Xreferat.com » Рефераты по экологии » Общие принципы почвенно-экологического мониторинга

Общие принципы почвенно-экологического мониторинга

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Биологический институт

Кафедра почвоведения и экологии почв


Реферат на тему:

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА


Выполнил

студент IV курса,

группы 133

Лойко С. В.


Проверил

д. б. н., профессор

Середина В. П.


Томск – 2007

Оглавление


Введение

Почвенно-экологический мониторинг и его место в системе экологического мониторинга

Экологический и почвенно-экологический мониторинг: цели и задачи

Особенность почвы как объекта мониторинга

Аккумуляция и рассеяние веществ в ландшафте

Методология почвенно-экологического мониторинга

Выбор контрольных участков

Показатели экологического состояния почв, подлежащие контролю при мониторинге

Импактный (локальный), региональный, глобальный и фоновый почвенно-экологический мониторинг

Современное состояние экологического мониторинга в России

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ


Начиная с работ Т. Мальтуса, некоторые ученые возвращаются к проблеме перенаселения Земли (Глазовский Н. Ф., 2004), как ведущей, детерминирующей другие глобальные проблемы человечества. Перенаселение какой-либо природной территории, либо все планеты Земля начинает проявляться с того момента, когда возникает недостаток в ресурсах, для поддержания функционирования значительно выросшего социума.

В процессе жизнедеятельности социум вырабатывает энтропию, которая имеет различные материальные формы. Это и бытовые отходы, и отработавшие свой срок технологические установки, продукты сгорания углеводородного топлива, отходы различных механизмов и производств, разрушенные при добыче сырья нативные экосистемы и многое другое. Для утилизации энтропии также необходимы ресурсы, например, свободное пространство, либо высокоэнергетические соединения, способные разрушить поллютанты и нейтрализовать негативные изменения экосистем. Перенаселённость Земли лишает человека таких ресурсов пространства и энергии, в итоге отходы функционирования социума остаются активными и находятся зачастую вблизи местообитаний человека. Огромное число поллютантов непосредственно диффундируют в человеческие местообитания и нативные экосистемы (например, при аэрозольном переносе).

Как правило, разумная деятельность человека вызывающая техногенез направлена на достижение позитивных целей (например, лесомелиорации на болоте). Но любое действие порождает, согласно второму началу термодинамики, диссипацию энергии. Образующаяся таким образом неупорядоченная энергия есть энтропия, которая поглощается системами, сопряженными с преобразуемой в положительную сторону системой. В системах поглощающих энтропию развивается негативный техногенез.

Важной задачей человечества, в условиях нехватки ресурсов (в том числе и пригодных местообитаний в ряде регионов планеты) является контроль распространения энтропии, выявление участков с её преимущественным накоплением, что может повлечь ухудшение состояния человеческого общества, отдельных индивидов. Локализация таких участков поможет и помогает принимать меры по защите природы и населения от опасных продуктов жизнедеятельности человеческих и техногенных систем.

Согласно гипотезе «Гея» Джеймса Лавлока планета Земля представляет собой живой сверхорганизм. Такую позицию доказать не удаётся, так же как и опровергнуть (Арманд А. Д., 2001). Но даже если биосфера или планета не являются сверхорганизмом, то несомненным является то, что биосфера – сложная, многогранная система с очень высокой чувствительностью связей между подсистемами. Это требует от человечества слежения за её состоянием, изменениями, происходящими в подсистемах, для своевременного ответа, на возникшие опасности, либо возможности.

В настоящее время по всему миру налажена система экологического мониторинга, преследующая цель сбора информации об изменениях в биосфере и отдельных её компонентах. По Трофимовой В. Л. (2002) экологический мониторинг – это система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека.

Наиболее быструю реакцию проявляют при воздействии на экосистемы живые организмы, их используют в мониторинге как биологические индикаторы. Важным является не только быстрота ответных изменений, но и то, что они реагируют на весь комплекс загрязнений, это делает более информативными, по сравнению с прямой оценкой загрязнений приборами (Бурдин К. С., 1985).

Самым консервативным компонентов экосистемы является почва, поэтому их используют как индикаторы долговременных изменений, способных сохранять воздействия на длительное время.

В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Насчитывают не менее 6 типов антропогенно-технических воздействий, которые могут вызвать разного уровня ухудшение почв:

- водная и ветровая эрозия;

- засоление, подщелачивание, подкисление;

- заболачивание;

- физическая деградация, включая уплотнение и коркообразование;

- разрушение и отчуждение почвы при строительстве, добыче полезных ископаемых;

- химическое загрязнение почв (Розанов Б. Г., 1989).

