ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ЗАКИСЛЕНИЮ

Техногенные химические воздействия на почвы создают как отрицательный, так и положительный эффект. Об этом свидетельствуют прежде всего практика внесения минеральных и органических удобрений, известкование кислых почв и т.д. При низком содержании в почвах микроэлементов их небольшая добавка дает положительный результат, хотя в избыточном количестве многие из них действуют на биоту отрицательно. Поэтому наряду с понятиями «устойчивость» и «буферность» почв целесообразно введение более общего понятия «эколого-геохимическая чувствительность (сенсорность)» (ЭКОС), характеризующая реакцию почв на химические воздействия. При этом следует учитывать, что ответная реакция почв на химические воздействия может быть положительной или отрицательной [64; 65].

Основным интегральным показателем устойчивости почв к различным химическим воздействиям является их эколого-геохимическое состояние, влияющее на условия функционирования характерных для данной почвенной разности живых организмов. Показателями «нормального функционирования» почвы как биокосной системы являются биологическая продуктивность и качество создаваемой биологической продукции, которые зависят от соблюдения следующих требований:

• — уровень продуктивности не должен понижаться относительно исходного;
• — в биомассе не должны накапливаться элементы и их соединения в количестве, нарушающем жизненные функции как данного биоценоза, так и организмов, связанных с ним пищевыми цепями;
• — в почвенной биоте должен сохраняться полезный средообразующий генофонд, поддерживающий устойчивость почвы как биокосной системы.

Если эти условия нарушаются, почвы могут быть отнесены к загрязненным, т. е. утратившим свою эколого-геохимическую устойчивость. Концентрация в почвах техногенных поллютантов, при которой начинает изменяться в худшую сторону количество и качество вновь создаваемого органического вещества, называется предельно допустимой концентрацией (ПДК).

В отношении устойчивости почвы и способности ее возвращения в исходное состояние после техногенного воздействия необходимо сделать ряд пояснений.

Существуют представления о совместимых и несовместимых почвенно-геохимических процессах [65]. Если эти процессы совместимы, т. е. действуют в одном направлении и усиливают друг друга, то после прекращения техногенного воздействия почва не возвращается к исходному состоянию. Если же эти процессы несовместимы, то по мере ослабления техногенного воздействия почва раньше или позже возвращается к исходному или близкому к нему состоянию.

Так, при выпадении кислотных дождей на кислые подзолистые почвы оподзоливание усиливается. В этом случае природный и техногенный процессы совместимы. При известковании подзолистых почв и нейтрализации кислотности природный и техногенный процессы разнонаправлены, несовместимы. В результате через несколько лет после внесения извести реакция почвы становится кислой и она возвращается к исходному состоянию. Поэтому известкование приходится периодически повторять.

Приведенный пример свидетельствует о том, что почвы обладают техногенной геохимической консервативностью, т.е. имеют склонность возвращаться в прежнее состояние как при отрицательном, так и при положительном техногенном воздействии на них. В последнем случае существенно, чтобы это новое эколого-химическое состояние почв было стабильным.

Техногенная геохимическая консервативность расценивается в одних случаях как позитивное свойство почвы, а в других — как негативное [65].

Самопроизвольную ликвидацию последствий техногенного загрязнения и ограничение распространения загрязняющего вещества объединяют понятием «самоочищение почвы». В действительности о «самоочищении» можно говорить лишь по отношению к почвам, загрязненным токсичными органическими веществами, подвергающимися минерализации: пестицидами, детергентами, нефтью, полициклическими углеводородами. Что касается минеральных загрязняющих веществ, то переход их в иммобильное состояние (и как результат — накопление их в почвах) нельзя рассматривать как самоочищение. Это техногенная геохимическая консервативность с отрицательным знаком. Дестабилизация текущего состояния может наступить при изменении почвенно-геохимической обстановки, обусловленном как природными, так и антропогенными причинами. Поэтому возникает необходимость введения понятия о геохимических стартерах — совокупности процессов мобилизации ранее накопившихся в твердой фазе почв техногенных или природных соединений, подвижные формы которых токсичны и вызывают эффект «химической бомбы замедленного действия».

Геохимическими стартерами могут быть кислотные дожди, при воздействии которых приобретают подвижность соединения алюминия и железа, а также сорбированные, связанные с гидроксидами, ранее накопившиеся тяжелые металлы. В качестве геохимического стартера для соединений молибдена, селена и мышьяка может выступать известкование, т.е. подщелачивание почв. Но известкование одновременно создает геохимический барьер для большой группы тяжелых металлов, что обусловливает опасность их накопления в пахотном слое почв.

