2. Факторы почвообразования.

Почвы формируются вследствие многообразных и беспрерывных изменений верхних горизонтов горных (почвообразующих) пород под воздействием растительных и животных организмов. Однако возникновение почв зависит и от ряда других природных факторов. Условия, под воздействием которых протекает почвообразовательный процесс, и формируются почвы, называются факторами почвообразования. Как указывалось ранее, В.В.Докучаев выделил следующие пять природных факторов почвообразования:

1) почвообразующая (материнская) порода;

2) климат;

3) растительность и животный мир (биологический фактор);

4) рельеф;

5) возраст.

В дополнение выделяют еще шестой фактор - производственную деятельность человека.

3. Кларки почв

ХЭ в почвах содержатся в живых организмах (биогенная форма нахождения), минералах, водных (почвенных) растворах (сорбированной форме), газовых смесях. При определении кларковых содержаний ХЭ в почвах обычно учитываются все формы нахождения элементов в сумме, за исключением газовых смесей.

К настоящему времени большая часть почв в равнинных условиях разных стран относится к сельскохозяйственным угодьям. Содержание ХЭ и соотношение различных форм нахождения стало зависеть от методов хозяйствования. Техногенное загрязнение почв захватывает все новые территории.

Кларковые содержания ХЭ в почвах представляют собой усредненные значения Кларков этих же элементов в горных породах.

4. Природная экопедохимия. Антропогенные изменения почв

Проблема поступления металлов в растения имеет несколько практических аспектов. Во-первых растение является промежуточным резервуаром, через которое металл переходит из воды, воздуха и главным образом почвы в организмы человека и животных, во вторых доказана токсичность самих растений, в третьих выяснение возможности использования растений в качестве биоиндикатора загрязненной среды тяжелыми металлами.

Повышенное содержание тяжелых металлов в почвах создают благоприятные условия для захвата их растениями. Это способствует изменению видового состава биоценозов: в них увеличивается доля толерантных видов способных усваивать ТМ в значительных количествах. По данным Добровольского (1984), только в годовом приросте растительности содержание цинка превышает годовую добычу цинков в мире.

В горнодобывающих районах природные геохимические аномалии с экологических позиций можно отнести к зонам загрязнения. Этот факт почти не учитывается при размещении сельскохозяйственных угодий, личных участков и пастбищ в районах горнодобывающих предприятий.

В радиусе до 2-5, реже 10-15 км. вокруг металлургических заводов цинк, медь, свинец и кадмий в большом количестве накапливаются в почве, что приводит к снижению продуктивности сельскохозяйственных растений и увеличению содержания в них токсичных элементов. Возможны два пути поступления тяжелых металлов в растения: из атмосферы через листовую поверхность и из почвы через корневую систему. Немытые листья содержат в 3-12 раз больше свинца. На открытом грунте среднее содержание химических элементов в помидорах в 1-1,5 раза выше, чем в парниках.

Тяжелые металлы, как известно, по разному накапливаются в органах растений. Максимальное их количество содержится в корнях, минимальное в генеративных органах. По степени насыщенности тяжелыми металлами растения как правило, располагаются в ряд: корни> листья> стебли> семена (плоды). Преимущественное накопление металлов в корнях объясняется тем, что при проникновении в плазму происходит инактивация и депонирование значительных количеств тяжелых металлов, видимо, в результате образования малоподвижных соединений с органическими веществами.

Наиболее токсичными для растений являются Hg, Cu, Ni, Pb, Co и Cd K.W.Smilde изучая фитотоксичность Cd Cr Cu Ni Pb Zn установил следующий ряд фитотоксичности: Cd < Ni < Cu < Zn < Cr < Pb. Наиболее общие и неспецифичные симптомы фитотоксичности – это обесвечивание или бурые точки на листьях и на краях и коричневатые, слаборазвитые коралловидные корни.

По мнению некоторых авторов, сравнение содержания тяжелых металлов в почве и растениях, выраженные в обычных единицах измерения, не позволяет установить статистически достоверные сведения между ними. Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы, и они устойчивы к повышенным их концентрациям, чем низшие.

Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка отмечаются в грибах, мхах и лишайниках.

Культурные растения, как правило, в меньшей степени способны накапливать тяжелые металлы и обладают меньшей устойчивостью к ним, чем дикорастущие. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья людей, поскольку при этом допускается проникновение загрязнителей в пищеварение.