Почва – индикатор многолетних природных процессов, и её состояние – это результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и автотранспорта, орошение земель загрязненными водами, нарушений технологических требования при добыче, переработке и использовании нефтепродуктов, многочисленные аварии на нефтепроводах, несбалансированное применение минеральных удобрений и пестицидов приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического состояния и в результате потере плодородия и неспособности выполнять свои экологические функции (Экологическое…, 2001; Росновский И. Н., Кулижский С. П., 2004).

Тяжелые металлы начали изучать одними из первых. Они поступают в почву преимущественно из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а свинец - с выхлопными газами автомобилей. Описаны случаи, когда большие количества тяжелых металлов попадали в почву с оросительными водами, если выше водозабора в реки сбрасывались сточные воды промышленных предприятий. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в форме оксидов, где постепенно растворяются, переходя в гидроксиды, карбонаты или в форму обменных катионов. Общее количество свинца, которое может задержать метровый слой почвы на одном гектаре, достигает 500 - 600 т. Почвы песчаные, малогумусные, устойчивы против загрязнения; это значит, что они слабо связывают тяжелые металлы, легко отдают их растениям или пропускают через себя с фильтрующимися водами. На таких почвах возрастает опасность загрязнения растений и подземных вод. В этом заключается одно из трудноразрешимых противоречий: легко загрязняющиеся почвы предохраняют окружающую среду, но почвы, устойчивые к загрязнению, не обладают защитными свойствами в отношении живых организмов и природных вод.

В северном полушарии, на территориях высокой промышленной освоенности большую проблему представляют кислотные дожди. Их выпадение - результат выброса в атмосферу продуктов сжигания топлива, а также выбросов металлургических и химических заводов. Действие кислых дождей на почвы неоднозначное. В северных, таежных зонах они увеличивают вредную кислотность почв, способствуют повышению содержания в почвах растворимых соединений токсичных элементов - свинца, алюминия.

Крупнотоннажные отходы различных производств, отвалы гидролизного лигнина, золы тепловых электростанций, отвалы при добыче угля оказывают локальное влияние. Такие отвалы занимают немалые площади, выводя из пользования земельные угодья, а многие из них представляют вполне конкретную опасность для окружающей среды. Отвалы многих горных пород содержат пирит, который самопроизвольно на воздухе окисляется до H2SO4.

Нефтяное загрязнение почв относится к числу наиболее опасных, поскольку оно принципиально изменяет свойства почв, а очистка от нефти очень сильно затруднена. Последствия для почв, вызванные нефтезагрязнением, можно без преувеличения назвать чрезвычайными. Нефть обволакивает почвенные частицы, почва не смачивается водой, гибнет микрофлора, растения не получают должного питания. Наконец, частицы почвы слипаются, а сама нефть постепенно переходит в иное состояние, ее фракции становятся более окисленными, затвердевают, и при высоких уровнях загрязнения почва напоминает асфальтоподобную массу (Орлов Д. С., 1996). Загрязнение почв приводит к формированию очагов социально-экологической напряженности (рис. 1). Они формируются вокруг наиболее загрязненных промышленных центров. В структурном отношении в указанных очагах выделяется эпицентр, а далее вокруг него две зоны, одна из которых, в зависимости от ветрового режима, характера выбросов и их рассеивания, примыкает к эпицентру и переходит во вторую, которая может распространяться на десятки километров от эпицентра и санитарно-защитной зоны (Гичев Ю. П., 2002).


Общие принципы почвенно-экологического мониторинга

Рисунок 1 – Структура очага социально-экологического напряжения (Гичев Ю. П., 2002)


Кроме химического загрязнения почв, очень проблематичны на всей планете процессы радиоактивного загрязнения почв, их эрозии, дефляции, дегумификации, изменением под действием орошения и многие другие последствия чрезмерного роста человеческого вида. Поэтому всё более нарастает актуальность своевременного и результативного мониторинга за состоянием окружающей среды, почвенного покрова. Следствием чего должны является достоверные прогнозы, включающиеся в социальные проекты и программы хозяйственной деятельности человека.

1. ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ И ЕГО МЕСТО В СИСТЕМЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА


Экологический и почвенно-экологический мониторинг: цели и задачи

Термин «мониторинг» впервые появился в рекомендациях специальной комиссии СКОПЕ (научный комитет по проблемам окружающей среды) при ЮНЕСКО в 1971 году, а в 1972 году уже появились первые предложения по Глобальной системе мониторинга окружающей среды (Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде). Однако такая система не создана по сей день из-за разногласий в объемах, формах и объектах мониторинга, распределении обязанностей между уже существующими системами наблюдений. Такие же проблемы и у нас в стране, поэтому, когда возникает острая необходимость режимных наблюдений за окружающей средой, каждая отрасль должна создавать свою локальную систему мониторинга.

