- •И. Н. Волкова экологическое почвоведение
- •Рецензенты:
- •Место экологического почвоведения в системе других наук, цель и задачи курса
- •1. Развитие почвенного покрова Земли
- •2. Учение об Экологических функциях почв
- •2.1. Становление и сущность учения об экофункциях почвы
- •2.2. Биогеоценотические функции почв
- •2.2.1. Функции, обусловленные физическими
- •2.2.2. Функции, связанные с химическими свойствами почв
- •2.2.3. Функции, определяемые физико-химическими параметрами почв
- •2.2.4. Информационные функции
- •2.2.5. Целостные биогеоценотические функции почвы
- •3. Глобальные функции почв
- •3.1. Почва и литосфера
- •3.1.1. Биохимическое преобразование верхнего слоя литосферы
- •3.1.2. Почва – защитный барьер литосферы от чрезмерной эрозии
- •3.1.3. Почва – источник вещества для образования пород
- •3.1.4. Передача аккумулированной солнечной энергии и вещества атмосферы в недра Земли
- •3.2. Почва и гидросфера
- •3.2.1. Участие почвы в формировании речного стока
- •3.2.2. Трансформация почвой атмосферных осадков в почвенно-грунтовые и грунтовые воды
- •3.2.3. Почва как фактор биопродуктивности водоемов
- •3.2.4. Почва – защитный барьер для акваторий
- •3.3. Почва и атмосфера
- •3.3.1. Почва как фактор формирования, эволюции
- •3.3.2. Почва как источник твердого вещества и микроорганизмов, поступающих в атмосферу
- •3.3.3. Влияние почвы на энергетический режим
- •4. Естественная и антропогенная динамика почвенных свойств
- •4.1. Изменчивость факторов почвообразования
- •4.2. Природная и антропогенная динамика
- •4.3. Динамика физических свойств почвы
- •4.3.1. Природная динамика физических свойств почвы
- •4.3.2. Антропогенная динамика физических свойств почвы
- •4.4. Динамика химических свойств почв
- •4.4.1. Естественная динамика химических свойств почв
- •4.4.2. Изменения химических свойств почв под влиянием
- •4.5. Деградация микробиологических
- •5. Почвенный экологический мониторинг:
- •5.1. Показатели почвенного экологического мониторинга
- •5.2. Виды почвенного экологического мониторинга
- •5.3. Объекты почвенного экологического мониторинга
- •5.4. Выбор тестовых участков при контроле состояния загрязненных почв
- •5.5. Экологическое нормирование качества загрязненных почв
- •Список литературы
- •Экологическое почвоведение
- •150000, Ярославль, ул. Советская, 14.
5.5. Экологическое нормирование качества загрязненных почв
Задачей экологического мониторинга является оценка состояния окружающей среды на основе регулярных наблюдений. «Ценой» при этом являются нормативы качества окружающей среды. Различают два основных подхода к оценке качества среды (в том числе и почв). При антропоцентрическом подходе «нормальной» считается среда (почва), обеспечивающая требуемое качество жизни человека. Примером антропоцентрического подхода является санитарно-гигиеническое нормирование. При экосистемном подходе «нормальной» считается экосистема, во всех звеньях которой отсутствуют значимые антропогенные нарушения. Экосистемный подход служит гарантией сохранения как живых организмов, так и человека.
Санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды служат предельно допустимые количества (ПДК) химических веществ в изучаемых объектах. ПДК соответствуют максимальному содержанию химического вещества в природных объектах, которое не вызывает негативного (прямого или косвенного) влияния на здоровье человека. Впервые ПДК стали определять в воздухе рабочих помещений (1925 г.); к 1989 г. были разработаны ПДК более 300 веществ, содержащихся в атмосферном воздухе, и почти 1000 ПДК веществ для воды. Для почв к этому моменту было разработано ПДК около 30 веществ, это отставание в количестве нормативов для химических веществ в почвах связано с неоднородностью почвенного покрова и почвенных свойств, существенно влияющих на растворимость, реакционную способность и подвижность веществ в почве. Прямые контакты человека с почвой несущественны или вообще отсутствуют. Человек контактирует с почвой опосредованно через другие среды или живые организмы в следующих вариантах: почва-растение-человек; почва-растение-животное-человек; почва-воздух-человек, почва-вода-человек. Определение ПДК химических веществ в почвах фактически сводится к экспериментальному определению способности этих веществ поддерживать допустимую для живых организмов концентрацию веществ в воде, воздухе и растениях, контактирующих с почвой. Поэтому ПДК веществ для почв устанавливается не только по общесанитарному показателю (как это принято для воздуха и воды), а еще и по транслокационному, миграционному водному и миграционному воздушному показателям.
Общий санитарный показатель определяют на основе полулетальной дозы ЛД 50 (доза химического вещества, вызывающая гибель 50 % подопытных животных). Транслокационный показатель определяют по способности почв обеспечивать содержание химических веществ на допустимом уровне в растениях. Миграционный водный показатель определяют по способности обеспечивать безопасное (не выше ПДК) содержание загрязняющих веществ в воде. Миграционный воздушный показатель определяют по способности обеспечивать безопасное (не выше ПДК) содержание загрязняющих веществ в воздухе. Норматив для почв устанавливается по наименьшему из всех экспериментально найденных показателей. Уровни ПДК, установленные по разным показателям, отражают как токсичность химических веществ, так и доминирующий механизм их распространения в природных средах.
Система нормирования на основе ПДК имеет ряд недостатков, вот основные из них:
- условия модельного эксперимента, в которых идет их лабораторное определение, существенно отличаются от природных;
- выводы о воздействии ПДК веществ на лабораторные объекты (животные, растения) переносятся без полного основания на человека, что недостаточно обоснованно;
- при установлении ПДК моделируется действие одного фактора (в крайнем случае, не более двух – трех), в реальных условиях организм подвергается комплексному воздействию ряда факторов, которые не учитываются;
- не учитывается взаимодействие химических веществ, при разных видах взаимодействия (антагонизм, синергизм, аддитивность) могут образовываться вещества более опасные, чем исходные;
- не учитывается возможность кумулятивного эффекта веществ;
- не учитываются свойства почв, сильно различающиеся в разных регионах страны.
В настоящее время для преодоления несовершенств в системе экологического нормирования предлагаются различные подходы. Одним из них является разработка ориентировочных допустимых концентраций (ОДК) химических элементов для почв, различающихся по важнейшим свойствам (кислотности и гранулометрическому составу). ОДК разрабатывали на основе обобщения имеющихся сведений о взаимосвязи между уровнем нагрузки на почвы и состоянием почв и сопредельных сред.
В основу группировки почв по устойчивости их к тяжелым металлам положены кислотно-щелочные условия, преобладающие в тех или иных почвах. Для группировки почв было принято во внимание распространение основных геохимических ассоциаций почв на территории России. Наибольшую площадь распространения имеют геохимические ассоциации почв с кислой и нейтральной реакцией среды, которые можно разделить на две группы: почвы с очень кислой и кислой реакцией среды (рН водной вытяжки < 5); почвы со слабокислой и нейтральной средой (рН 5–7). В эти две ассоциации, занимающие 60–70 % площади России, войдут практически все подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные и часть черноземов. Важен учет гранулометрического состава почв, особенно для первой группы, в которой выделили подгруппу песчаных и супесчаных почв (наименее устойчивых к загрязнению) и подгруппу суглинистых и глинистых (более устойчивых). Уровни ОДК для одного и того же элемента для почв с разными свойствами различаются в 4–5 раз.
Медико-географический подход лежит в основе биогеохимического нормирования. Этот вид нормирования основан на натурных наблюдениях в биогеохимических провинциях, где самой природой созданы условия избытка или недостатка тех или иных химических элементов. Результаты регулярных наблюдений за состоянием живых организмов и здоровьем людей на таких территориях позволяют установить их связь с содержанием элементов в природных средах. Ценность этого подхода в опоре на фактический, а не экспериментальный материал. Результатом исследований стало разделение нашей страны на биогеохимические зоны: таежно-лесную нечерноземную, лесостепную и степную черноземную, сухостепную, полупустынную и пустынную, горную. Каждая из зон мозаична, в ней могут быть выделены биогеохимические провинции с различным уровнем содержания химических веществ в природных средах. Для выделенных провинций проведен анализ экологических параметров, определены те концентрации химических элементов в почвах, водах, растениях, выше или ниже которых нарушаются обменные процессы в живых организмах. На основе биогеохимического районирования В. В. Ковальским установлены пороговые концентрации ряда химических элементов в почве.
Нормирование состояния загрязненных почв может проводиться и на основании концепции экологического риска. Риск от химического загрязнения – это нежелательные для человека и почв последствия антропогенной деятельности, которые могут произойти с определенной долей вероятности. Оценка экологического риска для определенного ландшафта вследствие загрязнения почв химическими веществами проводится на основе сведений о реальной нагрузке загрязняющих веществ на почвы (общей и критической, выраженной в т/га), их миграции в ландшафте и учете устойчивости почв к загрязнению. При этом принимаются во внимание следующие факторы, характеризующие ландшафт: тип почв, гранулометрический состав, положение в рельефе, водный режим, тип растительности, почвообразующие породы. Негативный эффект влияния повышенной нагрузки на почвы оценивается по реакции чувствительных живых организмов, чаще всего – микроорганизмов. Ориентировочный показатель экологического риска можно найти как отношение общей химической нагрузки на почвенный покров к критической нагрузке этих веществ на эту же территорию. Уровни показателя экологического риска загрязнения почв измеряются величинами, превышающими единицу, колеблются в широких пределах (от 1 до 1000) и могут быть классифицированы. Нормирование на основе концепции экологического риска имеет прямой выход в практику, так как позволяет учитывать опасность загрязнения почвы при расчете кадастровой стоимости (чем выше риск загрязнения почвы, тем ниже ее стоимость).
В последнее время в подходах к нормированию содержания химических элементов в почвах все большее распространение получает экосистемное нормирование. Концепция экологического нормирования опирается на экосистемный подход. Главным в данном подходе является тезис о том, что нормальным состояние экосистемы может быть только при сохранении ее целостности, при обеспечении сохранности биогеохимических циклов всех химических элементов в экосистеме. Цель экосистемного нормирования состоит в том, чтобы сохранить природу в таком состоянии, когда все живые организмы имеют равное право на существование. Такой подход обеспечит и сохранение человека (популяции, индивидуума) как компонента экосистемы. Отличие человека от большинства других организмов в том, что он является конечным концументом в большинстве трофических цепей. Задача состоит в том, чтобы проверить, сохраняется ли уровень содержания того или иного вещества в экосистеме при любом антропогенном воздействии в пределах флуктуации его содержания в природных условиях или выходит за его пределы.
Теория экосистемного нормирования последовательна, но подходы и методы ее окончательно не разработаны и находятся в стадии становления. Так, не разработаны понятия о существенных и несущественных изменениях в экосистеме. Требуется учитывать все силы в экосистеме, которые способны компенсировать внешнее техногенное воздействие на нее. При оценке этого влияния применяется принцип «слабого звена»: следует уделить внимание тому виду воздействия, которое может лимитировать развитие экосистемы. Это значит, что нагрузки, допустимые для самого уязвимого компонента экосистемы, принимаются как допустимые для системы в целом.
При экосистемном подходе нужно принимать во внимание не только токсическое действие химического вещества. Следует оценивать и другие возможные виды нарушений экосистемы, такие как сокращение видового разнообразия, изменение отдельных групп биоты, выпадение из системы видов – доминантов, изменение величины продуктивности, упрощение трофической цепи, уменьшение ассимиляционной емкости экосистемы и ее способности к самоочищению, разрушение экосистемы.
Выбор показателей при экосистемном нормировании зависит от того, на каком уровне организации экосистемы оцениваются изменения. Например, предлагается в качестве критериев экологического состояния экосистемы использовать показатели сохранности вертикальной и горизонтальной структуры фитоценоза, показатели завершенности круговорота веществ (конечным результатом данного процесса является плодородие), баланс гумуса в почве. Если в почве поддерживается положительный запас гумуса (отсутствуют потери гумуса в многолетних циклах), то предлагается считать нагрузки на экосистемы допустимыми. Признаком нарушения в сохранности экосистем предлагается считать накопление в зоне техногенного воздействия неразложившейся подстилки, что может свидетельствовать о незавершенности круговорота углерода.
Контрольные вопросы по курсу экологического почвоведения
1. Предмет и задачи экологического почвоведения.
2. История возникновения и развития почвенного покрова Земли (криптозой, фанерозой).
3. Становление и сущность учения об экологических функциях почв – глобальных и биоценотических.
4. Глобальные экологические функции почв: почва и литосфера.
5. Глобальные экологические функции почв: почва и гидросфера.
6. Глобальные экологические функции почв: почва и атмосфера.
7. Биоценотические функции почв, связанные с ее физическими свойствами.
8. Биоценотические функции почв, связанные с ее физико-химическими свойствами.
9. Биоценотические функции почв, связанные с ее химическими свойствами.
10. Информационные функции почв.
11. Целостные биоценотические функции почв.
12. Циклические и трендовые изменения почвенных свойств. Почвообразующие породы как фактор изменчивости почвенных свойств.
13. Сезонные изменения климата как пример циклических явлений и их влияние на почвенные свойства.
14. Влияние растительности и рельефа на почвенные свойства.
15. Естественная и антропогенная динамика морфологических почвенных свойств: мощности горизонтов и профиля в целом, цвета, новообразований, включений.
16. Естественная и антропогенная динамика физических свойств почвы (гранулометрического состава, агрегированности, плотности); влияние их динамики на почвенную биоту.
17. Основные водно-физические свойства почв и их изменение под влиянием деятельности человека.
18. Доступность почвенной влаги для растений.
19. Доступность почвенной влаги для микроорганизмов и водорослей.
20. Естественная динамика химических свойств почв: химического состава, поглотительной способности, pH, Eh.
21. Изменение химических свойств почвы под влиянием кислотных выпадений, нарушение кислотно-щелочного баланса почвы как фактор деградации химических свойств почвы .
22. Деградация химических свойств почвы под влиянием тяжелых металлов, пестицидов, радионуклидов.
23. Типы почвенно-геохимических барьеров. Поведение тяжелых металлов на различных почвенно-геохимических барьерах.
24. Дегумификация и потеря почвами элементов питания – основная причина деградации химических свойств почв агроценозов.
25. Деградация почвенных свойств под влиянием нефти, нефтепродуктов и других органических загрязнителей.
26. Деградация микробиологических свойств почвы.
27. Почвенный экологический мониторинг: определение, виды, объекты, показатели.
28. Показатели состояния почв при их мониторинге – биохимические и педохимические.
29. Выбор тестовых участков при контроле состояния загрязненных почв.
30. Основные подходы к экологическому нормированию качества почв и используемые критерии.