Вальков - Почвоведение

форм удобрений, применение комплексных форм, использование пра­ вильных технологий внесения удобрений, соблюдение правил хране­ ния и транспортировки.

4.3.7. Загрязн ен и е п о ч в МИ МЕТАЛЛАМ**

И ДРУГИМИ ПРОДУКТАМИ ТЕХНОГЕНЕЗА

Тяжелые металлы (ТМ) — более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых состав­ ляет свыше 50 атомных единиц массы (Pb, Zn, Cd, Hg, Си, Mo, Mn, Ni, Sn, Со и др.).

Сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, так как к ТМ часто относят элементы-неметаллы, например As, Se, а иногда даже F, Be и другие элементы, атомная масса которых мень­ ше 50 а.е.м.

Среди ТМ много микроэлементов, биологически важных для жи­ вых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми ком­ понентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиоло­ гических процессов. Однако избыточное содержание ТМ в различ­ ных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы.

Источники поступления ТМ в почву делятся на природные (выве­ тривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулкани­ ческая деятельность) и техногенные (добыча и переработка полезных ископаемых, сжигание топлива, влияние автотранспорта, сельского хозяйства и т. д.). Сельскохозяйственные земли, помимо загрязнения через атмосферу, загрязняются ТМ еще и специфически, при приме­ нении пестицидов, минеральных и органических удобрений, извест­ ковании, использовании сточных вод. Городские почвы испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого явля­ ется загрязнение ТМ.

В природе встречаются территории с недостаточным или избыточ­ ным содержанием в почвах ТМ. Аномальное содержание ТМ в по­ чвах обусловлено двумя группами причин: биогеохимическими осо­ бенностями экосистем и влиянием техногенных потоков вещества. В первом случае районы, где концентрация химических элементов выше или ниже оптимального для живых организмов уровня, называются

природными геохимическими аномалиями или биогеохимическими

провинциями. Здесь аномальное содержание элементов обусловлено естественными причинами —особенностями почвообразующих пород, почвообразовательного процесса, присутствием рудных аномалий. Во втором случае территории называются техногенными геохимически­ ми аномалиями. В зависимости от масштаба они делятся на глобаль­ ные, региональные и локальные.

На поверхность почвы ТМ поступают в различных формах. Это оксиды и различные соли металлов, как растворимые, так и практи­ чески нерастворимые в воде (сульфиды, сульфаты, арсениты и др.). В составе выбросов предприятий по переработке руды и предприя­ тий цветной металлургии — основного источника загрязнения окру­ жающей среды ТМ — большая часть металлов (70—90%) находится в форме оксидов.

Попадая на поверхность почв, ТМ могут либо накапливаться, либо рассеиваться в зависимости от характера геохимических барьеров, свойственных данной территории. Большая часть ТМ, поступивших на поверхность почвы, закрепляется в верхних гумусовых горизонтах. ТМ сорбируются на поверхности почвенных частиц, связываются с органическим веществом почвы, в частности в виде элементно-орга­ нических соединений, аккумулируются в гидроксидах железа, входят

всостав кристаллических решеток глинистых минералов, дают соб­ ственные минералы в результате изоморфного замещения, находятся

врастворимом состоянии в почвенной влаге и газообразном состоянии

впочвенном воздухе, являются составной частью почвенной биоты. Степень подвижности ТМ зависит от геохимической обстановки и

уровня техногенного воздействия. Тяжелый гранулометрический со­ став и высокое содержание органического вещества приводят к свя­ зыванию ТМ почвой. Рост значений pH усиливает сорбированность катионообразующих металлов (медь, цинк, никель, ртуть, свинец и др.) и увеличивает подвижность анионообразующих (молибден, хром, ванадий и пр.). Усиление окислительных условий увеличивает ми­ грационную способность металлов. В итоге по способности связывать большинство ТМ, почвы образуют следующий ряд: серозем > черно­ зем > дерново-подзолистая почва.

Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и вы­ ступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

Загрязнение почв ТМ имеет сразу две отрицательные стороны. Вопервых, поступая по пищевым цепям из почвы в растения, а оттуда в организм животных и человека, ТМ вызывают снижение количества

икачества урожая сельскохозяйственных растений и животноводче­ ской продукции, рост заболеваемости населения и сокращение продолжительности жизни.