Система экологического мониторинга должна накапливать, систематизировать и анализировать информацию о:

- состоянии окружающей среды;

- причинах наблюдаемых и вероятных изменений состояния (т. e. об источниках и факторах воздействия);

- допустимости изменений и нагрузок на среду в целом;

- существующих резервах биосферы.

Таким образом, в систему экологического мониторинга входят наблюдения за состоянием элементов биосферы и наблюдения за источниками и факторами антропогенного воздействия.

В соответствии с приведенными определениями и возложенными на систему функциями мониторинг включает три основных направления деятельности:

- наблюдения за факторами воздействия и состоянием среды;

- оценку фактического состояния среды;

- прогноз состояния окружающей природной среды и оценку прогнозируемого состояния.

Сама система мониторинга не включает деятельность по управлению качеством среды, но является источником необходимой для принятия экологически значимых решений информации (Чупахин В. М., 1989).

Существуют различные подходы к классификации мониторинга (по характеру решаемых задач, по уровням организации, по природным средам, за которыми ведутся наблюдения). Отраженная на рис.2 классификация охватывает весь блок экологического мониторинга, наблюдения за меняющейся абиотической составляющей биосферы и ответной реакцией экосистем на эти изменения. Таким образом, экологический мониторинг включает как геофизические, так и биологические аспекты, что определяет широкий спектр методов и приемов исследований, используемых при его осуществлении.


Общие принципы почвенно-экологического мониторинга

Рисунок 2 - Классификация экологического мониторинга (Родзевич Н. Н., 2003)


Следуя за академиком Израэлем Ю. А. и соавторами (1987) почвенно-экологический мониторинг должен входить в группу геофизического и выделяться по контролируемой природной среде – почве и почвенному покрову.

В основе почвенно-экологического мониторинга должны лежать следующие основные принципы:

1) разработка методов контроля за наиболее уязвимыми свойствами почв, изменение которых может вызвать потерю плодородия, ухудшение качества растительной продукции, деградацию почвенного покрова;

2) постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия;

3) ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств;

4) разработка методов контроля за сезонной динамикой почвенных процессов с целью прогноза ожидаемых урожаев и оперативного регулирования развития сельскохозяйственных культур, изменением свойств почв при длительных антропогенных нагрузках;

5) ведение мониторинга за состоянием почв территорий ненарушенных антропогенными вмешательствами (фоновый мониторинг) (Глазовская М. А. и др., 1989; Черныш А. Ф., 2003).

Специальные задачи почвенно-экологического мониторинга выполняемые на разном уровне (локальном, региональном, глобальном), различаются. Объединяет их общая цель: своевременное обнаружение изменений свойств почв при различных видах их использования и неиспользования.

Локальный и региональный мониторинг должен решать следующие задачи:

характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;

определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;

установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

При глобальном мониторинге должно проводиться следующее:

характеристика потока контролируемых химических элементов на почвы фоновых территорий;

определение уровней контролируемых показателей состояния почв;

выявление зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;

определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий.

Экологическому менеджменту, как системе принятия решений связанных с реализацией действий на земле, должен, в обязательном порядке, предшествовать анализ разносторонних и регулярно обновляемых данных о ее состоянии. Все это определяет необходимость организации систематических комплексных наблюдений за состоянием окружающей среды, ее главного компонента – почвенного покрова. Система мониторинга должна не только содействовать надежной охране земель, но и в короткие сроки дать значительный экологический и экономический эффект, обеспечить подготовку достоверных текущих и долгосрочных прогнозов на проведение мелиоративных и других мер по улучшению угодий. Совокупность полученных при мониторинге данных даст возможность решить актуальные задачи определения оптимальных и критических уровней важнейших физических и химических показателей почв применительно к отдельным ее типам, регионам, сельскохозяйственным культурам, технологиям их возделывания, системам земледелия (Черныш А. Ф., 2003).


