Изучение почвы

 

Таблица 2 – Соотношение среднеарифметических значений концентрации тяжелых металлов в верховых и низинных торфяниках лесной зоны

Европейской России (Добровольский)

 

Металл	Торфяники				Коэффициент геохимического сопряжения  Кг
	Верховые		Низинные
	М, мкг/г сухого вещества	V%	М, мкг/г сухого вещества	V%
Mn Cu Ni Co V Cr	832 7. 8 16.7 5.5 36.9 53.3		272.1 4/2 6.7 3.0 17.7 32.9	93 61 44 90 90 36	5.6 2.1 1.8 1.9 3.6 2.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проведенные примеры убедительно  показывают, что каждый ландшафт обладает своими значениями средней концентрации тяжелых металлов в почве. Именно эти значения являются той природной нормой, к которой адаптированы местная флора и фауна. Следовательно, попытки установить некий универсальный для всех почв уровень концентрации металла, превышение которого является сигналом загрязнения, с научных позиций несостоятельны. Установление факта загрязнения почв тем или иным тяжелым металлом возможно лишь путем сопоставления данных, относящихся к площади предполагаемого загрязнения, с показателями местного геохимического фона. Следовательно, первой и обязательной операцией при оценке загрязнения почвенного покрова должно быть определение показателей, характеризующих местный геохимический фон металла. Мерой интенсивности загрязнения служит коэффициент аномальности (Ка), равный отношению среднего значения концентрации металла в загрязненной почве (С`) к природной норме, геохимическому фону (Сн): Ка= С`/Сн. [1]

На основании проведенных исследований в разных районах лесной зоны и  обработки литературных данных предлагается следующая шкала интенсивности загрязнения тяжелыми металлами гумусового горизонта почв (табл. 3).

Шкала построена с учетом возможности  использования результатов определения металла, как в сухом веществе почвы методом эмиссионной спектроскопии или нейтронно-активационным методом, так и методами атомно-абсорбционной спектроскопии или полярографии в экстракциях. [8]

 

Таблица 3 – Шкала интенсивности загрязнения почв

тяжелыми  металлами (Добровольский).

 

Категории интенсивности загрязнения	Коэффициент Аномальности Ка
Природная флюктуация содержания металла И отдельные сигналы загрязнения   Слабое загрязнение   Умеренное загрязнение   Сильное загрязнение	<5 <1   1)5-10 2)1-2,0 1)10.1-30 2)2.1-6.0 1)>30 2)>6

 

Продукты техногенной эмиссии  тяжелых металлов распространяются в пространстве весьма неравномерно в зависимости от источника эмиссии, метеорологических условий и пр. Соответственно очень неравномерна аккумуляция техногенных масс металлов в почвенном покрове. В первом приближении можно считать, что чем большая часть площади подверглась загрязнению, тем сильнее загрязнена вся площадь. С учетом этого допущения предлагается следующая градация загрязнения почвенного покрова в зависимости от относительного распространения загрязненных площадей. [4]

Для целей более тщательного  экологического анализа нами разработана  система оценки состояния (на текущий момент) загрязнения ТМ почвенного покрова в координатах: интенсивность загрязнения металлами, распространение площадей с различной интенсивностью загрязнения, в % от общей площади почвенного покрова (табл. 4).

 

Таблица 4 – Категории состояния загрязнения тяжелым металлом почвенного покрова района (Добровольский)

 

Интенсивность Загрязнения (Ка)	Распространения загрязнения  общей площади в %
	<1	1-4.9	5.0-20	>20
Слабая 1)<5.0 2)<1.0 Умеренная 1)5-10.0 2)1.0-2.0 Сильная     1)10.1-30.0 2)2.1-6,0 Очень сильная 1)>30.0             2)6.0	Н     Сл     Сл     У	Сл     Сл     У     С	Сл     У     С     ОС	У     С     ОС     ОС

Примечание . Н – природная норма . Состояние загрязнения металлом всей площади почвенного покрова района . Сл – слабое загрязнение , У – умеренное загрязнение  С – сильное, Ос – очень сильное.

 

Рассмотренные показатели являются статическими, так как характеризуют состояние загрязненности почвы металлами на момент обследования. Однако для всесторонней оценки экологической ситуации, включая прогноз событии, требуется анализ динамики процесса. Теоретической основой прогноза могут служить, представления о циклах массообмена тяжелых металлов в биосфере.

Целостность всей биосферы и ее отдельных  звеньев вплоть до элементарных экосистем (ландшафтов) обеспечивается циклами массообмена химических элементов. Одним из главных циклов металлов в биосфере является биологический круговорот - массообмен между почвой и растительностью на протяжении года. В табл. 5 приведены обобщенные данные о массах тяжелых металлов, вовлекаемых в биологический круговорот в распространенных экогеосистемах гумидной зоны Европейской России. [7]

Таблица 5 – Средние значения масс тяжелых металлов, вовлекаемых в биологический круговорот в распространенных геохимически автономных ландшафтах лесной зоны Европейской России, кг/км в год (В.В. Добровольский)

 

Металл	Хвойный лес северной тайги	Хвойный и лиственный Суббореальный лес	Широколиственный Суббореальный лес	Сфагновое лесное болото
Fe Mn Zn Cu Ni Co	30/4 36/4 4/6 1.2 0.3 0.07	68 81 10.2 2.7 0.68 0.17	126 151 18.9 50 1.26 0.31	150 7.5 6.3 1.2 1.36 0.23

 

Разумеется, в разных районах массы  металлов, участвующие в биологическом  круговороте, имеют некоторые отклонения от значений, представленных в табл. 5. В качестве примера приведены данные для экосистемы елового леса южной Карелии (табл. 6). (В.В. Добровольский).

