Экологическая оценка качества почвы

Почва – биоминеральная (биокосная) динамическая система, находящаяся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой, частично вовлеченная в биологический цикл круговорота веществ.

Говоря об оценке экологического состояния почвы, удобнее ее рассматривать как компонент природно-антропогенного комплекса, включающего также воздушную среду, водные объекты, биоту и техногенную среду.

Почва, как и другие компоненты этого комплекса, испытывает не только антропогенную нагрузку, но и воздействие экологических факторов, в первую очередь климатических.

Оценка экологического состояния почвы, в отличие от подобной оценки состояния воздушной и водной сред, представляет собой более трудную задачу. Во-первых, почва – сложный объект исследования. Во-вторых, почва – многофазная открытая система, химические взаимодействия в которой происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов. Постоянное влияние физические почвенные процессы (перенос влаги, испарение и т.д.). В-третьих, опасные загрязняющие почвы химические элементы – токсиканты (Hg, Cd, As, Se и др.) являются природными составляющими горных пород и почв, поступая из естественных и антропогенных источников, а задача мониторинга требует оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей.

Перечень контролируемых показателей состояния почв может быть различным в зависимости от уровня проводимых работ.

В первую очередь, объектом изучения должны быть те показатели, которые являются приоритетными для данной местности, а также те, по которым в данной местности наблюдается (или предполагается) неблагополучие:

1) показателем загрязнения почвы служит уровень накопления того или иного токсичного вещества по отношению к его ПДК;

2) состав гумуса, поскольку это показатель, отражающий напряженность биологического круговорота и баланса элементов в условиях земледелия;

3) кислотность почв с оценкой вклада в нее подвижного алюминия, что позволяет оценивать, например, влияние кислых осадков, обнаруживать всплески щелочности, солонцеобразование, последствия применения минеральных удобрений и др.;

4) минерализация почвенного раствора, то есть состав и концентрации растворимых солей в почвенном растворе, по которым можно судить об опасности вторичного засоления почвы.

Помимо указанных, при оценке состояния почвы могут быть использованы и другие показатели.

Антропогенное воздействие на почвы носит прямой и косвенный характер и, как правило, приводит к нарушениям почвы, то есть к изменению состава и свойств почвы как динамической системы, выражающемся в нарушении равновесных экологических процессов.

Основные типы нарушений:

полное уничтожение почвы;

перекрытие почвенного профиля различными материалами;

Загрязнение почв – это накопление и распространение в них веществ, не связанных с почвообразованием, относящихся к естественным компонентам (соли, закисляющие вещества, нефть и нефтепродукты, некоторые минеральные удобрения и др.), так и загрязнителей – токсикантов (тяжелые металлы, хлорорганические пестициды, радионуклиды и др.).

В результате загрязнения почв снижается плодородность почвы, а она сама может стать губительной средой для существующих в ней организмов.

1. Загрязнение почв тяжелыми металлами

Основной источник загрязнения – сжигание компонентов топлива. Ежегодно сгорает 5 миллиардов тонн горючих ископаемых. В золе и нефти содержатся практически все металлы в суммарной концентрации до 500 г на тонну топлива. Вместе с золой в почву поступают миллионы тонн тяжелых металлов.

Другими источниками являются выхлопные газы автомобилей (приблизительно 250 тыс. тонн свинца в год), ремонтные предприятия железных дорог — в виде пыли. Тормозные колодки поездов, истираясь, вносят в почвы приблизительно 200 тыс. тонн металлов в год.

Самоочищение почвы от тяжелых металлов происходит крайне медленно. Поведение тяжелых металлов в почве зависит от ее окислительно-восстановительных условий и кислотности. В кислой среде большинство металлов более подвижно.

Наиболее неблагополучны в этой связи подзолистые и дерново-подзолистые почвы, имеющие неблагоприятные физические и химические свойства из-за повышенной кислотности.

В песчаных, хорошо промывающихся почвах, тяжелые металлы мигрируют в грунтовые воды и быстро разносятся ими. При этом глинистые компоненты адсорбируют их, а гуминовые кислоты образуют с этими элементами растворимые комплексные соединения, легкоусваиваемые растениями.

По степени дисперсности тяжелые металлы в почвах находятся в трех формах: истинно растворимой, коллоидной и в виде взвесей.

Hg, Pb, Cd и некоторые другие тяжелые металлы хорошо сорбируются в верхних слоях (толщиной несколько сантиметров) гумусового горизонта различных типов почв суглинистого состава. Но в почвах легкого состава, кислых и обедненных гумусом, процессы миграции этих элементов усиливаются. Zn и Cu менее токсичны, но более подвижны, чем Pb и Cd. Тяжелые металлы оказывают токсичное действие на микробный состав почв.

Основными методами определения тяжелых металлов являются атомно-абсорбционный и рентгенфлуоресцентный.

2. Загрязнение почв нефтепродуктами

К ним относятся нефть сырая и продукты ее переработки: нефтяное, дизельное, карбюраторное топливо, растворители, нефтяные битумы, асфальтены и др.

Источники загрязнения – потери при транспортировании, авариях (приблизительно 9 миллионов тонн в год).

При попадании в почву они проникают вглубь от поверхности. Нефтепродукты впитываются почвой (особенно хорошо – сухой) за счет капиллярных сил и удерживаются в таком состоянии долгое время, полностью лишая почву плодородия, превращая ее в насыщенную нефтепродуктом губку.

Почва может самоочищаться от нефтепродуктов за счет их биохимического окисления бактериями, содержащимися в почве, почвенном растворе и природной воде. Но этот процесс менее эффективен, чем в водоемах.

Основные методы определения: спектрофотометрический, экстракционно-фотометрический, экстракционно-хроматографический (тонкослойная хроматография).

3. Закисление почв

Кислотность почвы – важнейший экологический фактор, определяющий условия жизнедеятельности почвенных организмов и высших растений, а также подвижность загрязнителей в почве (в первую очередь, металлов). Процесс приобретения почвой повышенной кислотности часто называется закислением почв.

— выделение (выдыхание) микроорганизмами и корнями растений СО₂, при растворении которого в воде образуется угольная кислота;

— образование некоторых форм гумуса, имеющих повышенную кислотность. Это происходит при переработке трудно разлагаемого органического вещества, например хвойной подстилки;

— всасывание растениями с почвенной влагой катионов щелочных и щелочно-земельных металлов (K, Na, Ca, Mg), приводящее к обогащению почвенного раствора кислотными компонентами;

— внесение кислотообразующих удобрений – аммиачных на основе мочевины, преобразование которой в нитратную форму, усвояемую растениями, сопровождается образованием азотной кислоты;

— кислотные осадки (pH кислотного дождя может достигать 2-3), с которыми в почву попадает HNO₃, H₂SO₄. Обычный дождь за счет растворения СО₂ содержит угольную кислоту и имеет некоторую кислотность (pH

При закислении почвы угнетается рост и развитие многих сельскохозяйственных культур, подавляется жизнедеятельность микроорганизмов.

Закисление почвы приводит к увеличению подвижности многих элементов, в первую очередь тяжелых металлов. Особая роль в этом процессе принадлежит Al, содержание которого в почве и в почвообразующих породах в формах, не обладающих подвижностью, высоко.

Обменная кислотность почвы обусловлена присутствием способных к обмену ионов Н + и Al 3+ в почвенно-поглощающем комплексе (ППК), которые высвобождаются путем обменных реакций при взаимодействии ППК с раствором нейтральной соли (обычно используется раствор KCl с концентрацией 1 г·моль/л). Ионы Н + образуются по схеме

В присутствии Al в ППК протекает обменная реакция, сопровождающаяся высвобождением катионов Al, что приводит к еще большему закислению среды:

Катионы Al претерпевают кислотный гидролиз с образованием катионов водорода:

Количество выделившихся ионов водорода и алюминия может быть определено методом титрования раствором щелочи с известной концентрацией. Мерой обменной кислотности почвы обычно считают рН солевой почвенной вытяжки, приготовленной в стандартных условиях.

В зависимости от величины рН солевой вытяжки различают несколько степеней кислотности почвы (табл. 15).

Таблица 15. Степени кислотности почвы