1.2 Особенность почвы как объекта мониторинга


Специфика почв как объекта мониторинга определяется их местом и функциями в биосфере. Почвенный покров служит конечным приемником большинства техногенных химических веществ, вовлекаемых в биосферу. Обладая высокой емкостью поглощения, почва является главным аккумулятором, сорбентом и разрушителем токсикантов. Представляя собой геохимический барьер на пути миграции загрязняющих веществ, почвенный покров предохраняет сопредельные среды от техногенного воздействия. Однако возможности почвы как буферной системы не безграничны. Аккумуляция токсикантов и продуктов их превращения в почве приводит к изменению её химического, физического и биологического состояния, деградации и, в конечном итоге, разрушению. Эти негативные изменения могут сопровождаться токсичным воздействием почв на другие компоненты экосистемы – биоту (в первую очередь, видовое разнообразие, продуктивность и устойчивость фитоценозов), поверхностные и грунтовые воды, припочвенные слои атмосферы (Гришина Л. А., 1991 и др.).

Организация почвенного мониторинга представляет собой задачу более трудную, чем мониторинга водных и воздушных сред по следующим причинам:

1) почва – сложный объект исследования, так как представляет биокосное тело, которое живет по законам и живой природы, и минерального царства;

2) почва – многофазная гетерогенная полидисперсная термодинамическая открытая система, химические взаимодействия в ней происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов. Постоянное влияние оказывают физические почвенные процессы (перенос влаги и испарение);

3) опасные загрязняющие почвы химические элементы Hg, Cd, Pb, As, F, Se являются природными составляющими горных пород и почв. В почвы они поступают из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей;

4) поступают в почву различные химические вещества антропогенного происхождения практически постоянно;

5) природное пространственное и временное варьирование содержаний химических веществ в почвах велико, что нередко определяет трудность установления степени превышения исходного уровня содержания химических веществ в почвах (Мотузова Г. В., 1994).

Многие методические вопросы почвенного мониторинга не решены. Окончательно не определено понятие «фон», «фоновое содержание». Часто современное состояние биосферы оценивают, сравнивая его с прошлым состоянием с помощью косвенных методов: путем ретроспективной экстраполяции современных данных, сопоставлением со сведениями в прежних публикациях, определением содержания загрязняющих веществ в захороненных средах и музейных образцах, используя изотопный анализ химических веществ. Все эти методы не свободны от недостатков. Наиболее эффективным представляется для оценки локального загрязнения сравнивать загрязненные почвы с незагрязненными аналогичными, а при фоновом мониторинге оценивать изменение во времени фоновых почв.


1.3 Аккумуляция и рассеяние веществ в ландшафте


При изучении распределения поллютантов в ландшафте удобно использовать методологический подход М. А. Глазовской (1988). Она предлагает рассматривать миграционную и геохимическую структуры ландшафта, в котором происходит перемещение загрязняющих веществ преимущественно с потоками влаги и течениями ветра.

Миграционная геохимическая структура ландшафтов образована системой незамкнутых круговоротов вещества с различной протяженностью в пространстве и во времени, емкостью и составом мигрирующих элементов. Наиболее протяженной круговорот – атмогидрохимический в системе суша – океан. Он осуществляется в основном с круговоротом влаги путем гидрохимического стока и возврата химических элементов с атмосферными осадками и в аэрозолях на сушу. Одновременно осуществляются внутриконтинентальные круговороты. В каскадных ландшафтно-геохимических макро- и мегасистемах суши прямая геохимическая связь между верхними и нижними звеньями каскада осуществляется водным путем с поверхностным и подземным стоком. Обратная геохимическая связь идёт преимущественно через атмосферу с воздушными массами и последующим выпадением мигрантов на поверхность с атмосферными осадками в виде пылевых масс.

Следующее место в иерархии круговоротов вещества в ландшафтной сфере занимают многообразные по емкости и скорости биогеохимические циклы вещества, протекающие внутри элементарных ландшафтов.

Сложная, изменяющаяся в пространстве и во времени миграционная структура ландшафта обусловливает формирование ареолов загрязнения почв различными поллютантами (переносимыми как водными, так и воздушными массами). При этом соотношение емкости миграционных потоков внутренних и внешних по отношению к данной ландшафтно-геохимической системе определяет степень аккумуляции загрязнителя, время его нахождения в ландшафте.

Направленные характер миграционных потоков и смена на пути их движения геохимических обстановок приводят к дифференциации химических элементов как в радиальном, так и в латеральном направлениях. Подвижность химических элементов и их соединений зависит от термодинамических, биогеохимических и физико-химических условий той среды, в которой движется миграционные поток.

Рассматривая перемещения техногенных и нативных химических элементов и веществ интересно рассмотреть три типа миграции выделенные Алексеенко В. А. (2003).

Первые тип миграции представляет собой изменение формы нахождения элементов без их существенного перемещения, например переход элементов из минеральной формы в раствор или из почв в растения.

