенному и растительному покрову наносится при выпадении кислых осадков в результате разноса соединений серы в выбросах предприятий на сот­ни и тысячи километров. Площадь территорий, подвергаемых влия­нию выбросов серного ангидрида, составила в 1994 году 8,6 млн. га, в том числе 1,5 млн. га сельскохозяйственных угодий. Таким образом, агроэкосистемы вносят значительный вклад в загрязнение окружаю­щей среды, и для разработки проектов по оптимизации обстановки необходимо знание закономерностей миграции токсикантов в агрофитоценозах.

Экологические последствия воздушной миграции соединений из агрофитоценозов

В почвенном воздухе имеется кислород, углекислый газ, азот и значительное число микрогазов (N₂О, NО₂, СО, предельных и непре­дельных углеводов - этилена, ацетилена, метана; водорода, серово­дорода, аммиака, меркаптанов, терпенов, фосфина, спиртов, эфиров, паров органических и неорганических кислот). Происхождение мик­рогазов связано с непосредственным метаболизмом микроорганиз­мов, с реакциями разложения и новообразования органических ве­ществ в почве, с трансформацией в ней удобрений и гербицидов, с поступлением их в почву с продуктами техногенного загрязнения атмосферы. Концентрация микрогазов часто не превышает 1∙10^-12%. Однако, этого часто достаточно для ингибирующего действия на почвенные микроорганизмы (Зборишук Н.Г.). Почвенный воздух не оказывает прямого действия на перераспределение ТМ в почве (за исключением ртути и ее летучих соединений), но его состояние влияет на химическое состояние ионов в почвенном растворе, за счет из­менения Eh и карбонатного равновесия.

Важное экологическое значение имеет образование в почвах сероводорода. Даже небольшие концентрации его, как правило, ток­сичны для растений, и их появление приводит к потере биопродуктивности угодий. В то же время, сульфатредукция может наносить значительный вред металлическим конструкциям, находящимся в анаэробной почве. Появление сероводорода приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды. В восстановитель­ной сероводородной обстановке ртуть выделяется в призменную ат­мосферу, а халькофильные элементы и элементы группы железа (Си, Zn, Pb, Co, Ni, Cd, Fe, Mn) восстанавливаются до двухвалентных и образуют практически нерастворимые сульфиды или очень слаборас­творимые гидросульфиды. Появление сероводорода в грунтовых во­дах и реках угнетает развитие рыб, биоты водоемов. В то же время, возможность выделения сероводорода из почвы в атмосферу ограни­чена. Он быстро вступает в реакцию с металлами, образуя нераство­римые сульфиды. Газ хорошо растворим в воде, он легко окисляется специфическими группами бактерий.

Важное экологическое значение имеет развитие в почвах анаэробиозиса и выделение в атмосферу углекислого газа, метана, аце­тилена, снижение концентрации в почвенном и приземном слое воз­духа кислорода. Кислород является «геохимическим диктатором» в биосфере, определяя пути миграции и концентрации многих элемен­тов. Полный анаэробный процесс, согласно Гречину И.П., начинается при снижении концентрации кислорода до 2,5%. Однако, длительное сохранение концентрации кислорода даже на уровне 10-15% угнетает воздухолюбивые культуры. Избыток углекислого газа в составе почвенного воздуха более 3% угнетает развитие растений, замедляет прорастание семян, сокращает интенсивность поступления воды в растительные клетки. Растворение углекислого газа и связывание его в бикарбона­ты может снизить дыхательный коэффициент (Д_К) до 0,2-0,3. Разло­жение богатых кислородом веществ вызывает изменение Д_К более 1. Метилирование микроорганизмами в анаэробных условиях различ­ных веществ с образованием летучих соединений привлекает боль­шое внимание из-за метилирования ртути, представляющей серьез­ную опасность для здоровья человека. Метан - очень важный компонент фотохимической системы в тропосфере. Он фотохимиче­ски окисляется ОН радикалом и, следовательно, влияет на его кон­центрацию в нижних слоях атмосферы.

Миграция воздушных токсикантов в различных почвенно-климатических зонах

Климатические условия и свойства почв, в значительной степени, определяют трансформацию, сорбцию и миграцию воздушных токсикантов. Существуют суточные, годичные и сезонные изменения скорости дыхания почв. При этом годовые интервалы дыхания раз­ных почв в наиболее контрастных экосистемах отличаются в 40 и более раз. Почва является естественным стоком для таких загрязни­телей атмосферы, как диметилсульфид CH₃SCH₃, диметилдисульфид CH₃SSCH₃, дисульфид углерода CS₂ и COS. Эти газы сорбируются почвами, особенно влажными (Bremmer Е. А.).Продукты их транс­формации затем мигрируют в сопредельные среды. Значительное количество газов в почве образуется в анаэробных условиях.

В почве существует хорошо организованная трофическая система, в которой анаэробные бактерии служат продуцентами газов из разлагаемого органического вещества растительности. Специфиче­ские группы аэробных организмов, окисляют водород, метан, летучие соединения серы, не позволяют этим газам уйти из почвенного воз­духа в атмосферу. Таким образом, в почве работает бактериальный генератор газов и бактериальный фильтр (Заварзин Г.А. и др.). Глу­бокий анаэробиозис в почве (Eh = -200; -300 мв) при отсутствии замет­ных количеств сульфатов приводит к образованию метана - конечно­го продукта превращения органических веществ в бессульфатных анаэробных условиях (иногда выделяются заметные количества эта­на, пропана, бутана и др.).

При сбраживании микроорганизмы чаще всего используют уг­леводы и полисахариды (целлюлозу, гемицеллюлозы, пектиновые вещества и т.д.). Особое значение имеет анаэробная деградация цел­люлозы, которая в больших количествах образуется бактериями. Ле­тучими продуктами анаэробного распада клетчатки являются этило­вый спирт, уксусная, молочная, масляная, муравьиная кислоты, углекислый газ, водород. При гниении-брожении белков и продуктов их деструкции образуются углекислый газ, сероводород, аммиак, во­дород, летучие карбоновые кислоты, ряд меркаптанов и первичных аминов (путресцин, кадаверин, агматин и др.). Из общего количества поступающего в атмосферу метана (111∙10¹⁴ т/год) 48 идет из лесов, и только 1% из морских систем. Очевидно, что состав микроорганиз­мов-деструкторов, как и состав растительного опада, определяется свойствами почв и климатическими условиями. Эти факторы влияют, в конечном итоге, и на состав образующихся продуктов.

Влияние почвенно-климатических условий на миграцию воздушных токсикантов хорошо иллюстрируется выделением из почв углекислого газа. Выделяются следующие особенности режима угле­кислого газа в почве: 1) источником СО₂ в почве является органиче­ское вещество, и поступление углекислого газа в атмосферу опреде­ляется деятельностью биоты; 2) источником до 1/3 выработанного в почве СО₂ являются растения, остальные количества его поставляются микроорганизмами и почвенной мезофауной; 3) из почвы выделяется не более 10% СО₂, остальная часть этого газа стекает в более глубокие слои почвы, накапливается там в почвенном воздухе, рас­творяется в почвенно-грунтовых водах, участвуя в реакциях образо­вания и растворения почвенных карбонатов; 4) орошение, способст­вуя повышению урожая, приводит к увеличению поглощения СО₂ растениями (увеличению фотосинтеза), что может играть заметную роль в борьбе с накоплением углекислого газа в атмосфере и созда­нием парникового эффекта; 5) отмечается суточная динамика выде­ления углекислого газа из почвы, максимум суточного выделения достигает в наиболее жаркие часы.

В сезонном цикле максимум СО₂ отмечается в летние месяцы (Карпачевский Л.О.). Выделение СО₂ почвой складывается из дыха­ния корней растений, дыхания грибов, аэробных бактерий и выделе­ния углекислоты анаэробами. Для подстилки заметен вклад почвен­ных животных. Ежегодно почвенное дыхание обеспечивает выделение 17,40 ∙ 10⁹ т углерода только от гетеротрофных организмов. Наземная растительность выделяет 71,5∙10⁹ двуокиси углерода. Вы­деление углекислого газа почвой в атмосферу существенно различа­ется в разных ландшафтных зонах планеты: торфяно-глеевые почвы тундры выделяют 0,3 т/га в год; подзолистые почвы хвойных лесов - от 3,5 до 30 т/га в год; бурые и серые лесные почвы широколиствен­ных лесов - от 20 до 60 т/га в год; черноземы степей - 40-70 т/га в год; красные ферраллитные почвы субтропиков и тропиков - 50-90 т/га в год (Зборищук Н.Г.).