 

Таблица 6 – Включение  тяжелых металлов в биологический  круговорот в экосистеме елового  леса южной Карелии

Механизм загрязнения	Металл
	Fe	Mn	Zn	Cu	Ni	Co
Захват приростом   Поступление в почву с опадом	50-120   40-110	220-450   190-390	3.7-8.6   3.0-8.3	0.26-0.66   0.24-0.64	0.07-0.14   0.05-0.13	0.04-0.11   0.03-0.07

 

Данные табл. 5 и 6 характеризуют  массы тяжелых металлов, мигрирующие  в биологическом круговороте в условиях геохимического фона. В условиях воздействия непрерывной техногенной эмиссии металлы аккумулируются в почве. При достижении определенного уровня, значительно превышающего местный геохимический фон, к которому адаптирована растительность, металлы начинают оказывать угнетающее воздействие на продуктивность растительности, и способствуют снижению плодородия почвы. Следовательно, процесс снижения почвенного плодородия вследствие перегруженности их металлами сопровождается возрастанием концентрации металлов в почве и соответственно увеличением их масс в биологическом круговороте, а затем - угнетением растительности, снижением ее продуктивности и уменьшением масс металлов, вовлекаемых в биологический круговорот. [7]

Чтобы следить за загрязнением почв и растительности тяжелыми металлами с течением времени необходимы стационарные наблюдения на протяжении не менее 4-5 лет. Систематизация ограниченных данных позволяет предварительно наметить четыре категории прогрессирующего загрязнения (табл. 7).

 

Таблица 7 – Концентрация металла-загрязнителя в верхнем горизонте почвы (Добровольский).

 

Категория возрастания          концентрации металла в почве	Показатели увеличения средней концентрации металлов в почве, % геохимического фона в год	Изменение масс металла, поступающей в биологический круговорот, в данном ландшафте
Стабильное состояние Возрастание: Умеренное Быстрое Очень быстрое	<10                    10-40                  41-100                   >100	Изменение отсутствуют Увеличение: Небольшие Значительное Относительное уменьшение

 

В качестве исходного уровня концентрации металла принимается  значение геохимического фона почвы данного ландшафта. Увеличение средней концентрации в верхнем горизонте почвы менее 10% значения природной нормы (геохимического фона) в год при отсутствии увеличения массы металла, поступающей в биологический круговорот, можно диагностировать как стабильное состояние. Умеренное возрастание концентрации металла в почве характеризуется увеличением средней концентрации металла от 10 до 40%  геохимического фона в год. Это сопровождается небольшим, но отчетливо выраженным увеличением массы металла, вовлекаемой в биологический круг возрос. [2]

 При  таком росте загрязнения через 10 лет верхнем горизонте почвы концентрация металла возрастет от 2 до 4 раз по сравнению с исходной при родной нормой данного ландшафта. Важно отметить, что в рассматриваемом случае нарушение природного эколого-геохимического равновесия может быть восстановлено самим лaндшaфтoм при условии прекращения поступления металла-загрязнителя.

При сильном росте загрязнения  экогеосистемы приращение значения средней концентрация металла в  почве составляет от 41 до 100% геохимического фона в год. В этом случае концентрация металла в верхнем горизонте через 10 лет возрастет от 5 до 10 раз по сравнению с местной природной нормой, а масса металла, поступающая в биологический круговорот значительно увеличится. При очень высоком росте загрязненности годовое приращение средней концентрации металла в почве превысит 100% значения местного геохимического фона и, следовательно, через 10 лет значение средней концентрации металла превысит исходную более чем в 10 раз. Переизбыток металла повлечет за собой угнетение природной растительности, снижение ее продуктивности и соответственное уменьшение массы металла захватываемой приростом в биологический круговорот. [8]

Приведенные данные относятся к ограниченной площади, занимаемой одним ландшафтом   или его частью. Для эколого-геохимического  прогноза развития событий на территории физико-географического или административного района необходимо оценить скорость распространения загрязнения по всей территории данного района. Для этой цели целесообразно использовать подходы, применяемые в экологии.

Экосистемы, испытывающие изменения на площади менее 0.5% общей территории в год, рассматриваются как стабильные. Изменения, распространяющиеся с умеренной скоростью 1-2% в год, приводят к полной смене исходных экосистем в течение 50-100 лет. Высокая скорость распространения изменения концентрации металла-загрязнителя, охватывающая 2-3% площади в год, приводит к загрязнению всей площади района через 30-50 лет. Более быстрое распространение загрязнения металлом соответствует категории очень высокой скорости. [3]