Второй тип характеризует перемещение элементов без изменений форм их нахождения. Простейшими примерами миграции этого типа может быть перемещение аэрозолей в атмосфере или обломков минералов в поверхностных водах.

Третий тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении элементов с изменением форм их нахождения. Так, при техногенном поступлении в поверхностные воды тяжелых металлов их значительная часть может находиться в форме растворов. Однако на расстоянии первых километров они переходят в минеральную и коллоидную формы и уже продолжают миграцию на расстояние сотни километров.

На пути миграционных потоков встречаются участки, на которых происходит резкое изменение условий миграции, сопровождаемое концентрацией элементов - геохимические барьеры.

А. И. Перельман (1976) выделяет следующие типы ландшафтно-геохимических барьеров: 1) биогеохимические (с удержанием большого ряда макро- и микроэлементов); 2) физико-химические – окислительные, восстановительные сульфидные, сульфатно-карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические; 3) механические.

На каждом из названных барьеров задерживается определённая ассоциация химических элементов, утрачивающая подвижность в данной ландшафтон-геохимической обстановке. По форме геохимические барьеры разделяются на площадные и линейные. Геохимические барьеры являются главным фактором аккумуляции загрязнителей.

Перераспределение химических элементов в элементарных и каскадных системах сопровождается наряду с аккумуляцией определённых ассоциаций элементов на геохимических барьерах формированием зон выщелачивания.

Чередование в ландшафтах зон выщелачивания и обогащения их соотношение в пространстве, вещественный состав, форма, размеры характеризуют геохимическую структуру ландшафта.

Н. К. Чертко (2006) предлагает выделять виды геохимической структуры на основе анализа особенностей концентрации каждого химического элемента в радиальной и латеральной структуре (табл. 1).


Таблица 1 – Виды геохимической структуры ландшафтов (Чертко Н. К., 2006)

Вид структуры

Особенности распределения элементов

Латеральная (катенальная)

Восходящая Возрастание элементов к понижению рельефа
Нисходящая (дисцендиальная) Возрастание элементов к повышению рельефа
Депрессионная Уменьшение элементов к середине катены
Пикообразная Увеличение элементов в середине катены
Равномерная Элементы равномерно распределены по катене

Радиальная (вертикальная)

Невыраженная Содержание элементов почти не меняется
Гумусовая Максимум элементов в почвенном горизонте А1
Гумусово-элювиальная Максимум элементов в горизонтах А1, А2
Гумусово-иллювиальная Максимум элементов в горизонтах А1, В
Элювиальная Максимум элементов в почвенном горизонте А2В1
Элювиально-иллювиальная Максимум элементов в горизонтах А2В1 и В
Иллювиальная Максимум элементов в почвенном горизонте В
Лессивированная Возрастание элементов вниз по профилю почв

Таким образом, накопление или рассеяние определённого мигрирующего компонента определяется комплексом сочетания потоков вещества и геохимических барьеров.

2. МЕТОДОЛОГИЯ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА


2.1 Выбор контрольных участков


Для обнаружения изменения свойств почв объектами наблюдения должны быть специально выбранные территории во всех главнейших почвенно-климатических зонах страны, с учетом существующего и ожидаемого уровня загрязнения атмосферы. В первую очередь необходимо создание системы мониторинга почв в районах наиболее интенсивной антропогенной нагрузки.

Мониторинг почв следует проводить на фиксированных контрольных участках, репрезентативно характеризующих почвенный покров природных и сельскохозяйственных геохимически сопряженных ландшафтов типичных для данного региона водосборных бассейнов. Водосборный бассейн является идеальным объектом оценки и контроля состояния экосистем, поскольку имеет ясные природные границы, замыкающие единонаправленный поток вещества и энергии и обеспечивающий относительную автономию исследуемой территории. Зоны водосбора должны занимать площадь в пределах от нескольких десятков гектаров до нескольких квадратных километров, быть гидрологически изолированными и максимально гомогенными в геологическом отношении. Внутри зоны водосбора должны быть достаточно широко представлены доминирующие типы фитоценозов и почв региона. Для контроля загрязнения пробные участки располагают на разном направлении ветров. Фоновые участки должны находиться вне зоны действия источника загрязнения, на расстоянии не менее 10-15 км. При высоких фоновых уровнях загрязняющих веществ расстояние это может быть меньшим, при низких фоновых уровнях оно должно быть большим. Все участки должны обладать сходными характеристиками состава и свойств почв, природных вод и растительного покрова. При проведение фонового мониторинга следует осуществлять наблюдения за возможно большим числом естественных БГЦ (Гришина Л. А. и др., 1991)

Для текущего контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий необходима сплошная аэро- или космическая съемка при выборочном контроле на наземных пунктах наблюдения. Контрольными являются поля с традиционной системой земледелия без наложения химических или гидротехнических мелиораций (Гришина Л. А. и др., 1991).