В настоящее время для оценки устойчивости почв к техногенным воздействиям методологически оправданно использование результатов экспериментальных исследований и математического моделирования. В основу моделей закладываются зависимости между свойствами почвы и накоплением в ней поступающих в составе техногенных потоков химических соединений, а также их доступностью для биоты в данных почвенно-геохимических условиях. При практической реализации моделей их параметры выбираются на основе имеющихся в литературе данных регрессионного анализа и коэффициентов корреляции между свойствами почв, подвижностью химических соединений и накоплением их в биомассе культурных растений, однако ранжирование и балльная оценка почвенных параметров осуществляется с использованием методов экспертного анализа.

Для определения устойчивости почвенного покрова к загрязнению тяжелыми металлами и закислению используются эмпирические зависимости, приведенные в работах [65; 66]:

где Я-ПБ, М-ПБ — уровень эколого-геохимической устойчивости почв к закислению и к загрязнению тяжелыми металлами соответственно, а параметры, входящие в правые части уравнений (6.8) и (6.9), описывают влияние на устойчивость почв к кислотным воздействиям и к загрязнению тяжелыми металлами таких факторов, как: кислотно-щелочные условия (а); вечная мерзлота в пределах слоя 0-100 см от поверхности почвы (м); аморфные гидроксиды Fe и А1 (ог); мощность горизонтов А₀ и А (о, г); емкость поглощения катионов, находящихся в горизонтах Аои Ai (е); сумма обменных оснований в органических и гумусовом горизонтах (об); имеющиеся в почве карбонаты (к); содержание в почве обменного Na (с); окислительно-восстановительные условия (ов).

По имеющимся данным (табл. 6.4) рассчитывается устойчивость почв, после чего производится их балльная оценка на основе квали- метрической шкалы (табл. 6.5).

В приведенных зависимостях под устойчивостью почвы к закислению и загрязнению тяжелыми металлами понимается не потенциальный запас ее буферности, а скорость ее самоочищения от продуктов техногенеза, т.е. ее способность к восстановлению своего нормального функционирования после прекращения антропогенного воздействия.

Таблица 6.4. Исходные данные для расчета устойчивости почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами

Окончание табл. 6.4

Источник: [63, с. 130-131].

Согласно данным работы [66] в этом случае показателем степени устойчивости почвы к техногенному воздействию является продолжительность периода восстановления почвой своего исходного геохими-

Таблица 6.5. Квалиметрическая шкала для оценки пригодности почв по загрязнению тяжелыми металлами и закислению для производства растительной сельскохозяйственной продукции

Источник: [63,с. 131].

ческого состояния. Следовательно, на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами наряду с геохимическими показателями будет влиять и их местоположение в ландшафтно-географическом пространстве, которое обусловливает интенсивность выноса из почвы загрязняющих веществ или их накопление. Местоположение — это наиболее устойчивое свойство элементарного ландшафта, способствующее не только его сохранению, но и регенерации в качестве индивидуальной единицы ландшафтно-экологической дифференциации территории. При этом под элементарным ландшафтом понимается простейший комплекс взаимосвязанных геокомпонентов в рамках элементарной поверхности, отличной от смежных площадных элементов и относительно однородной по своим физико-географическим и геоэкологическим свойствам [67].

Оценка влияния рельефа местности на интенсивность выноса загрязняющих веществ или их накопления в почве может осуществляться в двух масштабах — крупном (1:5000-1:25000) и среднем (1:50000-1:100000).

Рассмотрим методику оценки влияния рельефа местности на интенсивность выноса или накопления в почве загрязняющих веществ в крупном масштабе (рис. 6.6).

1. Определение требований к картографическому материалу, используемому для оценки влияния рельефа местности на интенсив-

Рис. 6.6. Блок-схема методики оценки влияния рельефа местности на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами [63, с. 133]

ность выноса загрязняющих веществ или их накопления в почве. На данном этапе исходя из детальности проведения исследования по изучению рельефа обосновываются требования к картографическому материалу.

• 2. Выделение на карте структурных линий и характерных точек рельефа, определяющих его каркас. Структурные линии используются для отображения изменений в рельефе, которые обусловлены природными и антропогенными рельефообразующими процессами. Они разграничивают не только естественные, но и естественно-антропогенные и антропогенные формы рельефа и выступают в качестве специализированных геоморфологических границ, оконтуривающих элементарные поверхности.
• 3. Создание по структурным линиям и характерным точкам рельефа геотопологической карты элементарных поверхностей. В ходе создания геотопологической карты выделение элементарных поверхностей выполняется с учетом двух параметров: угла наклона рельефа и изменения скорости миграции веществ при переходе от одной структурной линии к другой. Наряду с разделительными функциями структурные линии играют роль линий связи между характерными точками рельефа и являются общими частями смежных элементарных поверхностей, формируя тем самым каркас рельефа и определяя наиболее характерные топологические свойства земной поверхности. Выделенные на геотопологических картах элементарные поверхности при оценке их влияния на интенсивность выноса и накопления загрязняющих веществ техногенного происхождения должны рассматриваться во взаимосвязи друг с другом. Так, например, нельзя сказать, что какая-то отдельно взятая элементарная поверхность является концентрирующей или рассеивающей. Отнести ее к той или иной категории мы можем лишь после сравнения с выше- или нижерасположенными элементарными поверхностями. Методика построения структурных линий и выделения элементарных поверхностей приведена в работе [68].
• 4. Балльная оценка влияния элементарных поверхностей на вынос и накопление в почве загрязняющих веществ. После создания геотопо- логической карты производится балльная оценка влияния выделенных на карте элементарных поверхностей на интенсивность выноса и накопления загрязняющих веществ техногенного происхождения (табл. 6.6).

Таблица 6.6. Квалиметрическая шкала для оценки влияния элементарных поверхностей на вынос загрязняющих веществ и их накопление в почве

Источник: [63, с. 134].

5. Объединение элементарных поверхностей в ассоциации по уровням их влияния на вынос и накопление в почве загрязняющих веществ. Для объединения элементарных поверхностей в ассоциации строятся два бонитировочных ряда, один из которых отражает процесс накопления загрязняющих веществ в почве, второй — процесс их выноса. Далее формируется бонитировочная матрица, осями которой являются построенные бонитировочные ряды. По созданной матрице осуществляют бонитировку элементарных поверхностей, т.е. выявляют очередность их расположения в бонитировочных рядах. По результатам бонитировки элементарные поверхности объединяют в ассоциации.

6. Балльная оценка влияния ассоциаций на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами. Исходя из совокупного влияния рельефа местности на активность выноса или накопления в почве загрязняющих веществ каждой выделенной ассоциации присваивается балл, характеризующий ее влияние на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами (табл. 6.7).

Таблица 6.у. Квалиметрическая шкала для оценки влияния ассоциаций на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами

Источник: [63,с. 135].

При проведении среднемасштабных исследований в качестве показателя, характеризующего степень влияния рельефа на устойчивость почв, используют уклон местности, причем процессы накопления в почве загрязняющих веществ не учитываются.

Оценка степени влияния рельефа на устойчивость почв в данном случае осуществляется на уровне природно-территориальных комплексов с использованием следующей зависимости:

где У_р — степень влияния рельефа ПТК на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами; S_ypj — доля в ПТК земель с j-м уклоном; Б_ур, — балл, характеризующий степень влияния j-ro уклона на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами (табл. 6.8).

Для определения устойчивости почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами с учетом влияния рельефа используются следующие зависимости [60; 67]:

Таблица 6.8. Квалиметрическая шкала для оценки влияния рельефа на устойчивость почв к закислению и загрязнению тяжелыми металлами

Источник: [63, с. 135].

где У„ — взвешенный балл почвенной единицы в пределах рассматриваемой совокупности, характеризующий ее устойчивость к закислению; Я-ПБ — балл, характеризующий эколого-геохимическую устойчивость почвенной единицы к закислению (соответствует уровню ассоциации, включающей почвенную разность); К_н — весовой коэффициент, характеризующий влияние геохимических особенностей почв на их устойчивость к закислению (в нашем случае К„ = 0,6); У_р — балл, характеризующий влияние элементарных поверхностей, в пределах которых расположена почвенная единица, на снижение устойчивости почв к техногенному загрязнению; К_р — весовой коэффициент, характеризующий влияние геоморфологических особенностей территории на устойчивость почв к загрязнению (в нашем случае К_р = 0,4);

где: У_м — взвешенный балл почвенной единицы в пределах рассматриваемой совокупности, характеризующий ее устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами; М-ПБ — балл, характеризующий экологогеохимическую устойчивость почвенной единицы к загрязнению тяжелыми металлами (соответствует уровню ассоциации, включающей почвенную разность); К„ — весовой коэффициент, характеризующий влияние геохимических особенностей почв на их устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами (в нашем случае К_м = 0,6); У_р — балл, характеризующий влияние элементарных поверхностей, в пределах которых расположена почвенная единица, на снижение устойчивости почв к техногенному загрязнению; К_р — весовой коэффициент, характеризующий влияние геоморфологических особенностей территории на устойчивость почв к загрязнению (в нашем случае К_р = 0,4).