Коэффициент накопления металлов растениями (отношение содержания элемента в органах растения к количеству подвижного элемента в почвах), наиболее высок для цинка и кадмия, наименьший – для свинца. Большая часть тяжелых металлов концентрируется в стеблях и листьях. Вместе с тем, цинк и кадмий отмечены как наиболее фитотоксичные элементы. Благодаря подвижности кадмия в системе почва-растение его токсичность примерно в 10 раз выше, чем у свинца. По способности накапливать кадмий, растения расположены в ряд: капуста > салат > морковь > картофель > помидоры.

В почвах огородов вблизи завода цветных металлов накапливается и свинец. Наибольшая концентрация свинца, как правило, содержится в корнях, меньше его в вегетативных органах растений, еще меньше – в репродуктивных органах (плоды, семена). Активное накопление свинца отмечается в основных сельскохозяйственных продуктах – корнеплодах и капусте.

Для цинка установлено, что он остановится токсичным для томатов при концентрации от 5 до 15 мкг/л во внутрипочвенных растворах и при общей концентрации в почвах 500-800 мкг/л.

Совместное поступление цинка, кадмия, свинца приводит к большой мобильности их в почвах и высокий доступности растениям. Совместное присутствие их в пыли, обуславливает больший фитотоксический эффект кадмия в составе пыли, чем просто в форме окиси. Известно, что под действием кадмия и свинца уменьшаются снабжение растений фосфором, селективность клеточных мембран и увеличивается их проницаемость для токсикантов. Кроме того, свинец в небольших дозах оказывает синергетический эффект на поступление кадмия в растения. Смесь цинка и меди в 5 раз более токсична, чем тех же концентрациях порознь. Минеральная подкормка почв, отвечающая по составу полиметаллическим рудам (цинк + свинец+ медь + кадмий), вызывает в растениях более заметное повышение количества кадмия, чем при раздельном нанесении тех же элементов.

По данным Vetter H., Makhod R., Fruchenicht K. (1974) именно растительная пища является главным поставщиком избыточных тяжелых металлов: с нею поступает 70-80% от общего их потока в организм человека. Количества их намного больше, если садовые и огородные участки расположены в зоне промышленного загрязнения.

Благодаря наличию в растениях защитных механизмов, накопление тяжелых металлов в них неадекватно их концентрации в почве. Синтез, транспорт и накопление питательных веществ в растениях происходит под защитой мембран. Чем меньше орган растения связан с функциями фотосинтеза и транспорта минеральных веществ, тем меньше он насыщен тяжелыми металлами. Однако различие между содержанием тяжелых металлов в вегетативных и запасающих органах возрастает с увеличением количества подвижной формы в почве.

Избирательной способностью к накоплению тяжелых металлов обладают грибы. Особую опасность представляет тенденция съедобных грибов к накоплению тяжелых металлов в районах промышленных выбросов. Так, цинк больше всего накапливается в лисичках – 140, сыроежках – 100 мг/кг. Медь концентрируют подберезовик (21,6 мг/кг), шампиньоны (66,6). Максимальное количество цинка и меди – в шляпах, вдвое меньше – в ножках. Биологическим накоплением кадмия отличаются подберезовик, а меди – свинушка, черный груздь, дождевик. Ртути в грибах может быть в 30-35 раз больше, чем в почве под ними. Особой способностью к накоплению кобальта и цинка отличается летний опенок.

Таким образом, при аномально высоком содержании тяжелых металлов в почвах, происходит значительное накопление их в растениях. Концентрация тяжелых металлов зависит от расстояния до источника выброса, розы ветров, агрохимических свойств почв и особенностей растения. Совместное присутствие тяжелых металлов усиливает их токсичность. Употребление в пищу овощей, фруктов, а также грибов, произрастающих на загрязненной территории может пагубно отразиться на здоровье людей.

По подсчетам специалистов ежегодно от трети до половины мировых запасов продовольствия пожирают или повреждают насекомые, плесневые грибки, грызуны, птицы и другие вредители, которые уничтожают урожай и в поле, и при его сборе, погрузке, транспортировке и хранении. В случае успешной борьбы с насекомыми и болезнями, которые поражают зерновые культуры, ежегодная прибавка урожая составила бы около 200 млн. тонн зерна, что хватило бы для пропитания 1 млрд. человек.

Швейцарский химик Пауль Мюллер, руководитель лаборатории фирмы «Тейги» в 1938 году обнаружил замечательные инсектицидные свойства у дихлордифенилтрихлорэтана (ставшего известным позднее под названием ДДТ) и спустя 10 лет за это открытие был удостоен Нобелевской премии в области биологии и медицины. Действительно, уже первые результаты применения этого "чудо оружия" были просто ошеломляющими - рост урожайности, внедрение экономичных способов ведения сельского хозяйства, новые эффективные средства борьбы с насекомыми, переносящими инфекции. Во время Второй мировой войны ДДТ был применен против вшей, распространяющих сыпной тиф. В результате это была первая из войн, в которой от тифа погибло меньше людей, чем от пуль противника. Использование ДДТ против комаров - переносчиков малярии резко снизили смертность от этого заболевания. Если еще в 1948 г. только в Индии погибло от малярии более трех миллионов человек, то в 1965 г. в этой стране не было зарегистрировано ни одного случая смерти от малярии. Именно благодаря ДДТ таким образом удалось спасти миллионы жизней и именно за это Мюллер по праву получил Нобелевскую премию.

Однако спустя два-три десятилетия выявились и негативные экологические последствия необдуманного использования ДДТ и многих других пестицидов. ДДТ - агент, применение которого привело к глобальному загрязнению окружающей среды. Установлено, что влияние ДДТ на среду географически существенно шире, чем территория его непосредственного применения в результате переходов из почвы в воду и воздух, из воздуха в воду и т.д., переноса биомассой, воздушными массами и океаническими течениями. Таким образом, сегодня загрязнение природной среды этим инсектицидом приняло повсеместный характер, ДДТ обнаружен даже в Антарктиде.

Проблемы, связанные с ДДТ и другими синтетическими (в частности с хлорированными) пестицидами, можно свести к следующим:

1) развитие невосприимчивости вредителей к этим препаратам;

2) устойчивость пестицидов в среде и накопление их в возрастающих концентрациях в организмах;

3) возрождение вредителей и вторичные вспышки численности;

4) рост материальных затрат на применение пестицидов;

5) нежелательные воздействия на окружающую среду и здоровье человека. В этих аспектах и целесообразно рассмотреть негативные экологические последствия действия подобных соединений.

Популяции насекомых-вредителей изменчивы, их генофонд достаточно динамичен и способен довольно быстро эволюционировать. Обработка пестицидами создает давление естественного отбора, приводящее к устойчивости популяции.

При экспозиции к ДДТ у людей могут наблюдаться гормональные изменения, поражения почек, центральной и периферической нервной системы, цирроз печени и хронический гепатит. Несмотря на практическое отсутствие генотоксичности, ДДТ отнесен к группе с высоким фактором канцерогенного риска. Таким образом, ДДТ должен рассматриваться как агент, обладающий высоким уровнем опасности для окружающей среды и здоровья человека.

Эта опасность ДДТ, как и других пестицидов, вследствие главным образом их длительной трансформации в окружающей среде, сохраняет свою актуальность и по сей день, несмотря на то, что уже в начале 1970-х годов был наложен запрет на выпуск и применение некоторых пестицидов. Первой страной, где был запрещен ДДТ, была Новая Зеландия. СССР был второй страной, но это запрещение имело две оговорки: применение разрешалось в Узбекистане, где еще встречались случаи малярии, и в таежных районах, где при вырубке леса для временных поселений образовывались прогалины, в которых размножались мыши, а вслед за ними клещи, создавая очаг клещевого энцефалита, с которым можно эффективно бороться именно ДДТ. Когда в США концентрация ДДТ в молоке кормящих матерей в результате передачи этого вещества через пищевые цепи достигла уровня в четыре раза превышающего предельно допустимые, то применение ДДТ было запрещено. Следует отметить, что США поставляют около 30% пестицидов, используемых в мире. Вместе с тем запрет на ДДТ не повсеместен. В Австралии и Китае его применяют и по сей день для опрыскивания фруктовых садов и плантаций, а Индия его продолжает производить.

Общее количество запрещенных и пришедших в негодность пестицидов составляет 13,4 тыс. тонн. Физическое состояние их, неопределенность химического состава, не везде удовлетворительные условия хранения, представляют потенциальную опасность для окружающей среды и здоровья людей. Утилизация их до настоящего времени практически не проводилась.

Города и другие населенные пункты занимают сейчас более 1 % территории суши нашей планеты. Значительная доля химических элементов содержащихся в участвующих в миграциях продуктов, поступает в окружающую человека среду не только в районах добычи сырья, но и в районах его переработки и потребления. Поэтому в особенно тщательной охране окружающей среды нуждаются именно города и поселения человека.

В городах накапливаются антропогенные отложения («культурный слой»), изменяется механический состав и пластичность грунтов, бронируются и насыпаются почвы, засыпаются овраги и небольшие балки, выравниваются западины и ложбины стока, создаются котловины, выемки, насыпи, каналы, плотины, подземные полости, террасируются и укрепляются склоны, выравниваются крутые спуски. Нарушаются режим, глубина залегания и химический состав грунтовых вод.

Городские почвы подразделяются на две основные группы - природные и искусственные - насыпные почвы. На природных почвах создано большинство пригодных парков и лесопарков. Почвы насыпные служат для закладки городских парков, скверов, садов, уличных посадок, газонов. Они сильно отличаются друг от друга по физико-химическим показателям.

Самой характерной и наиболее неблагоприятной для растительности чертой городских почв является способность накапливать ТМ и повышенная плотность, которая с одной стороны, связана с рекреационными нагрузками, с другой - с ослаблением их способности к минерализации органических веществ.

Асфальтовые покрытия затрудняют доступ воды и кислорода в почву. Влажность городских почв на 50-70% ниже, чем в лесу. По всему профилю наблюдается накопление легкорастворимых солей, ТМ и других токсикантов, угнетающих деятельность почвенных микроорганизмов. Различные зоны города характеризуются своим набором растений. [4]

Для уральских городов эта проблема имеет особые черты и проявления, обусловленные специфической исторической судьбой «городов-заводов». Создаваемая материальная среда этих поселений, на основе которых развивается до 70% современных городов, имеет своеобразную обусловленность и пространственную связь с элементами природного ландшафта.

Вокруг многих промышленных предприятий земли загрязнены токсичными веществами. В России выявлено 730 тыс.га земель с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения почв.

Самыми мощными источниками загрязнения почвенных покровов являются крупные комбинаты цветной металлургии. В прилегающих к ним землях зарегистрированы высокие уровни тяжелых металлов, относящихся к первому классу опасности. Объясняется это, прежде всего тем, что на горнодобывающих предприятиях отрасли все еще преобладает открытый способ добычи минерального сырья.

В десятках городов вблизи металлургических предприятий в почвенном покрове обнаружены тяжелые металлы в количестве, равном или превышающем ПДК. По суммарному индексу загрязнения почвенного покрова первое место занимает Рудная пристань (Приморский край), где расположен завод по выплавке свинца. Содержание здесь в почве свинца составляет 300 ПДК. В Белово (Кемеровская область) содержание свинца в почвенном покрове составляет 50 ПДК, в Ревде (Свердловская область) – 5 ПДК.

Возросло содержание тяжелых металлов в почвах Московской области. Так, в Ленинских горках концентрация в почве кадмия в 70-100 раз выше фонового, в районе Серпухова - в 70 раз больше фонового.

Превышение ПДК подвижных форм свинца в 40 и более раз зафиксированы в почвах Владивостока, Касли, Сухого Лога, никеля - в Ретте и Сухом Логе, цинка - в Линево и Сухом логе и т.д.

Вокруг Иркутского и Братского алюминиевых заводов среднее со­держание валовой формы фтора в почвах пятикилометровой зоны выше фонового уровня в 13 и 19 раз, максимальное - в 58 и 156 раз. Содержание водорастворимого фтора в почвах вокруг промышленных предприятий Братска. Шелехова, Кировограда, Новосибирска превышает ПДК в 5-95 раз.

Аэрокосмическая съемка снежного покрова показала, что зона негативного воздействия комбината черной металлургии наблюдается на расстоянии до 60 км от источника загрязнения. Кроме того, увеличилось время содержания тяжелых металлов в почве. Так, в Магнитогорске этот показатель составляет: по свинцу - 46 лет, по меди - ОД год, цинку - 0,5-1,7 года, никелю - 0,6 года, марганцу - 81 год, кобальту - 9,5 лет

В десятки раз превышает ПДК загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами в местах, связанных с ее добычей, переработкой, транспортировкой и распределением. В Иваново и Томске максимальное содержание нефти превышает фоновый уровень в 9-56 раз, среднее - в 4-7 раз. Высокий уровень загрязнения почв отмечен на территории Волгоградского нефтеперерабатывающего завода и в радиусе 250 м вокруг него. Загрязнения нефтепродуктами вокруг Новокуйбышевского НПЗ выявлено в радиусе 1 км, загрязняющие вещества поступают с территории НПЗ вместе с естественным поверхностным стоком.

Инфильтрация нефти и нефтепродуктов привела к образованию крупных подземных их залежей в ангарске, Моздоке, Туапсе, Ейске, Орле, Новокуйбышевске, Уфе, Комсомольске-на-Амуре и других городах.

Детоксикация почвы – это совокупность приемов и методов, направленных на создание в загрязненных почвах условий, способствующих и приводящих к ослаблению или полному освобождению от действия различных токсикантов, а так же обеспечения в почве благоприятных условий для ее самоочищения. Применяемые мероприятия по детоксикации почв представлены:

а) Физические – удалением загрязненного слоя почв и ее захоронение.

При освоение земель загрязняющихся ТМ, необходимо определить глубину проникновения загрязнений, и если она невелика, удалить верхний загрязненный слой почвы с осваиваемых площадей. При достаточной глубине плодородного слоя можно заменить глубокой вспашкой. Эти мероприятия целесообразны только тогда, когда устранен источник предыдущего загрязнения и исключено повторное поступление ТВ в почву.

б) Химические – инактивацией полютантов с помощью ионообменных смол, природных ионообменников (цеолиты, глаукониты и др), сорбентов, органических веществ, известкованием, внесением удобрений.

Известкование

Во-первых, известкование увеличивает поглотительную способность почвы, изменяет состав поглощенных оснований в твердой фазе почвы: водород и обменный алюминий в значительной степени замещаются кальцием. Происходит нейтрализация среды, образование в почвенном растворе гидроксидов большинства ТМ и их хемосорбция почвенно-поглощающим комплексом. Во-вторых, нейтральная или близкая к ней реакция почв среда активизирует деятельность бактериальной миклофлоры, при этом существенно повышается биомасса микроорганизмов, усиливая процесс биологического поглощения металлов и снижающих их подвижность. В-третьих, известкование обогащает почву кальцием, коагулирует почвенные коллоиды, укрепляет почвенные агрегаты, улучшает структуру почвы, активизирует окисление и тем самым снижает подвижность ряда элементов, таких, как Fe, Mn, и других. Однако известкование нейтральной или слабощелочной почвы неэффективно, так как при щелочной реакции почв возрастает мобильность Mo, As, Se, Cr.

Внесение органического вещества.

Органическое вещество поступает как хороший адсорбент катионов и анионов, повышает буферность почв, понижает концентрацию солей в почвенном растворе.

Гумусовые вещества обладают высокой потенциальной способностью связывать некоторые металлы (Cu, Zn, Pb, Cd)и переводить их в малодоступное для растений состояние. Высокой инактивационной способностью обладают сапропель и цеолиты. Так, сорбент, приготовленный из сапропеля с добавкой цеолиты имеет емкость обмена 125-126 мг.экв/100г. Применение его в опытных работах снизило в 2-3 раза миграцию ТМ в растениях.

в) биологические

выращивание растений, слабо реагирующих на избыток ТМ в почве и не накапливающие их в количествах токсичных для человека и животных; возделывание на этих почвах растений, не употребляемых для питания человека и кормления (технические культуры); в особых случаях культивирование растений, способных аккумулировать соответствующие ТМ для очистки загрязненных почв. Можно рекомендовать использование загрязненных почв для лесопосадок и выращивания декоративных растений.

Исследования бельгийских специалистов показали, что микоризные грибы в почвах, загрязненных ТМ, приобретают устойчивость к действию этих опасных токсикантов. Микориза, поглощающая большое количество ТМ из почвы, защищает таким образом древесные породы от их отрицательного воздействия.

Исследования, проведенные в университете г.Фрейзинга (ФРГ) показали, что для борьбы с загрязнением почв кадмием целесообразно выращивать дурман обыкновенный, медью – губастик желтый. Эти растения обладают способностью извлекать большое количество указанных ТМ, что позволяет после многократного их выращивания и удаления в какой-то степени снизить уровень загрязнения почв.

На изучаемой территории концентрация ТМ в почве превышает ПДК, их токсичность можно блокировать изменение pH почвы до нейтральной или слабощелочной реакции, применяя известкование, удобрения со щелочной реакцией. Кроме того, рекомендуют выращивание растений, слабо реагирующих на поступление ТМ.

Почвенный покров требует интенсивного «лечении» не только для обеспечения необходимой биопродуктивности, но и для замедления процессов деструкции живого и мертвого вещества почвы, являясь мощным источником поступления СО2

Лекция 5

Биосфера