2.2 Показатели экологического состояния почв, подлежащие контролю при мониторинге


Наиболее важным вопросом является выбор показателей мониторинга почв, периодичности наблюдений и методов измерения. Перечень показателей должен быть оптимальным, обеспечивающим реальность исполнения и не вызывающем потери информации. Система показателей должна включать обязательные для всех видов почв и специфичные для почв одного или нескольких типов параметры, а также показатели, обусловленные природой загрязняющих веществ (Гришина Л. А. и др, 1991). Выбираемые для мониторинга показатели должны быть по возможности просты, а методы доступны, в том числе для сравнительно небольших лабораторий, не располагающих дорогостоящим оборудованием. Кроме того, необходимо отметить, если при контроле воздуха или вод основное внимание обращается на вредные и токсичные примеси, то при почвенном мониторинге приходится контролировать многие параметры, характеризующие систему в целом, выявлять признаки, указывающие на возникновение неблагоприятных тенденций или снижение почвенного плодородия (Садовникова Л. К., 2006).

Обязателен контроль показателей подвижности загрязняющих веществ, т. к. именно они характеризуют способность загрязняющих веществ переходить в сопредельные среды: в растения, в почвенные и грунтовые воды. Но чаще запас подвижных соединений неорганических загрязняющих веществ определяют в составе вытяжек разбавленных кислот, щелочей, солей, экстрагирующее действие которых может быть усилено присутствием комплексообразователей. Широким распространением пользуется, например, вытяжка ацетатно-аммонийного буферного раствора. Результаты диагностики состояния загрязняющих веществ с помощью этих показателей свидетельствуют об их информативности. Многочисленные данные показывают, что при загрязнении различных ландшафтов общее содержание металлов и содержание их подвижных соединений в почвах повышается на порядки. Существенно увеличивается доля подвижных соединений металлов от общего содержания их в почве (Мотузова Г. В., 1999).

Во многих случаях заменить трудоемкое определение валового содержания и подвижных форм соединений тяжелых металлов, на определение легко контролируемых показателей рН, Eh, ЕКО, содержания органического вещества помогают представления о взаимосвязи процессов и их количественная оценка на основе термодинамических принципов химического равновесия (Орлов Д. С. и др., 1989).

По результатам многолетней практики Гришина Л. А. и соавторы (1991) предлагают разделить показатели почвенно-экологического мониторинга на показатели ранней, кратко- и долгосрочной диагностики.

1. Показатели ранней диагностики негативных изменений свойств почв, позволяют обнаружить и остановить неблагоприятные процессы на начальных стадиях их развития. Это, прежде всего, показатели биологической активности почв – численность и видовой состав микроорганизмов и беспозвоночных животных, их биомасса, ферментативная активность почв, интенсивность выделения углекислого газа почвой, активность азотфиксации и денитрификации, нитрификационная способность почв. Их использование при мониторинге промышленного загрязнения почв позволяет обнаружить тенденции и скорость происходящих в почве изменений, судить о степени опасности поллютантов. Однако неблагоприятные эффекты не являются строго специфичными, одинаковая реакция может вызываться разными факторами. Интегральный характер этих показателей, их высокое природное варьирование и сезонная динамика, неоднозначность реакций и большая приспособленность живых организмов к воздействию токсикантов делают необходимым одновременные прямые определения других свойств почв для указания причин неблагополучия.

В качестве этих диагностических свойств целесообразно использование характеристик кислотно-основного, ионно-солевого, окислительно-восстановительного режимов почв. Анализу могут подвергаться почвенные растворы, лизиметрические воды, водные вытяжки, в которых определяются рН и активность других ионов, содержание азота, фосфора, серы, кальция, магния, тяжелых металлов, органического вещества. Частота измерения – несколько раз за сезон.

2. Показатели средней устойчивости, характеризующие краткосрочные изменения свойств почв и обеспечивающие текущий контроль за её состоянием. С этой целью целесообразно использовать катионно-обменные свойства почв, содержание доступных для растений форм элементов питания, кислоторастворимых форм соединений кальция, магния, железа и алюминия, подвижных форм соединений тяжелых металлов, скорость деструкционных процессов, мощность и запасы подстилки, фракционный состав гумуса. Измерения должны проводиться через 2-5 лет.