Интенсивность выделения углекислого газа с поверхности почвы в атмосферу, измеряемая величиной gC0₂, служит исключи­тельно важной характеристикой экосистемы. Мгновенная интенсив­ность дыхания почв может достигать 100 и более мг/м² в час. Воз­душные мигранты, попадая в воду, изменяют и характер водной миграции. Так, например, вода, насыщенная углекислым газом, рас­творяет многие трудно растворимые соединения - кальцит СаСО₃, доломит СаСО₃, MgCО₃, сидерит FeCО₃. Это вызывает миграцию карбонатов в почвенном профиле и в сопряженных геохимических ландшафтах.

Значительное влияние почвенно-климатических условий и на миграцию из почв соединений азота. Как установлено Wetstlaar R., статьи расхода азота в почвах рисовых полей без внесения удобрений составляют: вынос с урожаем 44-58 кг/га; сток с водой - 0,5-1,0; по­тери с ветровой эрозией - 4,8-5,8; газообразные потери в форме N₂ + N₂О (X -Y); газообразные потери NH₄ - 1,65 кг/га; вымывание - 0,5-34; поедание животными и птицами - 0-13; все потери от 54 + X до 113 + Y. Общие потери, вследствие денитрификации, X -Y составляют 3-129 кг/га. Активность азотфиксации составляет 1-9 мг/г в сутки - в лесных почвах; 6-90 - в луговых и 9-150 мг/r в сутки - в пахотных. Большая азотфиксация свойственна опаду древесных пород. Она дос­тигает 500 мг азота на 100 г опада (Карпачевский Л.О.).

Трансформация и миграция газообразных соединений постоянно меняется в сезонной динамике. Так, например, по Reddi K.R., суще­ствует следующая схема потери азота в затопленных почвах, за счет диффузии аммония. NH₄-N в заболоченной почве стабилен в ана­эробном слое, но быстро нитрифицируется в анаэробном верхнем слое. Нитрификация в этом слое создает градиент NH₄ между ана­эробными и аэробными слоями и диффузию NH₃ в аэробный слой. При дальнейшем развитии процесса нитрификации в аэробном слое увеличение в ней концентрации NО₃-N вызывает диффузивный поток NО₃-N в анаэробный слой, где NО₃-N денитрифицируется до молеку­лярного азота. По данным авторов, экспериментальная величина по­терь N-NH₄ согласовывалась с расчетной при скорости окисления азота - 3,2-6,7 мкг азота на см³ в день.

Загрязнение водной среды

Выделяют 4 основных типа миграции: механическая, физико-химическая, биогенная, техногенная. Миграция веществ осуществля­ется в миграционных потоках: гравитационных, эоловых, водных, биологических, биогенных (перемещение организмов по террито­рии), антропогенных. Преобладающую роль в геохимической диффе­ренциации территории играют водные потоки. Миграция веществ с водой осуществляется во взвешенном, истинно-растворимом и кол­лоидном состоянии. Характер и интенсивность этого процесса зави­сят от свойств самих веществ, а также условий, влияющих на накопление и передвижение воды, химического, минералогического и гра­нулометрического состава почвенно-грунтовой толщи, свойств и ре­жимов почв (рис. ).

Механическая миграция зависит от плотности минералов, раз­мера частиц, климата, геологического строения местности, рельефа. Ее показателем является годовой расход взвешенных частиц в растворе воды в т/км² площади бассейна. Максимальная ее величина харак­терна для аридных гор (1000 т/км²), минимальная - для гумидных лесных равнин. (При мехеногенезе тяжелые минералы ведут себя, как частицы более крупного размера).

Физико-химическая миграция - это перемещение, перераспре­деление химических элементов в земной коре и на ее поверхности. Она зависит от внутренних факторов миграции - особенностей ио­нов, в которой они присутствуют, химических свойств элемента и от внешних факторов - щелочно-кислотных и окислительно-восстановительных условий, водного режима, температурного режи­ма, давления, жизнедеятельности живых организмов.

Важным фактором физико-химической миграции являются электростатические свойства ионов. С увеличением радиуса иона дальность миграции обычно возрастает. Показателем электростати­ческих свойств ионов служит ионный потенциал Кортледжа и энер­гетические коэффициенты ионов по Ферсману А.Е. Ионы с малыми энергетическими коэффициентами обладают легкой растворимостью и высокой миграционной способностью. Миграция в коллоидной форме характерна для гумуса, соединений Si, Al, Fe, Mn, Zr, Sn, Ti, V, Cr, Ni и т.д.

В почвенной среде главные факторы, влияющие на подвижность элементов, следующие: рН среды, окислительно-восстановительный потенциал, наличие и состав органического вещества, присутствие сопутствующих анионов и катионов, емкость поглощения, минерало­гический состав. Так, например, для гидроксидов 2-валентных метал­лов изменение рН на единицу вызывает изменение растворимости по катионам на 3 порядка; для 2-х валентных на 2 порядка и для однова­лентных - на 1 порядок.

Биогенная миграция

Чем больше биогенное значение элемента, тем лучше он за­щищен от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Элементы с высокой степенью биогенности (Р, Са, К, S, С, N) обладают мень­шей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе живого вещества (CI, Na, Mg). Кларки концентраций живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов.

Таблица

Кларк живого вещества (по Вернадскому В.И., Виноградову А.П.,

Добровольскому В.В.)

Единицы	Кларки
воздушные мигранты -98,8%, %	O-70; C-18; H-10,5; N-0,3
водные мигранты - 1,2%, %	Са-0,5; К-0,3; Si-0,2; Mg-0,04; Р-0,07; S-0,05; Na-0,02; Cl-0,02; Fe-0,01
а∙10-3, %	Mn-9,6; Al-5,0; Zn-2,0; Sr-1,6; Ni-1,3; B-1,0
а∙10-4, %	Ba-9,0; Cu-3,2; Zr-3,0; Rb-2,0; Br-1,6; F-1,4; Pb-1,0
а∙1(Г5, %	Ni-8,0; Cr-7,0; V-6,0; Li-6,0; Co-4,0; Y-3,0; La-3,0; Mo-2,0; 1-1,2; Sn-1,0
а∙10-6, %	As-6,0; Be-4,0; Ga-2,0; Se-2,0; W-1,0; Ag-1,2
а∙10-7, %	U-8,0; Hg-5,0; Sb-2,0; Cd-2,0; Au- nlO"8; Ra-n∙l012

По Вернадскому В.И., биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному проявлению. Эволюция видов идет в направлении, увеличивающем биогенную ми­грацию атомов в ней. В течение всего геологического времени заселе­ние планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое существовало в тот или иной момент.

Миграция и аккумуляция веществ в ландшафте

Согласно Полынову Б.Б., все элементарные ландшафты суши по условиям миграции химических элементов объединяют в три группы: элювиальные, супераквальные (приуроченные к пониженным элементам рельефа), субаквальные (подводные). В сельскохозяйственном производст­ве, в основном, используются элювиальные ландшафты, располагающие­ся на повышенных элементах рельефа, характеризующиеся хорошим дрена­жем и глубоким залеганием грунтовых вод, выносом вещества нисходящими токами влаги. По Глазовской М.А. они подразделяются на собственно элювиальные, трансэлювиальные, трансэлювиально-аккумулятивные, элювиально-аккумулятивные.

По характеру миграции и аккумуляции веществ выделяются три основных категории элементарных геохимических ландшафтов.

1. Элювиальные (автономные, автотрофные), геохимически незави­симые ландшафты, характеризующиеся выносом наиболее растворимых и подвижных соединений. Это водораздельные территории, занимающие повышенное положение и отличающиеся независимостью процесса почво­образования от грунтовых вод, отсутствием притока материала путем жид­кого или твердого бокового тока. В элювиальных агроландшафтах проис­ходит поступление веществ с удобрениями, мелиорантами, средствами защиты растений. На общем фоне элювиально-геохимического ландшафта по микро- и мезопонижениям, в которых создаются условия для концен­трации продуктов миграции, выделяются аккумулятивно-элювиальные геохимические ландшафты.

2. Транзитные, геохимически подчиненные ландшафты пред­ставлены склонами водоразделов и повышений. В них частично акку­мулируются некоторые соединения, а наиболее растворимые и подвиж­ные продукты выносятся. К выделяемым трансэлювиальным ландшафтам относятся верхние части склонов, на которых сочетаются элювиальный вынос веществ по профилю с поверхностным выносом. К трансэлювиально-аккумулятивным ландшафтам относятся нижние час­ти и шлейфы склонов, где перенос веществ по уклону сочетается с их аккумуляцией. В тансэлювиально-аккумулятивных ландшафтах перио­дическое участие грунтовых вод в процессах аккумуляции веществ.

3. К аккумулятивным ландшафтам относятся прилегающие к склонам территории, аккумулирующие поверхностный и грунтовый стоки. Для них характерно накопление наиболее подвижных продуктов выветривания и почвообразования. Супераквальные (гидроморфные) аккумулятивные ландшафты формируются в поймах, надпойменных террасах, котловинах с близкими грунтовыми водами. К субаквальным ландшафтам относятся реки, озера.

В пределах микро- и мезорельефа также осуществляется геохимическая дифференциация микроструктур почвенного профиля. Впадины на во­доразделах, получая дополнительные массы воды, всегда характеризу­ются большей выщелоченностью почвенного профиля. Вместе с тем, вокруг впадин, в виде геохимических колец, обычно формируются уча­стки перераспределения и вторичной аккумуляции локально вымытых веществ. Так, например, в степях и полупустынях легкорастворимые со­ли, вымытые из микропонижений, образуют кольца солончаков и солонцов.

Закономерности водной миграции элементов в агроэкосистемах

Величина водной миграции элементов питания и токсикантов из почв зависит от химической природы мигранта, рН и Eh почв их гранулометрического состава, гумусированности, сорбционных свойств, рельефа, водного режима, выращиваемой культуры. Внутрипочвенная миграция происходит по склону, поверхностная - и в глубину поч­венного профиля, и за его пределы. Поверхностная миграция выше на почвах более тяжелого гранулометрического состава.

Таблица

Коэффициенты поверхностного стока, в зависимости от вида угодий и

гранулометрического состава почв (Агроэкология, 2000)

Угодье и агротехни­ческий фон	Почвы
	суглинистые	супесчаные	песчаные
лес	0,19	0,03	0,01
зябь	0,39	0,23	0,10
залежь	0,53	0,33	0,20
многолетние травы	0,59	-	-
стерня	0,77	0,39	-
озимь	0,78	-	-

Максимальное вымывание К с внутрипочвенной миграцией на разных типах почв из минеральных удобрений составляло 21-30 кг/га, а относительная величина 21-25% внесенной дозы (Лойг Э.). По данным Кузиной и др., потери калия из удобрений составляли на дерново-подзолистых почвах суглинистых, в зависимости от дозы удобрений, 68-78%; на супесчаных - 79-90%; на дерново-карбонатной легкосуглинистой почве - 50% всех потерь. На дерново-подзолистых почвах Подмосковья при промораживании почв с по­верхностным стоком смывалось 40-70% внесенного калия (при позднее-осеннем, зимнем и ранневесеннем внесении) (Замараев А.Г.)

По данным, полученным в США (Кеепеу), из почв под паром с поверхностным стоком выносится 3 кг/га водорастворимого азота и 51,3 кг/га органического азота, вследствие эрозии почвенных частиц. Для полей с бессменной культурой кукурузы эти величины состав­ляют соответственно (кг/га) 2,3 и 21,5; с кукурузой в севообороте -1,0 и 13,2; с овсом в севообороте - 2,6 и 1,9; с травами в севообороте - 3,1 и 0,2 (Кузина и др.).

Миграция за пределы почвенного профиля выше на почвах бо­лее легкого гранулометрического состава. Так, например, по данным Пироженко Г.С., на легких дерново-подзолистых почвах Полесья вымывалось следующее количество элементов: из глинисто-песчаных - азота - 14,3; кальция - 68,4; калия - 2,2 кг/га; из супес­чаных - азота - 17 и кальция - 44 кг/га; из суглинистых - азота - 30,4 кг/га; кальция - 55,3; калия - 2,2 кг/га. Азотные удобрения вымыва­лись на 17,5% от внесенного количества из песчаных почв и на 7,6% из глинистых песчаных почв. По данным Юшкевич И.А., потери СаО и MgO из пахотного горизонта дерново-подзолистой почвы составля­ли для песчаной почвы 240 кг/га; супесчаной - 130; суглинистой - 80 кг/га. Потери азота (при внесении 1000 кг N) составляли для суглини­стой почвы - 6 кг/га; супесчаной - 12; песчаной - 25 кг/га; для торфяно-болотной осушенной - 20. Потери К₂О составляли (при дозе 100 кг К₂О) для суглинистой почвы - 4 кг/га; супесчаной - 5; песча­ной - 20; для торфяно-болотной осушенной - 10 кг/га. По данным Кулаковской Т.Н., потери СаО, в результате выщелачивания, состав­ляют 0,5 кг на 1 кг NPK на дерново-подзолистых суглинистых поч­вах, 1,0 - на супесчаных; 1,5 кг - на песчаных. Потери MgO соответ­ственно равны 0,15; 0,3 и 0,45 кг. Выщелачивание серы, в среднем, составляет 14 кг для суглинистых, 25 - для песчаных, 28 кг/га - для песчаных почв (Шкель М.П.).

Миграция элементов из почв зависит от дозы их внесения с удобрениями и мелиорантами, от степени насыщенности почв изу­чаемыми элементами. С увеличением степени насыщенности почвы исследуемым элементом его миграция возрастает. При высоких дозах внесения удобрений миграция нитратов значительно выше. С внесе­нием одних удобрений и мелиорантов вымывание из почв других элементов, как правило, изменяется. Так, например, по данным Прокошева В.В., потери Са на дерново-подзолистых почвах составляли 12 кг/га при дозе 600 кг NPK и 7,5 кг/га - при дозе 150 кг. Ежегодные потери фосфора с инфильтрацией кальция возрастают с применением физиологически кислых и органических удобрений. Так, без удобре­ний потери фосфора с инфильтрацией кальция возрастают с приме­нением физиологически кислых и органических удобрений. Так, без удобрений потери Р₂О₅ на песчаной почве составляли 9,6 кг/га, а при внесении NPK + навоз - 12,3 кг/га.

При внесении высоких доз удобрений величина вымывания элементов питания из почв может достигать очень значительных ве­личин. Для Великобритании при удобрении луга азотом в дозах N₂₅₀, N₅₅₀, N₉₀₀ вымывание азота из почвы составило 4, 27 и 148 кг/га (Owen, Barrachough). В условиях ФРГ ежегодно терялось 250-300 кг/га СаО. При очень неблагоприятной погоде из песчаной почвы потери Са достигали 636 кг/га, а из суглинистой - 874 кг/га. Магний менее подвижен, чем кальций. Его вымывание составляло, в среднем, 15-30 кг/га в год. Потери фосфора от вымывания обычно составляют около 1 кг/га в год, однако, на песчаных почвах при выщелачивании илистой фракции они могут достигать 10-15 кг-га в год. Потери хлора достигают 300 кг/га.

Миграция из лесных систем, как правило, ниже, чем из луго­вых. По влиянию на вымывание питательных элементов сельскохо­зяйственные культуры располагаются в следующей последовательно­сти: овощи > корнеплоды > зерновые > кормовые травы. Так, согласно Петербургскому А.В., потери фосфора с поверхностными и дренажными водами под лесом составляют 0,02-0,12 кг/га в год, с пастбищ - 0,1-0,9; с участков, занятых сельскохозяйственными куль­турами - 1,0-5,5 кг/га в год. Калия теряется соответственно 1,7-2,7; 4,9 и 11 кг/га в год.

В исследованиях американских авторов показано, что на па­рующей почве вымывается больше питательных элементов, чем из почвы под растениями: азота - 76 и 6 кг/га; серы - 52 и 42; калия - 72 и 62; магния - 65 и 41; кальция - 113 и 116 кг/га соответственно. Для ФРГ вымывание К₂О на гумусированной песчаной почве под зерно­выми и пропашными до 53-58 кг/га, под садовыми культурами - 47 кг/га и под лугово-пастбищными угодьями - до 43 кг/га. По обоб­щенным данным, полученным в США, соотношение выноса азота с инфильтрацией из почв под травами, зерновыми и паром составляет 1:6:30 (Минеев В.Г.). Увеличение доз удобрений, вносимых в почву, приводит к увеличению вымывания вносимых элементов, а, следова­тельно, и к увеличению их концентрации в грунтовых водах. Так, например, по данным Шконде и Благовещенской, при дозах азота 64 кг/га под зерновые потери азота составили 43 кг/га и концентрация азота в дренажной воде достигла 17 мг/л. При внесении же под ово­щи 270 кг азота его потери составили 82 кг/га, а концентрация азота в дренажной воде составила 51 мг/л, что в 2 с лишним раза выше ПДК. Для разных почвенно-климатических зон величины миграци­онных потоков отличаются, что связано, как с сорбционными свойст­вами отдельных типов почв, так и с водным режимом территорий. Для лесной зоны доля отчуждения элементов с урожаем велика и со­ставляет - 50-55% для кальция, магния, серы и 65-70% - для азота, фосфора, калия. Распашка и внесение удобрений влекут за собой по­вышенный вынос с поверхностным и подземным стоком, особенно в отношении калия, кальция, магния, серы. Главная статья расхода для азота и фосфора - отчуждение с урожаем. Дефицит элементов на пашне гораздо острее, чем под лесом. Расход азота компенсируется только на 25%, калия - на 10%. Для пашни лесостепной зоны также отмечается отрицательный баланс по всем исследуемым элементам, кроме серы; при этом относительно возрастают потери с поверхност­ным стоком и уменьшаются с подземным стоком. В степной зоне также отмечается для пашни отрицательный баланс по всем иссле­дуемым элементам, кроме серы; при этом потери с подземным сто­ком исключаются.

Значительные особенности миграционных потоков имеют орошаемые и осушаемые почвы. Костенковым Н.М. установле­ны потери элементов питания с почв рисового поля за счет миграции в размере - Fe -7, SiO₂ - 206, Mg - 14, К - 14, Na - 50 кг/га. Исследо­вания Brown А. Б. показали, что потери азота от вымывания на рисо­вых полях не превышали 10% от азота, внесенного с удобрениями. Общее содержание азота в грунтовых водах составляло 0,5-1,8 мг/л, в том числе N-N0₃ - 0,06-0,3; N-NH₄ - 0,2-0,9 мг/л; органического азо­та - 0,3-0,8 мг/л. После полива осушенной перегнойно-торфяно-глеевой почвы за пределы пахотного слоя мигрировало нитратного азота до 30 кг/га, фосфора - 2,3 и калия - 2,2 кг/га. Интенсивность миграции увеличивалась при увеличении нормы полива, а также при предполивной влажности почвы более 70% и менее 50% ПВ. В дре­нажной воде концентрация нитратного азота достигла 207 мг/л вес­ной и 70 мг/л - летом, содержание калия не превышало 3 мг/л, а фос­фора обнаружены только следы (Заурембеков А.А.).

При дренаже тяжелых глинистых почв Финляндии средняя концентрация N и N0₃-N в дренажных водах увеличилась с 0,7-3,6 мг/л до 2-20 мг/л, вынос азота за год на 150-2300 кг/км² или 52-41%; N0₃-N - на 170-2400 кг/км² или 160-840%; вынос фосфора составил 14-172 кг/км² (Paul C.L.). По обобщенным данным Панова Н.П., на осушаемых минеральных песчаных и супесчаных почвах вынос азота дренажным стоком колебался в пределах 8-103; фосфора - 0,6-1,2; калия - 2-14; кальция - 14-374; магния - 64-92 кг/га, а на суглини­стых и глинистых соответственно - 1-19; 0,2-4,2; 0,5-12,5-270 и 3-172 кг/га; на торфяных почвах вынос этих элементов соответственно со­ставляет 1-21; 0,1-1,2-8; 24-209 и 3-116 кг/га. При этом концентрации аммонийного азота и магния в дренажном стоке часто превышали предельно допустимые.

Миграция радионуклидов

Характер распределения радионуклидов в профиле почв зави­сит от типа растительности, режима увлажнения и свойств почв. Как установлено Санжаровой и Фесенко, миграция ¹³⁷Cs в почвах на су­ходольных лугах протекает существенно медленнее, чем на поймен­ных, низинных и болотных. Коэффициенты миграции ¹³⁷Cs в почвах уменьшаются в ряду: болотные луга > низинные луга > пойменные луга > суходольные луга. Средние параметры квазидиффузии и кон­вективного переноса ^l37Cs на суходольных лугах в 4-5 раз ниже, чем на торфяниках и составляют 0,015-0,062 и 0,09-1,39 см²/год соответ­ственно для «медленной» и «быстрой» компонент. Основной вклад вносит «медленная» компонента миграции. Для суходольных лугов характерно варьирование параметров, в зависимости от механическо­го состава почв - коэффициент квазидиффузии для «быстрой» ком­поненты для почв тяжелого механического состава в 1,9-15,4 раза меньше, по сравнению с песчаными и супесчаными почвами.

Наиболее продолжительные периоды полуочищения почв от ^l37Cs получены для суходольных лугов (Т_ЕС - 55-143 года), а для бо­лотных лугов значительно короче (Т_Ес - 1521 год). Этот показатель имеет четкую зависимость от механического состава почв и увеличи­вается в ряду: песчаные и супесчаные почвы > легкие и средние суг­линки > тяжелые суглинки. Количественные параметры миграции ⁹⁰Sr, по сравнению с ¹³⁷Cs, были выше для всех типов лугов. Коэффи­циенты квазидиффузии для «быстрой» компоненты на суходольных лугах варьируют от 0,08 до 0,65 см² в год, а на болотных - от 0,49 до 0,69 см² в год. Процесс очищения корнеобитаемого слоя, оцененный на основании периодов полуочищения, протекает для ⁹⁰ Sr, в среднем, в 2 раза быстрее, чем для ¹³⁷Cs. Периоды полуочищения корнеобитаемого слоя для ⁹⁰Sr варьируют от 30 до 96 лет суходольных лугов и от 13 до 18 лет - для низинных.

Описание миграции элементов в агроэкосистемах

Миграция веществ по профилю почв - есть функция их коли­чества и состояния (сродства к сорбенту, через который движется вещество), продолжительности периода миграции, количества миг­рирующей воды, водопроницаемости. Она прямо пропорциональна растворимости соединений, обратно пропорциональна скорости движе­ния воды по профилю, емкости поглощения почв (по отношению к тем типам сорбции, которые контролируют сорбцию изучаемого ио-

121ют 000000000000000000000000000000000000000000000000

на), скорости перехода ионов из твердой фазы в раствор, прямо про­порциональна градиенту концентрации изучаемого иона и других сил миграции в верхней и нижней частях почвенного профиля. При по­верхностной миграции количество мигрирующих продуктов допол­нительно прямо пропорционально длине склона, углу наклона, коэф­фициенту стока, определяемому растительностью и степенью шероховатости почв. Эти параметры оцениваются по картам рельефа, геоморфологии, картам ландшафтов (рис. 8).

Рис. 8. Карта форм и элементов рельефа (уменьшено с масштаба 1:10000)

1. - выпуклые вершины холмлов и холмистые водораздельные поверхности 1-2 ; 2. - плоская водораздельная поверхность менее 1 ; 3. — пологие приводо-раздельные склоны 1-2°; 4. - сильно пологие склоны 2-3°; 5. - покатые склоны 3-5 ; 6. - выположенные нижние части склона 2-3 ; 7. - ложбины; 8. - дни­ща лощин; 9,- склоны лощин; 10. ~ днища балок; 11. - склоны балок; 12. -привершинные водосборы балок; 13. - пойма; 14. - крупные межводораз­дельные депрессии

122

Как правило, миграция элементов происходит под влиянием кольких движущих сил, которые характеризуются своими векто­рами и скалярными величинами. Например, под влиянием гравитаци­онного поля, магнитного и электрических полей, разности концен­траций и т.д. При этом вектора разных движущих сил могут быть направлены в разные стороны. Суммарный эффект их действия опре­деляется сложением векторов с учетом скалярных величин, но не величин изучаемых полей, а эффектов действия этих полей на под­вижность изучаемого иона в конкретной ситуации.

Рис. 9. Районирование по топографическому фактору (Почвенно-экологические условия Нечерноземья, 1984)

Районирование по топографическому фактору: 1 -LS <0,20; 2 - 0,21-0,50; 3 - 0,51-1,0; 4 -1,1-2,0; 5-2,1-3,0; б->3,0

123

Фика: dC/dt = D (d²C/ dX²), где D - коэффициент диффузии, см²/ сек'¹, t - время, С - концентрация вещества, (С₂ - СО / X - градиент кон­центрации. В разбавленных растворах, например, коэффициент диф­фузии Na⁺ при 25° С равен 1,35 • 10"⁵ см²/ сек"¹; Са²⁺ - 0,78 • 10'⁵ см²/ сек"¹. В почвах коэффициенты диффузии имеют порядок величин -Ю^-Ю^см^сек"¹.

Для трудно растворимых соединений прогноз содержания их в грунтовых водах для соединений AmBn определяется выражением:

моль/nL = ^ПР/(т^тп"/_А/_в)11 + СН⁺/К_А)^Р >

где ПР - произведение растворимости соединения; m, n - ва­лентности; f_A, f_B - коэффициенты активности ионов; СН⁺ - концен­трация ионов водорода в растворе; К_А - константа диссоциации со­единения НВ <-» Н^ + В"; Р - поправки на комплексообразование ионов А и В.

Более просто прогноз содержания ионов тяжелых металлов в грунтовых водах может быть проведен по диаграммам их раствори­мости. Воробьевой Л.А. и Рудаковой Т,А. показано, что уровень кон­центрации железа в природных водных растворах контролируется Fe(OH)₃, Fe₃(OH)₈. В основу прогноза заохривания дрен авторы пред­лагают положить уровни Eh и рН, при которых концентрация двух­валентного железа равна концентрации трехвалентного железа, соот­ветствующей растворимости Fe(OH)₃. Тогда значения Eh и рН, при которых концентрация двухвалентного железа превышает концен­трацию трехвалентного, соответствующую растворимости Fe(OH)₃, будут свидетельствовать о возможном заохривании дренажной сети. В противном случае, т.е. в условиях, когда концентрация Fe (II) ниже концентрации Fe (III), при которой образуется Fe(OH)₃, заохривание не будет реализовываться.

Протекающие в почве процессы значительно сложнее. В лите­ратуре при оценке влияния тяжелых металлов на почву и биоту учи­тывают их содержание (рис. 14).

В то же время процессы взаимодействия тяжелых металлов с почвой и биотой зависят также от знака заряда их соединений и кон­стант устойчивости образующихся комплексных соединений. Так, для дерново-подзолистых почв Сибири отмечается преимуществен­ная миграция железа и алюминия в виде органоминеральных ком­плексов (50-100%), при подчиненном значении ионных и коллоидных форм (Шоба В.Н.). При этом зависимость растворимости тяжелых металлов от Eh и рН среды для ионных, коллоидных и комплексных

128

рм существенно отличаются. Так, например, с подкислением сре-растворимость ионных форм железа растет, а по данным Barton

Larry, в воде водохранилищ содержание коллоидного железа увели-валось с возрастанием рН, составляя при рН = 7,3-7,8 - 6,3%; рН =

,4 -10,1%; при рН = 9 - 67,2% от общего.

Рис. 14. Состояние почв

В ряде случаев перспективно вычисление эмпирических зави­симостей миграции элементов от уровня увлажнения почв нормы полива. Так, например, Заурембековым А.А. предложены следующие уравнения регрессии зависимости потерь нитратного азота из осу-

129

шенной перегнойно-торфяной почвы: У = 0,03 М - 2,89, где У - по­тери азота (кг/га), М - норма полива (м³/ га), при влажности почвы 50-60% ПВ; У = 0,01 М - 1,42 - при влажности почвы 60-70% ПВ; У = 0,02 М - 0,54 - при влажности почвы больше 70% ПВ (для норм полива 50-700 м³/ га).

Миграция соединений в значительной степени зависит и от температуры почв. Так, например, по данным Донских И.Н., в годы с сухим и жарким летом концентрация катионов в грунтовых водах убывала в ряду: Са²⁺< Mg²⁺< NH₄⁺ > K⁺; в годы с прохладным и влажным летом: Са²⁺< NH₄⁺ > Mg²⁺> K⁺. В составе анионов преоб;

2-

ла-

дали НС0₃", затем ионы S0₄ ", СГ. Содержание углерода достигло 50 200 мг/л. По данным Grieve I., ежегодные потери железа из заболо­ченных почв составляли около 2 кг/га и были сравнимы с содержани­ем свободных ионов железа в почвах. Зависимость между содержа­нием растворимого железа, водосбором (Q) средней температурой воздуха (Т) имела следующий вид: Fe = 0,329 + 0,159 lg Q + 0,0076 Т. Содержание железа в водах было тесно связано с содержанием водо­растворимого органического вещества.

Следствием использования атомной энергии является рассея­ние искусственных радионуклидов в биосфере, в том числе в сфере агропромышленного производства, и ускорения темпов передвиже­ния естественных радионуклидов с последующим включением их в цепи миграции в системе радиоактивные выпадения - почва - сель­скохозяйственные растения - сельскохозяйственные животные (Алексахин P.M., 1994).

В настоящее время радиационная обстановка в России опреде­ляется:

глобальным радиационным фоном, обусловленным прово­дившимися ранее ядерными испытаниями;

наличием территорий, загрязненных в результате аварий, произошедших в 1957 г. на ПО «Маяк» и в 1986 г. на Чернобыльской АЭС;

эксплуатацией предприятий ядерного топливного цикла, су­довых ядерно-энергетических установок, региональных хранилищ радиоактивных отходов (Вершинин В.В., 1998).

Авария на Чернобыльской АЭС является самой крупной в ис­тории мировой ядерной энергетики. Суммарный выброс продуктов деления составил около 50 МКи (1,85 • 10 ¹⁸ Бк). Опасность выброса связана с присутствием в смеси радионуклидов долгоживущих ком­понентов, главным образом Cs-137, отчасти Sr-90 и Pu-239 (T 1/2 =

130

Семинар 6. Загрязнение почв нефтепродуктами и пестицидами, их трансформация и мониторинг

Модульная единица 24

Требования к содержанию, оформлению, порядку выполнения

При подготовке к семинару необходимо ознакомиться с соответствующими главами учебника «Почвенная экология» Савич В.И. и др., Орел, 2002 и конспектами лекций. Дополнительными источниками являются учебник «Агроэкология», М., Колос, 2000, 532 стр., Лунев М.И. «Пестициды и охрана агрофитоценозов», М., Колос, 1992. Подготовить конспект 3-4 страницы, обосновать ответы на поставленные вопросы.

Теоретическая часть

Оценка экологических последствий загрязнения нефтепродуктами и пестицидами описана в учебнике «Почвенная экология» Савич В.И. и др., Орел, 2002

Устойчивость почв и вод к загрязнению нефтепродуктами будет зависеть от климатических условий территории, гидрологического режима (скорости притока воды, количества осадков, испаряемости и т.д.), механического состава почвы (фильтрации, адсорбции, поглощения ППК), а в зависимости от вышеперечисленных факторов, от наличия специфической микрофлоры. Основное сопряжение широтной зональности и степени континентальности.

Закономерности устойчивости почв

На карте, приложенной к заданию, можно наблюдать следующие закономерности.

1. Северные районы страны наименее устойчивы к загрязнению, т.к. действие факторов проявляется в минимальной степени; на всем Тихоокеанском регионе, в связи с действием морского климата, наблюдается большая устойчивость, по сравнению с районами севера;

2. Южно-Сибирская часть, по сравнению с Европейской частью, менее устойчива, вследствие более засушливого климата и резко выраженной континентальности; также большую роль играют высотная зональность в горных районах (складчатость). В связи с этим, в общих контурах появляются другие контуры с отличающимися условиями.

3. Вся Европейская часть является наиболее устойчивой к загрязнению нефтепродуктами, вследствие действия комплекса сложившихся благоприятных условий (умеренно континентальный климат, сильно расчлененный равнинный рельеф).

Более подробно оценка устойчивости почв к деградации при их загрязнении нефтепродуктами описана в учебном пособии «Методы исследования городских почв» Байбеков Р.Ф., Савич В.И., МСХА, 2007.

Загрязнение почв нефтепродуктами

При загрязнении почв нефтепродуктами происходит изменение их физико-химических и водно-физических свойств, состава органических соединений, ферментативной и микробиологической активности и т.д. В черноземах при загрязнении нефтью происходило уменьшение содержания ила, увеличение фракции мелкого песка, средней и крупной пыли. При этом, частицы почв покрывались пленкой, которая способствует их слипанию (Бочарникова Е.А.). В Сыктывкаре загрязнение нефтью приводило к увеличению содержания гумуса. к резкому возрастанию обменных оснований, к нейтрализации кислотности (Русанова Т.В.).

Существенные изменения происходят в составе органического вещества почв. По данным Орловой Е.Е., взаимодействие гумусовых веществ нефтепродуктами приводит к увеличению абсолютного содержания всех групп и фракций гумусовых кислот. Мало-азотистые углеводороды нефти включаются в молекулы гумусовых кислот. Отмечается увеличение доли периферических структур в молекулах и расширение отношения С:N, снижение оптической плотности, увеличение содержания Н, уменьшение С и О, расширение отношения Н к С и уменьшение степени окисленности. Снижается термодинамическая устойчивость. Согласно литературным данным, в гумусе увеличивается доля негидролизуемого остатка, содержание окисленных соединений и высокомолекулярных конденсированных ароматических структур, многие из которых обладают канцерогенными свойствами.

В почвах, загрязненных углеводородами, происходит усиленное размножение микроорганизмов – бактерий, фиксирующих азот, денитрифицирующих и сульфатвосстанавливающих, которые используют нефть, в качестве углерода и энергии. При загрязнении черноземных почв нефтью в 2-3 раза снижается оптическая плотность гумусовых соединений, резко падает отражательная способность почв. Ряд авторов отмечает, что даже при влиянии на почву остаточного нефтяного загрязнения отмечается ухудшение качественного состава гумуса, обеднение его азотом, формирование для черноземов гумуса фульватно-гуматного типа.

Значительные изменения происходят с попадающими в почву нефтепродуктами. Конечные продукты метаболизма нефти в почве следующие: 1) углекислота, которая может связываться в карбонаты и воду; 2) спирты, кислоты, альдегиды, кетоны, которые частично входят в почвенный гумус, частично растворяются в воде и выносятся из почвенного профиля; 3) твердые нерастворимые продукты метаболизма и органоминеральные комплексы; 4) твердые корочки высоко минеральных компонентов нефти на поверхности почвы.

Быстрее других компонентов уменьшается относительное и абсолютное содержание в почве метаново-нафтеновой фракции. В то же время, в этой фракции относительно увеличивается количество изопреноидных структур, стечением времени снижается содержание углеводородов С₂₀-С₂₄ и увеличивается содержание углеводородов С₂₇-С₃₁. Одновременно в почве увеличивается содержание смолистых веществ. При этом относительное содержание нафтеново-ароматической фракции меняется незначительно. В этой фракции наиболее быстро снижается содержание углеводородов с меньшим количеством ядер в структуре: нафтенов, бензфлуоренов, фенантренов, хризенов. Медленнее всего происходит снижение пиренов, которые являются, по-видимому, более устойчивыми среди углеводородов данного класса (Пиковский Ю.И., Калочникова И.Г.).

Исследования показали, что загрязнение почвы нефтью резко угнетает развитие основных групп почвенных микроорганизмов. Содержание бактерий, усваивающих органический азот, уменьшались в 26-218 раз, в соответствии с концентрацией нефти 8 и 25 л/м²; бацилл в 8 и 49 раз, микроскопических грибов в 6 и 10 раз, по сравнению с незагрязненной почвой (Хазиев Ф.Х.). Хакимов В.Ю. отмечает, что из изученных классов ферментов наиболее чувствительны к загрязнению нефтью – гидролазы (инвертаза и фосфатаза). Габбасова И.М. также установила, что среди гидролитических ферментов при загрязнении наиболее подавляются фосфатаза, активность которой не восстанавливается и после снижения содержания нефтепродуктов до ПДК.

Никифорова Е.М. и Алексеева Т.А. (2004) отмечают загрязнение ароматическими углеводородами и в пригородах г. Москвы. Ими установлено, что в итоге антропогенного воздействия мегаполиса в почвах пригородных агроэкосистем восточного Подмосковья сформировались лито-геохимические аномалии ПАУ различного состава и уровня загрязнения. В наибольшей степени были загрязнены почвы пригородов в 3-5 км от Москвы. Общая сумма ПАУ в этих почвах составляла 297,8-227,0 нг/г, что в 19-47 раз превышает фоновый уровень. Пахотные почвы дальнего пригорода (40 км от Москвы) характеризовались значительно более низкими содержаниями ПАУ. В них среди замещенных структур преобладали, как и в фоновых почвах, гомологи нафталина и фенантрена, а среди незамещенных – пирен. В составе гомологов ПАУ в почвах ближнего пригорода, наряду с нафталином и фенантреном, преобладали хризен (18,4%) и пирен (10,9-26,7%) от суммарного содержания полиарен, а среди голоядерных структур лидировали пирен, бенз(а)пирен, бенз(ghi)перилен. При этом их относительное содержание достигало 13-26% от суммы ПАУ.

Загрязнение почв бенз(а)пиренами

В проводимых различными организациями исследованиях отмечается, что основными источниками загрязнения почв бенз(а)пиреном являются автотранспорт, промышленные предприятия и свалки. Таким образом, Москва из-за большого объема ресурсоемких производств и высокой плотности размещения предприятий перешла отмеченный для всех мегаполисов мира рубеж, за которым ликвидировать несанкционированную эмиссию отходов без перестройки структуры производств и мест приложения труда невозможно. Особенностью технологии предприятий, расположенных в городе, должно стать предельное снижение количества промежуточных и конечных продуктов, хранящихся на территории предприятия. Удаление таких продуктов с территории промобъектов должно обеспечиваться возможностью утилизации или уничтожения на централизованных станциях переработки или захоронения и складирования на специализированных полигонах промотходов.

Особый интерес представляют данные исследований в 1991-1992 годах по содержанию бенз(а)пирена в почвах Октябрьского района г. Москвы. Бенз(а)пирены (БП) - полициклические ароматические углеводороды, обладающие высокой канцерогенной и мутагенной активностью. Попадают в воздух, а затем на поверхность почвы при сгорании топлива в двигателях автомобилей. Было установлено, что концентрация БП наиболее велика в поверхностных слоях почвы. Исследования показали, что наиболее загрязнены БП почвы вдоль крупных автомагистралей. На некоторых участках Ленинского проспекта концентрация БП более 0,32 мг/кг почвы, что в 16 раз превышает ПДК. В наиболее приближенной к центру части города, где нет деревьев и много замкнутых дворов с плохим воздухообменом содержание БП достигает 4-8 ПДК, а вдоль улицы Житная превышает 16 ПДК.

По данным других авторов также в последние годы наблюдается увеличение в почвах Москвы концентрации нефтепродуктов и 3,4-бенз(а)пирена. Доля участков по Москве, загрязненных нефтепродуктами свыше допустимого уровня, составила 26%, а 3,4-бенз(а)пиреном – 34% от общего числа обследованных участков. Максимальная концентрация нефтепродуктов, в 64 раза превышающая допустимый уровень, выявлена в ЦАО (ул. Усачева), а 3,4-бенз(а)пирена с превышением ПДК в 17 раз – в СЗАО. Доля выявленных участков, загрязненных нефтепродуктами выше допустимого уровня, наиболее велика в ВАО (37%), СЗАО (39%) и СВАО (48,1%), а доля участков с содержанием 3,4-бенз(а)пирена выше ПДК – в ВАО (50%), в СВАО (40%) и ЗАО (40,9%).

Галактионовым А.Ю., Когут Б.М., Кахнович З.Н. (2004) также указывается на существенное загрязнение почв г. Москвы ароматическими углеводородами. Авторы провели их определение в почвах Тимирязевского, Сокольнического, Измайловского парков в 2002 году методом высокопроизводительной жидкостной хроматографии (таблица ).

Таблица

Содержание различных полициклических ароматических углеводородов в почвах

г. Москвы (мкг/кг почвы)

ПАУ	2002 год *)	1993 год **)
флуорантен пирен бенз(b)флуорантен бенз(k)флуорантен бенз(а)пирен	510(1120-240) 500(1400-180) 220(580-80) 100(290-30) 170(490-40)	160(430-30) 105(160-50) 80(90-25) 30(50-10) 40(80-25)

*) данные авторов по почвам г. Москвы

**) днные из проекта INTAS -93 1168 по почвам 8 объектов г. Москвы

В таблице приведены средние значения и варьирование от максимума до минимума. Как видно из представленных данных, содержание ПАУ в почвах г. Москвы за последние годы возросло и по бенз(а) пирену, в 8 раз превысило ПДК.

Отмечается загрязнение почв городов и другими углеводородами. Хакимовым Ф.И. с соавторами (2004) в почвах г. Серпухова Московской области обнаружены полихлорированные бифенилы. Они токсичны для кожи и печени человека, действуют также на его иммунную систему, репродуктивные органы и развитие. Предельно допустимая концентрация ПХБ в воздухе составляет 0,001 мг/м³, в почве – 0,06 мг/кг. Авторами в Серпухове выявлено значительное загрязнение ПХБ почв, вод, атмосферного воздуха. Высокие концентрации ПХБ обнаружено также в растительной и животноводческой продукции этого района, а также в молоке кормящих матерей и крови местных жителей.

Установлено достоверное влияние данных соединений и на почву, ее фильтрационные свойства и высоту капиллярного поднятия, водоудерживающую способность. Под влиянием ПХБ снижалась биологическая активность почв, возрастало базальное дыхание микроорганизмов, увеличивалось удельное дыхание микроорганизмов.

Изменение свойств почв при загрязнении их нефтепродуктами

Большое значение при загрязнении городских почв нефтепродуктами имеет ухудшение водно-физических свойств почв. при этом происходит формирование гидрофобных пленок вокруг структурных отдельностей, блокировка ими внутри- и межагрегатных пор, в ряде случаев отмечается склеивание частиц. Все это приводит к уменьшению водопроницаемости почв, влагоемкости, к уменьшению аэрации почв, к нарушению поступления в растения воды и питательных веществ (Габбасова И.М., 2004).

Большинством исследователей показано, что при нефтяном загрязнении увеличивается численность и активность углеводо-окисляющих микроорганизмов, осуществляющих подготовительный этап метаболизма углеводородов. Их максимальная численность наблюдается в начальный период после загрязнения и остается выше фона вплоть до 2-х лет. Изменение численности и активности других групп микроорганизмов при загрязнении нефтепродуктами разных типов почв неодинаковы. В то же время, чаще в связи с ухудшением аэрации, увеличивается активность анаэробных микроорганизмов и уменьшается активность аэробных, наблюдается репрессия активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов, ингибируются нитрифицирующие микроорганизмы (Габбасова И.М., 2004).

Как указывает Кузнецова Е.Г. (2004), в условиях г. Саранска вблизи нефтеперерабатывающего завода концентрация нефтяных углеводородов составляла от 126 до 7400 мг/кг (0,013-0,7%). Максимальная концентрация была обнаружена в депрессии в слое 0-15 см. При этом, автор отмечает, что повышенное содержание нефтяных углеводородов было обнаружено и в буферной зоне, что объясняется аэрогенным загрязнением почв.

При загрязнении отмечалось существенное изменение биологической активности почв; уменьшалась доля желто-зеленых водорослей; в импактной зоне повышалось участие в сообществах зеленых водорослей, устойчивых к техногенному воздействию, представленных мелкоклеточными видами (Pseudococcomyxa и Chlorella). На площадках с песчаным грунтом и повышенным содержанием нефтепродуктов выявлена группа водорослей с доминированием Nostos punctiforme, Anabaena oscillariodes, Phormidium autumnale и Plectonema gracillimum. Значительного обилия и разнообразия на таких участках достигали и нитчатые осциллаториевые водоросли – индикаторы органических загрязнений.

Из почвенных образцов было выделено 37 видов почвенных актиномицетов. При этом подавляющее число видов относилось к несовершенным грибам; зигомицеты были представлены 10 видами из родов Mycor, Zygorhynchus, Mortierella, сумчатые грибы тремя видами родов Chaetomium, коеломицеты – одни видом из рода Phoma. Выделенная микобиота характеризовалась преобладанием пенициллинов и отсутствием представителей рода Aspergillus. Отмечена частая встречаемость стерильных форм. При загрязнении почв нефтепродуктами отмечены существенные изменения в структуре компонентов почвенной биоты.

Обобщая материалы по изменению биологической активности почв под влиянием загрязнения нефтепродуктами, Звягинцев Д.С. и др. (1989) выделяет 4 качественно отличных интервала реакции микробной массы почвы на нефтяное загрязнение.

Первый интервал – зона гомеостаза микробной системы почвы охватывает диапазон концентраций нефти 0-0,7 мл/кг, в котором все показатели стабильны и практически не отличаются от контроля. Общая биомасса сообщества микроорганизмов может несколько возрастать, что свидетельствует о стимулирующем действии низких концентраций нефти на микробиологические процессы в почве.

Второй интервал нефтяного загрязнения – зона стресса микробной системы (0,7-50,0 мл/кг) характеризуется тем, что значительно меняется организация амилолитического сообщества, т.к. происходит перераспределение популяций микроорганизмов по степени доминирования.

В третьем интервале – зоне резистентности (30-300 мл нефти на 1 кг) происходит резкое снижение видового разнообразия и смена состава сообщества. Активно развиваются устойчивые (резистентные) к высоким концентрациям нефти популяции микроорганизмов. При этом происходит полное изменение доминирующих форм в микробном сообществе, характерном для данной почвы.

Четвертый этап – зона репрессии микробной системы почв (свыше 300 мл/кг) характеризуется полным подавлением роста и развития микроорганизмов.

Методы оценки деградации городских почв, загрязненных нефтепродуктами

Согласно существующим инструкциям, при оценке загрязнения почв нефтепродуктами проводят определение следующих показателей: 1) степени загрязнения по люминесцентному свечению; 2) методом капельного анализа по Флоровской В.Н.; 3) весовым методом; 4) методом ИК спектроскопии; 5) определяют фракционный состав нефтепродуктов; 6) активность дегидрогеназы. Дополнительно оценивают физико-химические, агрохимические и водно-физические свойства почв общепринятыми методами.

Тестами на загрязнение почв НСВ могут быть содержание водорастворимых натрия и хлора, сухой остаток водной вытяжки. Для диагностики уровня техногенного загрязнения черноземов НСВ наиболее целесообразно оценивать активность гидролитических ферментов через 1-2 месяца после аварийного выброса. При детальной оценке влияния загрязнения на экосистему необходимо изучать изменение во всех ее компонентах и трофических цепях. Так, например, в водоемах исследуемое вещество может подавлять развитие гидробионтов, составляющих трофическую структуру водоема, или же стимулировать размножение отдельных видов. При этом, при сильном стимулирующем эффекте также наступают негативные последствия. Например, при массовом развитии бактерий в водоеме наступает резкое снижение концентрации кислорода, отрицательно влияющее на гидробионты. В качестве представителей гидробионтов, составляющих трофическую цепь, берут бактерии, водоросли, ракообразные, рыб на разных стадиях онтогенеза.

Помимо эмбриотоксического действия, вещество может обладать и мутагенными свойствами с отдаленным воздействием. Для выявления этого отрицательного явления исследования проводятся в нескольких поколениях. Так, например, возможность проявления мутагенного эффекта выявляется тестом Эймса и цитогенетическими исследованиями на эпителии хрусталика рыб. Перспективна и экологическая оценка влияния нефтепродуктов и продуктов их трансформации в почве на генетическом уровне. Предлагается использовать для этих целей хемотоксическую реакцию инфузорий, тест на генеративную функцию инфузорий, тест на выживаемость дафний, тест на развитие водоросли хлорелла, тест на биосенсорную реакцию «Эколюм», генетические тесты на микроорганизмах, на дрозофиле. В меньшей степени разработаны генетические тесты на растениях и почве, что связано с длительностью их развития. В то же время ряд функциональных свойств почв и растений обусловлен их генетическими особенностями, и их изменение под влиянием антропогенной нагрузки также может являться критерием генетических изменений в этих компонентах экосистемы.

Колесников С.И. (2005) отмечает, что при загрязнении почв нефтепродуктами (1, 5, 10, 25% от массы почвы) по степени информативности отдельные ферменты располагались следующим образом: каталаза > ферриредуктаза > уреаза > инвертаза. По степени чувствительности к загрязнению они составляли следующий ряд: ферриредуктаза > каталаза > уреаза > инвертаза. При оценке степени загрязнения почв нефтью численность отдельных групп микроорганизмов была малоинформативной. Более перспективным являлось определение качественного состава этих групп микроорганизмов (количество морфотипов, степень доминирования того или иного морфотипа).

Автор для оценки степени загрязнения почв нефтепродуктами предлагает рассчитывать интегральный показатель биологического состояния (ИПБС). Для этого значение каждого из показателей в незагрязненной почве принимается за 100% и по отношению к нему в процентах выражается значение этого же показателя в загрязненной почве. Затем вычисляется среднее значение. При этом, Колесников С.И. предлагает учитывать целлюлозоразлагающую активность, скорость разложения мочевины, активность каталазы, активность ферриредуктазы, уреазы. Так, при загрязнении нефтью 1% и 25% данные показатели, по сравнению с контролем, были соответственно равны 82 и 12%; 88 и 25%; 76 и 52%, 96 и 98%; 81 и 19%; 91 и 89%. При загрязнении почв бензином 1 и 25% эти показатели были соответственно равны 77 и 82%; 88 и 13%; 96 и 68%; 94 и 98%; 90 и 69%; 85 и 81%. Однако, с нашей точки зрения, для вычисления среднего необходимо учитывать только те показатели биологического состояния почв, которые при загрязнении почв нефтепродуктами уменьшаются.

Оценка устойчивости почв к деградации при загрязнении их нефтепродуктами

Важное практическое значение имеет оценка устойчивости почв к загрязнению углеводородами. Пиковский Ю.И. с соавторами (2004) отмечает, что устойчивость почв рассматривается, как потенциальная способность их к самоочищению, которую можно оценить по соотношению факторов разложения и рассеяния поллютантов. К таким факторам относится интенсивность процессов биологического и физико-химического разложения и механического рассеивания углеводородов, включая продукты их метаболизма. Почвы с высокой устойчивостью могут выдержать более высокие нагрузки загрязнения, чем почвы с низкой устойчивостью. Но и те, и другие будут деградировать, если нагрузка превзойдет допустимый уровень.

Авторы предлагают следующее соотношение интенсивности природных процессов разложения и рассеивания углеводородов в почвах с различной устойчивостью к углеводородному загрязнению.

Таблица

Соотношение интенсивности природных процессов разложения и рассеяния

углеводородов в почвах с различной устойчивостью к углеводородному

загрязнению

Устойчивость почв к загрязнению углеводородами	Суммарная интенсивность химического и микробиологического разложения углеводородов	Интенсивность рассеяния углеводородов поверхностным и внутрипочвенным стоком
низкая 1 2 3 пониженная 1 2 3 высокая 1 2 3	низкая средняя низкая низкая средняя высокая высокая средняя высокая	низкая низкая средняя высокая средняя низкая средняя высокая высокая

Габбасова И.М. (2004) указывает на целесообразность оценки нефтеемкости почв – количества нефти, задержанного почвой при ее полном насыщении (время – 15 часов). По данным автора, нефтеемкость почв (% от веса) составляла для чернозема типичного 45%, серой лесной почвы – 40%, аллювиальной лугово-зернистой почвы – 30%, перегнойно-торфяной – 45%, кварцевого песка – 3%, глины желтой делювиальной – 10%.

Порядок величин накопления в почвах битуминозных веществ при загрязнении нефтепродуктами приведен в следующей таблице.

Таблица

Содержание битуминозных веществ (гексановая фракция) в загрязненных нефтью

почвах разных нефтедобывающих районов России

Природная зона, район	Почва	Время по-сле загряз нения	Субстрат	Горизонт	Глубина, см	Битуминозные вещества, г/кг
лесотундра Западной Сибири северная тайга Западной Сибири южная тай- га Пермского Прикамья широколиственные леса и лесостепи Предкарпатья лесостепь Пермского Прикамья	подзол иллювиально-железис-тый тундровая торфяно-глеевая торфяно-под-золисто-леевая агро-дерново-подзолистая дерново-подзо-листая глеевая буроземно-подзолистая глеевая дерново-глеевая светло-серая лесная	1 год 0,5 года 0,5 года 1 год 5 лет старое загрязнение 1 месяц 2 года	пески торф, иловатые пески торф, суглинки супеси суглинки суглинки суглинки супеси, легкие опесчаненные суглинки	Т1 А2 Bh Bfg T1 T2 BG T1 T3 A2hg A2Gh Апах А2 B1g B2G A0 A1 A1A2g A2Bg Bg A1 A1 A1A2g B1G A0 G Апах Апах А2В A2Bg Bg	0-3 3-6 9-11 11-32 0-5 12-35 36-50 0-15 28-39 39-60 60-85 6-15 15-28 49-83 101-120 0-3 3-15 15-34 34-52 52-90 0-8 8-26 26-47 47-60 0-10 40-60 0-6 6-15 15-26 26-37 37-56	45,4 138,3 65,9 31,2 462,0 3,8 0,5 504,0 88,5 18,0 0,1 41,2 16,8 1,4 4,0 15,0 18,2 2,3 5,0 1,4 6,0 100,0 26,0 0,1 300,0 3,0 10,0 8,0 4,0 6,0 1,0

Предельно допустимые концентрации содержания в почвах нефтепродуктов

При оценке комплексного загрязнения геологической среды нефтепродуктами (НП) выделяют три зоны: слабого загрязнения, среднего загрязнения и интенсивного загрязнения. Критериями для выделения служат гигиенические ПДК. Так, в зоне слабого загрязнения подземные воды содержат растворимые углеводороды в концентрациях ниже ПДК, концентрация легких углеводородов в подпочвенном воздухе не более, чем в 10 раз превышает уровень фона; содержание нефтепродуктов в грунтах не более 1 г/кг. В зоне среднего загрязнения содержание растворимых углеводородов в подземных водах до 10 ПДК, концентрация легких углеводородов в подпочвенном воздухе в 10-100 раз выше фоновых значений, весовое содержание НП в грунтах до 10 г/кг. В зоне интенсивного загрязнения растворимые углеводороды в подземных водах определяются в концентрациях, превышающих 10 ПДК, концентрация углеводородов в подпочвенном воздухе в 100 раз превышает фоновое значение, содержание НП в грунте более 10 г/кг.

В то же время из-за отсутствия установленных предельно допустимых концентраций при загрязнении почв нефтепродуктами объективную оценку загрязнения проводят путем сравнения с показателями для фоновых территорий. Для каждого региона существует свой региональный фон предельно допустимой концентрации нефти и нефтепродуктов в почве. Этот фон изменяется в пределах от 10 до 500 мг на 1 кг почвы или грунта. Имеются нормативы для отдельных НП: бензин – 0,1 мг/кг; бензол – 0,3 мг/кг; ксилол и толуол – 0,3 мг/кг; ПДК для почв бенз(а)пирена на уровне 0,02 мг/кг. ПДК по содержанию 3,4-бенз(а)пирена для кормов – 5 мкг/кг. Регламентирующее остаточное содержание НП – 500 млн^-1 (Временный регламент, Сыктывкар, 1996). Считается, что угнетение растений начинается, когда количество мазута в почве становится выше 1 кг/м². Содержание углеводородов в растительной продукции допускается в пределах 20-38 млн^-1.

Ниже приведена таблица градаций степени загрязнения почв нефтепродуктами.

Таблица

Показатели степеней загрязненности земель нефтью (Руководящий документ по

рекультивации земель, загрязненных нефтью, Министерство нефтяной промыш-

ленности, 1987)

Группы природных районов	Степень загрязнения	Содержание остаточной нефти в первые недели после загрязнения, вес. %	Степень отмирания растительности в следующем вегетационном периоде, %
			травы	лесная растительность
мерзлотно-тудрово-таежные таежно-лесные степные	умеренная сильная умеренная сильная умеренная сильная	< 1 > 1 < 3 > 3 < 6 > 6	неполное полное неполное полное неполное полное	< 50 > 50 < 75 > 75 < 75 > 75

В настоящее время норматив предельно допустимой концентрации для нефтепродуктов не разработан. В соответствии с Методикой исчисления размера ущерба, вызываемого захламлением, загрязнением и деградацией земель на территории Москвы, утвержденной распоряжением мэра Москвы от 27.07.99 №801-РМ, за допустимый уровень нефтепродуктов в почвах принято содержание, равное 300 мг/кг.

Ниже приведены пути оптимизации обстановки при загрязнении почв нефтепродуктами.