Во-вторых, накапливаясь в почве в больших количествах, ТМ спо­ собны изменять многие ее свойства. Прежде всего, изменения затра­ гивают биологические свойства почвы: снижается общая численность микроорганизмов, сужается их видовой состав (разнообразие), изме­ няется структура микробоценозов, падает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов

ит. д. Сильное загрязнение ТМ приводит к изменению и более кон­ сервативных признаков почвы, таких как гумусное состояние, струк­ турам и среды и др. Результатом этого является частичная, а в ряде случаев и полная утрата почвенного плодородия.

Механизм токсического действия ТМ на живые организмы состо­ ит в том, что они легко связываются с сульфгидрильными группа­ ми белков. В результате нарушается проницаемость мембран и про­ исходит ингибирование ферментов, что ведет к нарушению обмена веществ.

Взависимости от геохимических условий производства пища че­ ловека как растительного, так и животного происхождения, может удовлетворять потребности человека в минеральных элементах, быть дефицитной или содержать превышающее их количество, становясь более токсичной, вызывая заболевания и даже смерть. Разные ТМ представляют опасность для здоровья человека в различной степени. Наиболее опасными являются Hg, Cd, Pb.

Охрана почв от загрязнения ТМ заключается в следующем. Це­ лесообразнее всего не допускать загрязнения почв ТМ, так как их удаление из почвы — это очень сложная задача. Если же загрязне­ ние уже произошло, то почва требует санации («оздоровления»). По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение мо­ жет производиться путем промывок, путем извлечения ТМ из почвы

спомощью растений, путем удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т. п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организ­

мам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т. д. Одна ко любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный рас твор, а оттуда в живые организмы.

4 .3 .8 . З агр язн ен и е п о ч в неф тью и неф тепродуктам и

Нефть представляет собой смесь углеводов и их производных, в целом свыше 1000 индивидуальных органических веществ, каждое из которых может рассматриваться как самостоятельный токсикант. К нефтепродуктам относятся бензин, лигроин, керосин, газойль, ма­ зут, гудрон и т. д.

Источники загрязнения почв нефтью бывают природные (очень редко) и техногенные. В естественных условиях нефть залегает на больших глубинах и не оказывает влияния на почву. Основной ис­ точник загрязнения почвы нефтью —человеческая деятельность. За­ грязнение происходит в районах нефтепромыслов, нефтепроводов, а также при перевозке нефти. Районы и источники загрязнения почв нефтью можно условно разделить на две группы: временные и посто­ янные («хронические»). К временным районам можно отнести утечки при сухопутной или водной транспортировке. К постоянным отно­ сятся районы нефтедобычи, на территории которых земля буквально пропитана нефтью в результате многократных утечек.

Экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепро­ дуктами зависят от трех групп факторов: параметров загрязнения (химическая природа загрязняющих веществ, концентрация их в по­ чве, срок от момента загрязнения и др.), свойств почвы (структура почвы, гранулометрический состав, влажность почвы, активность ми­ кробиологических и биохимических процессов и др.) и характеристик внешней среды (температура воздуха, ветреность, уровень солнечной радиации и особенно доля ультрафиолетового излучения в свете, рас­ тительный покров и пр.).

Негативное влияние нефти на почву проявляется в значительном изменении морфологических, физико-химических и микробиологи­ ческих свойств почв. На самой поверхности почвы высокомолеку­ лярные продукты деградации нефти образуют довольно устойчивые

4 8 0 П о ч в о в е д е н и е

к разложению корочки, затрудняющие дыхание почвы. При много­ кратных разливах тяжелой нефти происходит образование прочных твердых смолисто-асфальтеновых покровов, в результате чего расте­ ния засыхают, наблюдается девегетация почв.

Изменение свойств почв проявляется в возрастании pH, повыше­ нии общего количества углерода в 2—10 раз, содержания углеводо­ родов в 10—100 раз. В почве нарушаются азотный режим, процессы нитрификации и аммонификации, окислительно-восстановительные процессы и т. д. Существенно меняются морфологические свойства почв: происходит изменение цветовых характеристик почвенного про­ филя в сторону преобладания серо- и темно-коричневых оттенков, ухудшается структура, снижается водопроницаемость почв.

Влияние нефти на растения обусловлено как ее непосредственным токсическим воздействием, так и трансформацией почв. Поступая в клетки и сосуды растений, нефть вызывает токсические эффекты. Они проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем и от­ мирании всех живых тканей растений. Нефть оказывает отрицатель­ ное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, подавляет рост их наземных и подземных частей, задерживает прорастание семян.

Для человека пары сырой нефти малотоксичны. Большее воздей­ ствие оказывает соприкосновение жидкой нефти с кожей, вызывая дерматиты и экземы.

Наряду с нефтью одним из основных загрязнителей являются пла­ стовые воды. Масштаб и интенсивность их воздействия на природные системы часто более значительны, чем собственно нефти и нефтепро­ дуктов. Загрязнение пластовыми водами приводит к хлоридно-натрие- вому засолению, возникает специфическое техногенное осолонцевание со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.

Охрана почв от загрязнения нефтью и нефтепродуктами (а также другими загрязняющими веществами) осуществляется двумя путями. Первый путь состоит в предотвращении попадания нефтепродуктов в почву. Второй заключается в очищении тем или иным образом по­ чвы от нефтяного загрязнения, которое уже произошло. Для этого необходимо проведение следующих мероприятий: мониторинг содер­ жания в почве нефти и нефтепродуктов; выработка норм допустимо­ го содержания нефтепродуктов в почве; капитальный ремонт или за­ крытие загрязняющих объектов, если установлено, что они являются источниками нефтяного загрязнения; наказание лиц, ответственных

за произошедшее загрязнение; рекультивация и санация загрязнен ных земель.

Специфика загрязнения земель нефтепродуктами заключается в том, ч т о последние долго разлагаются (десятки лет), на них не растут растения и выживают немногие виды микроорганизмов. Восстанов­ ление загрязненных нефтепродуктами земель проходит либо засевом культур, устойчивых к нефтяному загрязнению, либо завозом неза­ грязненной почвы, что осуществляется в три основных этапа: удале­ ние загрязненной нефтью почвы, рекультивация нарушенного ланд­ шафта, мелиорация.

4.3.9. Загрязн ен и е п о ч в п е с т и ц и д а м и

Необходимость применения химических средств защиты растений от вредителей и болезней определяется тем, что потери урожая без применения ядохимикатов могут составлять около 50%.

Пестициды —ядохимикаты для борьбы с сорняками (гербициды),

сгрибковыми болезнями растений (фунгициды) и вредителями (зооциды, инсектициды и др.). В зависимости от назначения химические вещества подразделяются на препараты для защиты растений от вре­ дителей и болезней, гербициды и средства предуборочной обработ­ ки культур. Первая группа — наиболее обширная и включает в себя бактерициды, гематоциды, акарициды, зооциды, лимациды, инсек­ тициды, нематоциды, овициды, фунгициды и иные препараты. Чаще всего применяются инсектициды. Эти ядохимикаты могут включать в себя хлорорганические, фосфорорганические и неорганические со­ единения ртути, свинца, мышьяка и других элементов.

Гербициды применяются как средство избирательного уничтоже­ ния сорной растительности. Из средств предуборочной обработки культур наибольшее применение нашли дефолианты, десинканты и стимуляторы роста.

Все яды, применяемые в сельском хозяйстве как средство борьбы

свредителями и болезнями растений, в большей или меньшей степени ядовиты для животных и человека. Широкое их применение оказыва­ ет всевозрастающее влияние не только на растения, но и на все живое население Земли. Примечательно, что лишь небольшая доза пести­ цидов достигает организмов, действительно подлежащих уничтоже­ нию. Значительная же их часть отрицательно действует на полезные

4 8 2 П о ч в о в е д е н и е

организмы, в том числе обитающие в почвах. Ядохимикаты влияют на микрофлору и микрофауну почвы, вызывают заметные сдвиги в биохимических и микробиологических процессах, сопровождающихся повышенным образованием и выделением углекислого газа, аммиака, аминокислот и других продуктов метаболизма. При этом изменяет­ ся ход и интенсивность процессов распада органических веществ по­ чвы —клетчатки, белка, сахаров. Пестициды снижают качество сель­ скохозяйственной продукции: ухудшаются хлебопекарные и пищевые свойства муки, повышается «водянистость» мяса. Опасность биоцидного загрязнения биосферы вообще и почв в частности усугубляется тем, что ядохимикаты обнаруживаются только трудновыполнимыми специфическими методами анализа, проявляются через заболевания и гибель организмов.

Перераспределение биоцидов по профилю и в горизонтальном направлении происходит под воздействием почвенной влаги, в ре­ зультате диффузии с почвенным воздухом, в процессах сорбции и десорбции, миграции растворов, эмульсий, суспензий. Применение ядохимикатов и длительность их сохранения в почве зависят как от химического состава почв, так и от природы самих препаратов. Наи­ большей стойкостью к разложению обладают производные триазина и мочевины. Некоторые ядохимикаты претерпевают различные хи­ мические превращения, переходят в другие соединения, иногда более токсичные, чем исходные.

При изучении последствий систематического применения физио­ логически активных соединений в биоценозах была установлена воз­ можность их превращения в нетоксичные соединения путем полного разложения или образования нетоксичных комплексов. Это явление получило название детоксикации. Вся система использования сель­ скохозяйственных угодий должна быть направлена на полную и ско­ рейшую детоксикацию всех биоцидов, поступающих в почвы.

Обычно выделяют группы физических, физико-химических и био­ логических факторов детоксикации. К физическим факторам отно­ сят сорбцию биоцидов высокодисперсными минералами и органиче­ скими почвенными коллоидами, их улетучивание и термическое раз­ ложение. Эти процессы зависит от свойств почвы, природы и свойств адсорбента, климатических и экологических факторов. Из физико­ химических факторов наиболее существенным является фотораз­ ложение (фотолиз), главным действующим началом которого слу­

жат длинноволновые ультрафиолетовые лучи солнечной радиации. В результате фотолиза многие пестициды трансформируются в менее токсичные продукты. Химические превращения пестицидов в почве

иводной среде в основном представляют собой гидролитические и окислительные процессы. Скорость этих процессов зависит от вида

ичисла атомов галоидов, длины углеводородной цепочки. Увеличе­ ние контакта токсиканта с почвой ускоряет гидролиз. Биологическое превращение и разложение пестицидов в почве обусловлено глав­ ным образом микробиологической детоксикацией. Установлено, что микробиологическое разложение пестицидов является главным путем детоксикации почв, а всякая активизация микробиологической дея­ тельности содействует исчезновению ядохимикатов из почв. Скорость микробиологического разложения пестицидов в почве определяется содержанием гумуса, температурой и влажностью почвы, содержа­ нием питательных веществ и другими факторами. Хорошие условия для развития почвенных микроорганизмов интенсифицируют биоло­ гическую детоксикацию пестицидов.

Частично судьбу пестицидов в почве удается регулировать агро­ техническими приемами —обработкой, применением орошения и удо­ брений, выбором сорта и культуры, способом внесения токсикантов, его глубиной, сроком. В посевах пропашных культур и на паровых участках вследствие лучшей аэрации детоксикация пестицидов, повидимому, происходит более интенсивно, чем в посевах зерновых. Здесь же необходимо отметить, что корне- и клубнеплоды поглоща­ ют и выносят ядохимикаты в больших количествах, нежели другие культуры.

Сегодня вряд ли можно полностью отказаться от применения ядо­ химикатов. Но нужно быть осторожным с дозировкой, транспорти­ ровкой, хранением и т. д. Рациональное использование пестицидов должно осуществляться путем снижения норм расхода препаратов, оптимизации сроков и способов применения, подбора препаратов, наиболее безвредных для среды и человека, сокращения обработок на основе учета экологических и экономических порогов вредности фитофагов. Хорошо известны биологически безвредные для здоро­ вья людей методы борьбы с вредителями. К сожалению, их приме­ няют крайне редко.

Главные условия создания чистых агроценозов и ландшафтов — всемерное сокращение применения ядохимикатов, высокая техника,

использование биологических средств защиты растений и устойчивых к болезням и вредителям сортов.

4.3.10. Р а д и о а к т и в н о е загрязн ен и е почв

Радиоактивность — способность нестабильных ядер элементов (радиоактивных изотопов, радионуклидов) к самопроизвольному рас­ паду. Следствием ядерного распада является ионизирующая радиа­ ция в виде потока альфа- и бета-частиц, гамма-квантов и нейтронов. Радиоактивность измеряется специальными счетчиками.

Действие радиации зависит от энергии частиц и силы излуче­ ния, то есть числа частиц, вылетающих в единицу времени. Сила излучения измеряется в беккерелях (1 Бк = 1 распад в секунду) или кюри (1 Ки = 3,7 • Ю10 Бк). Дозу излучения, поражающую организм, находят путем измерения количества поглощенной им энергии. В качестве единиц радиоактивности используют также: Кл/кг (1 Кл/кг = 3,9* 103 рентген); грей (1 Гр = 100 рад); зиверт (1 Зв = 100 бэр). Максимальные дозы, не причиняющие вреда орга­ низму человека, в случае их многократного действия равны 3ul0~3 Гр (0,3 рад) в неделю и в случае единовременного действия — 0,25 Гр (25 рад). Доза естественного облучения зависит от высоты над уров­ нем моря и природы подстилающих почву пород.

Радиоактивное излучение является канцерогенным (вызывает ра­ ковые заболевания) и мутагенным (увеличивает частоту мутаций) фактором.

На процесс поглощения и накопления радиоактивных изотопов живыми организмами влияют многие факторы:

1. Природа радиоактивных элементов. Наибольшее значение име­ ют изотопы с длинным периодом полураспада и особенно те, которые накапливаются в тканях: Sr90 в костях и I132 в щитовидной железе.

2.Очень высокая специфичность коэффициента концентрации, ко­ торый представляет отношение элемента в организме к его количеству

вокружающей среде. Этот коэффициент изменяется в очень широких пределах, от 1 до 200, а иногда и значительно больше. Поэтому не­ которые организмы благодаря извлечению радиоактивных элементов из окружающей среды сами становятся токсичными.

3.Содержание в окружающей среде элементов-антагонистов. От­ мечено, что в пищевых цепях радиоизотопы способны вступать в кон­

курентные отношения с другими химическими элементами. Чем мень ше содержание соответствующих элементов в окружающей среде, тем большее значение приобретают изотопы. Так живущие в бедной среде организмы загрязняются быстрее, чем обитающие в богатой. Овцы, пасущиеся на бедных кислых торфянистых почвах (pH 4,3), имеют коэффициент концентрации в костях Sr90, равный 714, против 115 на бурой пустынно-степной почве с pH 6,8.

4. Вид и возраст организмов. Радиочувствительность разных ор­ ганизмов весьма различна. Установлено, что микроорганизмы более чувствительны к а- и лучам, а крупные организмы — к у лучам. По степени устойчивости к радиации живые организмы образуют ряд: бактерии > насекомые > млекопитающие. Молодые особи обладают большей радиочувствительностью и большей интенсивностью погло­ щения радионуклидов, чем старые.

Радиоактивность почв обусловлена содержанием в них радиону­ клидов. Различают естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность поче вызывается естествен­ ными радиоактивными изотопами, которые всегда в тех или иных количествах присутствуют в почвах и почвообразующих породах.

Естественные радионуклиды подразделяют на 3 группы. Первая группа включает радиоактивные элементы — элементы, все изотопы которых радиоактивны: уран (^ U , ^ U ), торий (^ ^ h ), радий (226Ra) и радон (222Rn, 220Rn). Во вторую группу входят изотопы «обычных» элементов, обладающие радиоактивными свойствами: калий (Л0К), ру­ бидий (87Rb), кальций (^Са), цирконий (%Zr) и др. Третью группу составляют радиоактивные изотопы, образующиеся в атмосфере под действием космических лучей: тритий (3Н), бериллий (7Ве, 10Ве) и углерод ( |4С).

Валовое содержание естественных радиоактивных изотопов в основном зависит от почвообразующих пород. Почвы, сформировав­ шиеся на продуктах выветривания кислых пород, содержат радиоак­ тивных изотопов больше, чем образовавшиеся на основных и ультраосновных породах; тяжелые почвы содержат их больше, чем легкие.

Естественные радиоактивные элементы распределяются по профи­ лю почв обычно относительно равномерно, но в некоторых случаях они аккумулируются в иллювиальных и глеевых горизонтах. В по­ чвах и породах присутствуют преимущественно в прочносвязанной форме.