3. Показатели долгосрочной диагностики нарушений почвообразования при промышленном загрязнении. Это валовой состав почв, включая содержание тяжелых металлов, состав почвенных минералов, содержание и запасы гумуса, морфологические и физические свойства почв (плотность, структурное состояние, водопроницаемость, гранулометрический состав), то есть фундаментальные свойства почв. Оценка их необходима как точка отсчета, как исходная характеристика почв на предварительном этапе мониторинга. Эти свойства формируются в результате относительно длительных однонаправленных процессов и поэтому требуют измерений через 10 лет и более.

Вслед за Садовниковой Л. К. (2006) рассмотрим конкретные важнейшие показатели почвенного мониторинга.

Кислотно-основные свойства. Важнейший и, как правило, достаточный для характеристики почв показатель – это значение рН в водных и солевых вытяжках. Значение рН свидетельствует только о степени кислотности или щелочности почв, но из-за довольно высокой буферности почв оно не позволяет количественно оценить кислотность или щелочность. Возможны случаи, когда содержание кислотных компонентов в почве нарастает, но рН практически не изменяется. Тогда кроме рН целесообразно определять так называемую потенциальную кислотность, которую находят путем титрования щелочью вытяжки из почвы, что в известной мере позволяет судить об уровне потенциальной кислотности почвы.

Емкость катионного обмена (ЕКО). Является важной почвенной характеристикой. Она складывается из поглотительной способности гумусовых веществ, минеральных частиц почвы, а также входящих в ее состав микроорганизмов. Величина ЕКО почвы коррелирует с содержанием в ней гумуса, гранулометрическим и минералогическим составом, величиной рН. Таким образом, емкость катионного обмена – интегральная почвенная характеристика, по которой можно оценивать степень устойчивости почв, в том числе, и к антропогенному воздействию (Биогеохимические…, 1993).

Динамика содержания гумуса. Контроль за содержанием гумуса входит в число первоочередных задач, поскольку изменение количества органического вещества в почве не только прямо связано с изменениями практически всех свойств почв и их плодородия, но отражает влияние внешних негативных процессов, вызывающих деградацию почв.

Для контроля за качественной характеристикой почвенного гумуса целесообразно определять содержание водорастворимых органических веществ, формирующих в значительной мере запас лабильных элементов питания и являющихся показателем доступности гумусовых веществ микроорганизмам.

Вторичное засоление почв. Вторичное, точнее, антропогенное засоление почв проявляется при недостаточно научно обоснованном орошении, строительстве каналов и водохранилищ, при развеивании солевых аккумуляций и др. Химически Оно проявляется в увеличении содержания в почвах и почвенных растворах легкорастворимых солей – NaCl, Na2SO4, MgCl2, MgSO4 и др. Наиболее простой и быстрый метод обнаружения засоления основан на измерении электрической проводимости. Применяют определение электрической проводимости почвенных суспензий, паст насыщения, водных вытяжек, почвенных растворов и непосредственно почв. Быстро и достаточно точно можно контролировать этот процесс, определяя удельную электрическую проводимость водных суспензий с помощью специальных солемеров.

Осолонцевание почв. Химическим признаком осолонцевания обычно служит увеличение содержания в почвах обменного натрия.

Угнетение почвенной биоты. Этот важный показатель, пригодный, в том числе и для ранней диагностики негативных процессов в почве, находят, как правило, по косвенным признакам. Сравнительно простой прием, позволяющий оценить суммарную активность почвенных организмов, разлагающих органическое вещество и выделяющих диоксид углерода, состоит в определении так называемого дыхания почвы, или эмиссии почвой СО2. В полевых условиях на поверхности почвы устанавливают специальные камеры, которые улавливают выделяющийся СО2, например, путем его поглощения раствором щелочи; затем количество поглощенного СО2 можно измерить титрованием.

Фитотоксичность почв. Необходимость определения этого показателя особенно часто возникает при мониторинге химически загрязненных почв или при оценке возможности использования в качестве мелиорантов или удобрений различного рода отходов: осадков сточных вод, различного рода компостов, гидролизного лигнина.

Для выяснения относительной фитотоксичности используют метод рулонной культуры, выращивая проростки тест-растений на рулоне фильтровальной бумаги из семян, замоченных в растворе в различными концентрациями тяжелых металлов.

Загрязнение почв нефтепродуктами. При контроле загрязнения почв нефтепродуктами решаются обычно три основные задачи:

определяются масштабы (площади загрязнения);

оценивается степень загрязнения;

выявляется наличие токсичных и канцерогенных соединений.

Первые две задачи могут решаться дистанционными методами, к которым относится аэрокосмическое измерение спектральной отражательной способности почв. По измеренным величинам спектральных коэффициентов яркости (СКЯ) удается обнаружить территории, загрязненные нефтью, а по уровням изменения окраски почв – примерно степень загрязнения.

При мониторинге почв, загрязненных углеводородами, особое внимание уделяется определению полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) люминесцентными и газохроматическими методами.

Загрязнение почв тяжелыми металлами. Любые элементы находятся в почве в форме различных соединений, только часть которых доступна растениям. Но эти соединения могут трансформироваться и переходить из одних форм в другие.

Поэтому для целей мониторинга выбирают в известной мере условно две или три важнейших группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание элементов, лабильные (подвижные) формы их соединений, иногда отдельно определяют обменные формы и водорастворимые соединения.

Необходимые при комплексном мониторинге почв свойства почв приведены в таблице 2.


Таблица 2 – Комплексная система показателей мониторинга состояния почв при загрязнении (Гришина Л. А. и др., 1991)

Свойства почвы

Необходимые показатели

Дополнительные показатели

1 2 3
Степень загрязнения Общее содержание загрязняющих веществ, мг/кг
Физико-химические

рН

Гидролитическая кислотность, мг*экв/100 г

Окислительно-восстановительный потенциал

Титруемая щелочность, мг*экв/100 г

Содержание карбонатов (бикарбонатов)

Содержание окисленных и восстановленных элементов с переменой валентностью

Общие

Сумма поглощенных оснований, мг*экв/100 г

Микроагрегатный и механический состав

Удельная электропроводность, мВ

Емкость катионного обмена мг*экв/100 г

Степень засоления, %

Сухой остаток, %

Степень эродированности, %

Миграционные Содержание экстрагируемых форм химических элементов, мг/л Подвижность органо-минеральных компонентов, мг/л
Буферность к загрязнению и изменению свойств

Устойчивость гумуса

Устойчивость ППК

Устойчивость кислотно-основных свойств

Устойчивость ферментативной активности

Обобщенный показатель реакции почвы на загрязнение
Агрохимиче-ские

Общее содержание гумуса, %

Общее содержание азота, фосфора, калия, %

Групповой состав гумуса

Содержание водорастворимых органических веществ, мг/100 г

Биологические (токсические)

Активность дегидрогеназ, мкл Н2/г сутки

Дыхание (по выделению СО2 или поглощению О2), %

Фитотоксичность (по изменению энергии прорастания), %

Общая каталитическая активность (разложение перекиси)

Активность ферментов в циклах углеродах, азота и фосфора

Влажность завядания

Содержание токсичных форм элементов


Наибольшая эффективность показателей почвенного мониторинга будет достигнута при одновременном контроле за совокупностью параметров, которые учитывают мобильные и стабильные свойства почв и различные виды антропогенного воздействия.


2.3 Импактный (локальный), региональный, глобальный и фоновый почвенно-экологический мониторинг


Почвенно-экологический мониторинг подразделяют по степени охвата территории на импактный, региональный и глобальный мониторинг. Специальные задачи почвенного мониторинга, выполняемого на разном уровне, различаются. Объединяет их одна общая цель: своевременное обнаружение неблагоприятных изменений свойств почв при различных видах их использования, а также при развитии естественного почвообразовательного процесса.

Для получения фоновых значений содержания химических веществ в почвах удаленных от источника загрязнения в биосферных заповедниках, ведут фоновый мониторинг. Это необходимо для исследования современного антропогенного влияния на биосферу (Ландшафтно-геохимические..., 1989).

При импактном и региональном почвенном мониторинге должны быть выполнены следующие виды работ:

определение источника загрязнения и идентификация загрязняющих веществ;

определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, окружающей источник загрязнения;

определение зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

определение характера действия загрязняющих веществ на почву; определение зон миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

оценка эффективности возможных мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв.

При глобальном мониторинге должны проводиться следующие мероприятия:

определение потока контролируемых химических элементов на почвы контролируемых фоновых территорий;

определение уровней контролируемых показателей состояния почв;

определение зон миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических элементов в почве;

определение скорости накопления контролируемых химических элементов в почвах фоновых территорий (Мотузова Г. В., 1988).

Комплексное почвенное обследование при мониторинге предполагает использование совокупности приемов исследования свойств почвы, направленной на изучение (наблюдение, контроль)

Похожие рефераты: