Экологическая оценка прямых нецеленаправленных воздействий на интенсивность загрязнения серых лесных полугидроморфных почв

Введение. Трансформация ландшафтов в процессе сельскохозяйственной деятельности человека, усиленная влиянием промышленности городов, оказывает существенное воздействие на сложившиеся природные потоки вещества и энергии [1, 3, 7]. Наряду с позитивными изменениями, которых добивается земледелец, всё сильнее проявляются негативные последствия техногенеза. Нередко они превосходят экологически допустимые пределы и способность экосистемы к саморегулированию, что ведёт к их разрушению. Как правило, для пахотных территорий, по сравнению с естественными ассоциациями, характерным является существенное изменение потока вещества и энергии, микроклимата, рельефа, биоразнообразия, трофических цепей и взаимосвязи, как в почве, так и в системе почва-растение, фитоценозе и биогеоценозе [2, 5, 12, 14].

Каждая почва обладает буферной ёмкостью по отношению к поступающим в неё тяжёлым металлам. В связи с этим при планировании применения удобрений, мелиорантов, осадков сточных вод и т.д. необходимо учитывать, как содержание в них тяжёлых металлов, так и буферную ёмкость используемых почв. Ограничение доз, обусловленное экологическими требованиями, является необходимым условием экологизации земледелия. Зависимость элементов поступление в ландшафты от источника загрязнения имеет экспоненциальный характер. Уровень загрязнения в верхнем слое почвы зависит от расстояния до источника загрязнения. При этом уровень загрязнения будет зависеть от растительности, рельефа и свойств почв [4, 6, 8, 9].

При оценке степени загрязнения почв учитывают превышение содержания химических элементов в почве по сравнению с фоном и средним содержанием в земной коре. Поскольку природное пространственное варьирование содержания химических элементов очень велико и зависит от конкретной почвенно-экологической ситуации. Нередко фоновое содержание отдельных элементов в почвах выше принятого уровня ПДК. По ряду элементов отмечается несогласованность между фоновым содержанием в почвах и уровнем ПДК. А для почв с многообразием физикохимических свойств установить единое значение ПДК невозможно. В связи с этим за уровень предельно-допустимой концентрации в почвах при экологическом нормировании более правильно вводить природно-географический критерий «фоновое содержание» химического элемента, которое соответствует сочетанию естественных факторов почвообразования на территориях, не испытывающих заметного антропогенного воздействия [10, 11].

Буферность почв по отношению к тяжёлым металлам может быть оценена по увеличению их содержания и подвижности в наиболее корнеобитаемом слое на единицу поступающего извне токсиканта. При этом учитываются реально протекающие процессы элювиирования, миграции и аккумуляции токсикантов растительностью. Буферность почв по отношению к определённым видам и формам соединений тяжёлых металлов зависят от гранулометрического и минералогического составов почв, их pH и Eh, комплексообразующей способности органического вещества. При этом pH, Eh, константа ионного обмена поглощения тяжёлых металлов повой, константа нестойкости образующихся комплексов и растворимость образующихся осадков определяют возможность накопления тяжёлых металлов в почвах и трансформацию их соединений [13, 15]. В связи с изложенным, актуальным является изучение влияния генетических особенностей серых лесных почв, формирующихся в полугидроморфных условиях, на устойчивость к загрязнению тяжёлыми металлами.

Цель исследований – установить влияние антропогенных воздействий на устойчивость серых лесных полугидроморфных почв земель сельскохозяйственного назначения к загрязнению тяжёлыми металлами.

При этом решению подлежат следующие задачи:

• 1.    Оценить характер изменения в содержании тяжёлых металлов в серых лесных почвах в результате несанкционированного вывоза и размещения отходов различного происхождения, захламления территории и порчи плодородного слоя.

• 2.    Установить степень изменения показателей величины pH солевой вытяжки в серых лесных полугидроморфных почвах в слое почвы 0-5 и 5-20 см.

• 3.    Выявить характер техногенной нагрузки и экологической опасности отходов различного происхождения на плодородный слой серых лесных почв.

Объекты и методы исследования. Исследования проводились на земельном участке сельскохозяйственного назначения с почвенными пробами серой лесной полугидроморфной почвы, отобранными на глубине 0-5 и 5-20 см.

Определение pH солевой вытяжки выполняли по ГОСТ 26483-85-Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение её pH по методу ЦИНАО.

Методика выполнения измерений массовой доли элементов в пробах почв, грунтов и донных отложений методами атомно-эмиссионной и атомно-адсорбционной спектрометрии для определения марганца и никеля (подвижные формы), М-МВИ-80-2008.

Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства для меди, цинка и свинца (подвижные формы), ЦИНАО, Москва, 1992 г.

Отбор почвенных образцов осуществляли согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб». Для отбора проб почвы использовали лопату копательную остроконечную «ГОСТ 19596-87».

Результаты и обсуждения. Сельскохозяйственная деятельность, в большей степени земледелие и в меньшей – животноводство, оказывает долговременное воздействие на почву, которое может быть периодическим, непрерывным, редким или однократным. В зависимости от длительности и вида воздействий выявляется суммарный эффект, который оценивают, как запоминание их почвой. По отношению к почве воздействия разделяют на прямые, преследующие определённую цель (вспашка, внесение удобрений, орошение, осушение), которые имеют прямое целенаправленное или прямое нецеленаправленное воздействие; косвенные воздействия, изменяющие водный и тепловой режимы, уровень грунтовых вод, случайное или преднамеренное изменение факторов почвообразования. Обратимость и необратимость воздействий означает сохранность в профиле почвы новообразованных свойств, то есть способность почвенного тела вернуться в состояние близкое к исходному. И чем оно быстрее и полнее достигается, тем менее устойчивы результаты воздействий. Обратимость изменений, или способность почв к самовосстановлению, зависит от буферности почвы и характера воздействия. Большая часть агрогенных воздействий имеет обратимый характер, а техногенные воздействия, как правило, необратимы. Так, механические и химические техногенные эффекты чужды природным почвенным телам и процессам. Например, поступление в почву тяжёлых металлов представляет опасность для многих живых существ, в том числе для человека. В связи с этим устойчивость почв или их способность противостоять воздействиям, то есть слабо изменяться и сравнительно быстро возвращаться в исходное состояние определяет направленность и устойчивость многих процессов и явлений в природе и понятие устойчивости почвы в концептуальном и прикладном аспектах.

Проведёнными исследованиями дана оценка устойчивости серых лесных полугидроморфных почв земель сельскохозяйственного назначения и их гумусового горизонта на глубине 0-5 и 5-20 см к антропогенному воздействию, несовместимому с природными процессами, а именно захламлению территории различного вида отходами производства и быта, сопровождаемое механическим нарушением и порчей плодородного слоя почвы.

Анализ результатов лабораторно-химических испытаний проб почвы, взятых с глубины 0-5 и 5-20 см на содержание тяжёлых металлов - марганца (Mn), меди (Cu), никеля (Ni), свинца (Pb) и цинка (Zn) в подвижной форме показал, что нарушение исследуемой земельной территории в характере её использования, а именно нарушение и захламление различного вида отходами производства и быта, сопровождаемое механическим нарушением почвы, явилось причиной порчи плодородного слоя и снижения устойчивости серой лесной полугидроморфной почвы к загрязнению тяжёлыми металлами (табл. 1). С физико-химической точки зрения поглощение тяжёлых металлов почвой зависит от произведения растворимости образующихся осадков тяжёлых металлов, которые определяют степень их закрепления в почве и трансформацию образующихся соединений. При этом в соответствии с критериями экологической обстановки территории, обусловленной степенью накопления анализируемых тяжёлых металлов на исследуемом земельном участке, были выделены три категории почв, отличающихся по степени антропогенной преобразованности: «слабая», «средняя» и «высокая» в сравнении с ненарушенной контрольной почвой. Как видно из данных таблицы, исследованиями установлено достоверное превышение предельно допустимого количества цинка во всех пробах почвы с высоким и средним уровнем загрязнения, так в сравнении с количеством цинка в контрольных пробах почвы - 1,78-1,92 мг/кг. содержание подвижного цинка возрастает в 9,4 раза до 16,74 мг/кг в условиях ««слабой» категории загрязнения почвы; в то время как в условиях среднего уровня антропогенной преобразованности почвы количество подвижного цинка возрастает до 28,9 мг/кг в слое 0-5 см и до 26,85 мг/кг в слое почвы 5-20 см, что превышает контрольный уровень в 16,2 раза в слое 0-5 см и в 14 раз в слое 5-20 см. Следует отметить, что именно в этой категории антропогенной преобразованности почв доказано превышение предельно допустимого уровня содержания подвижного цинка в почвах в 1,3 раза в слое 0-5 см и в 1,2 раза в слое почвы 5-20 см. В условиях высокой степени антропогенной преобразованности почв выявлена самая высокая степень загрязнения почвы подвижным цинком, количество которого возрастало в самом поверхностном слое почвы до 41,6 мг/кг, а в слое 5-20 см до 40,9 мг/кг. Выявленное количество накопления цинка превышало предельно допустимый уровень концентрации в 1,8 раза как в слое 0-5 см, так и в слое почвы 5-20 см. Из всех анализируемых почвенных проб, взятых с территории нарушенных земель, 68% почвенных проб характеризуются как почвы, в которых массовая доля загрязняющего вещества - цинка, может оказать прямое или косвенное влияние на окружающую среду и здоровье человека. Известно, что загрязнение почвы цинком может стать причиной возникновения таких специфических заболеваний, как токсикоз, патологии желудочно-кишечного тракта, нервозность, депрессивность, снижение остроты обоняния и зрения, нарушение иммунной системы, интоксикации, кожные заболевания, а также заболевания растений и снижение урожайности сельскохозяйственных культур. А 32% исследуемых почвенных проб содержат подвижный цинк в количестве, превышающем контрольный уровень цинка в ненарушенных пробах почвы в 8,7 раза. Такие высокие уровни колебаний в содержании подвижного цинка вызывают отклонения в развитии организма и отравления. Установленные изменения в содержании подвижного цинка и подщелачивании почвенной среды могут быть результатом возможного загрязнения мусорных отходов цинксодержащими пестицидами с последующим их вывозом и размещением на исследуемой земельной территории.

Таблица 1 – Влияние химического загрязнения серых лесных почв на накопление подвижных форм тяжёлых металлов

Степень антропогенной преобразованности почвы	Глубина отбора, см	pH KCl	Подвижные формы, мг/кг
			Mn	Cu	Ni	Pb	Zn
Ненарушенная (контроль)	0-5	5,8	0,47	0,18	0,45	0,30	1,78
	5-20	5,8	0,49	0,19	0,48	0,35	1,92
Высокая	0-5	7,5	13,10	0,44	1,15	1,26	41,60
	5-20	7,5	13,57	0,42	0,69	1,02	40,90
Средняя	0-5	7,6	11,11	0,27	0,71	0,91	28,90
	5-20	7,5	11,22	0,26	0,65	0,70	26,85
Слабая	0-5	7,8	7,63	0,22	0,54	0,53	16,74
	5-20	7,7	7,20	0,21	0,63	0,50	15,50
ПДК			≤100	3,0	4,0	6,0	23,0

Кроме того, земельный участок находится в особых условиях повышенного увлажнения (полугидроморфные почвы), обусловленных высоким стоянием грунтовых вод и поверхностного повышенного увлажнения, что подтверждается увеличением количества подвижного марганца в сравнении с контрольными почвенными пробами. Так, количество подвижного марганца в пробах почвы с высоким уровнем загрязнения превышают контрольный уровень незагрязнённой почвы в 27,8 раза, в почвенных условиях со средним уровнем загрязнения содержание подвижного марганца снижается до 11,11-11,22 мг/кг, а в условиях слабого уровня загрязнения почвы концентрация подвижного марганца уменьшается до 7,2-7,63 мг/кг. Во всех исследуемых почвенных пробах, взятых с загрязнённой территории земель, не установлено превышение количества подвижного марганца в почве, его предельно допустимого уровня (≤100 мг/кг).

Токсичность тяжёлых металлов для системы «почва» определяется их активностью, продолжительностью воздействия, возможность вымывания за пределы системы и толерантностью к определённому токсиканту конкретной почвы. Исследованиями выявлено, что содержание подвижных форм меди, никеля и свинца в выделенных почвенных категориях превышает контрольный уровень для меди в 2,4 раза для «высокой» категории загрязнения и в 1,4 и 1,2 раза для «средней» и «низкой» категорий загрязнения соответственно, что является подтверждением техногенного происхождения загрязняющих веществ и формирования техногенной геохимической аномалии, доказанной превышением среднего арифметического содержания элемента исследуемой территории земель. Так, среднеарифметическое содержание подвижных форм никели и свинца возрастает в сравнении с контрольным уровнем их концентрации в почве в 2,6 раза для никеля, 4,1 раза для свинца в условиях «высокой» категории загрязнения почвы и 1,6-2,5 раза для никеля и свинца соответственно для почвы со средним уровнем загрязнения; для почв со слабым уровнем загрязнения количество подвижного никеля превышает контрольный уровень в 1,2 раза, а для подвижного свинца в 1,6 раза.

При этом, выявлено изменение реакции среды почвы от слабокислой в контрольных пробах почвы (pH солевой 5,8) до нейтральной и слабощелочной в почвенных пробах, нарушенных загрязнением почвенных территорий (pH солевой 7,57,8).

Именно это обстоятельство делает ситуацию накопления и миграции металлов, как в слое почвы 0-5 см и 5-20 см, так и в более глубокие слои почвы и грунтовые воды, еще более опасной.

Таблица 2 – Оценка степени загрязнения серых лесных почв тяжёлыми металлами

Степень антропогенной преобразованност и почвы	Глубина отбора, см	Коэффициент концентрации металла, K c					Суммарный показатель загрязнения, Z c
		Mn	Cu	Ni	Pb	Zn
Высокая	0-5	27,87	2,44	2,56	4,20	23,37	56,44
	5-20	27,69	2,21	1,44	2,91	21,30	51,55
Средняя	0-5	32,64	1,50	1,58	3,03	16,24	41,99
	5-20	22,90	1,37	1,35	2,00	13,98	37,60
Слабая	0-5	16,23	1,22	1,20	1,77	9,40	25,82
	5-20	14,69	1,11	1,31	1,43	8,07	22,61

Для выявления степени загрязнения почв тяжёлыми металлами и их экологической опасности использовали коэффициент концентрации загрязнения (K c =C i /C ф , где C i – концентрация химического элемента в загрязнённой пробе, мг/кг; а C ф – фоновое содержание этого элемента), а для оценки полиэлементных аномалий на нарушенных территориях земель - суммарный показатель загрязнения (Z c = r K c -(n-1), где K c коэффициент концентрации загрязнения>1; n – число химических элементов с K c >1). Как видно из данных таблицы 2 самый высокий уровень загрязнения установлен для почв высокой и средней степени антропогенной преобразованности относительно содержания подвижных форм марганца и цинка, величины коэффициентов, концентрации загрязнителей которых изменялись в зависимости от уровня накопления металла и глубины загрязнения почвы. Так, самые высокие величины коэффициентов концентрации показаны для подвижного марганца в условиях высокой и средней степени антропогенной преобразованности почвы, величины которых колебались в пределах 22,9-32,64 ед. Установленная закономерность характерна и для интенсивности накопления подвижного цинка, величина коэффициента которого изменялась от 16,24 до 23,37 ед., что характеризует сильный и очень сильный уровень интенсивности загрязнения. Интенсивность загрязнения серой лесной почвы такими металлами как медь и никель характеризуется минимальным и слабым уровнем загрязнения по величине коэффициента концентрации загрязняющего вещества с колебаниями значений от 1,11 до 2,44 ед. для меди и 1,2 до 2,56 ед. для никеля. Для подвижного свинца интенсивность загрязнения составляет 1,43-4,2 ед., что отражает минимальный и средний уровень загрязнения почвы. Поскольку отдельные токсиканты способны увеличивать или ослаблять действия каждого на изучаемые объекты, необходимо иметь оценку полиэлементных аномалий, возникающих в очагах загрязнения ландшафта. В связи с этим используется суммарный показатель загрязнения (Z c ), отражающий совокупную техногенную нагрузку на исследуемый ландшафт, обусловленную влиянием всех исследуемых химических элементов с высокими концентрациями. Уровни загрязнений изучаемых почв по величинам суммарного показателя концентрации, соответствует следующим градациям: «средний» уровень загрязнения Z c = 22,61-25,82 ед., характеризующий умеренно опасную категорию загрязнения земель со слабой степенью антропогенной преобразованности почвы; «сильный» уровень загрязнения Z c = 37,6-56,44 ед., характерен для земель с опасной категорией загрязнения почв в условиях средней и высокой степени антропогенной преобразованности почвы.

Выводы:

• 1.    Установлена оценка устойчивости серых лесных полугидроморфных почв земель сельскохозяйственного назначения к антропогенному воздействию, несовместимому с природными процессами, а именно захламлению территории различного вида отходами производства и быта, сопровождаемое механическим нарушением и порчей плодородного слоя почвы, с выделением категорий почв,

• 2.    Выявлены различные концентрации в содержании подвижных форм марганца, меди, никеля, свинца и цинка в почвах выделенных категорий - «слабая», «средняя» и «высокая» степени антропогенной преобразованности. При этом установленное количество накопления цинка превышало предельно допустимый уровень его концентрации в почве в 1,8 раза как в слое 0-5 см, так и в слое почвы 5-20 см.

• 3.    Исследованиями установлены самые высокие величины коэффициентов концентрации для подвижного марганца – 22,9-32,64 ед. и цинка – 16,24-23,37 ед., характеризующие сильный и очень сильный уровень интенсивности загрязнения почвы, а самые низкие уровни коэффициентов накопления показаны для меди, никеля и свинца – от 1,11 до 4,2 ед., подтверждающие минимальный и средний уровень загрязнения почвы.

• 4.    Доказана интенсивность техногенной нагрузки на почву в зависимости от уровней загрязнения почв по величинам суммарного показателя концентрации: Z c = 22,61-25,82 ед., соответствующего «умеренно опасной» категории загрязнения; Z c = 37,6-56,44 ед., характеризующий «опасную» категорию загрязнения земель.

• 5.    Выявлено изменение реакции среды серой лесной полугидроморфной почвы от слабокислой (pH солевой 5,8) в ненарушенной почве до нейтральной и слабощелочной среды (pH солевой 7,5-7,8) в почвах территорий, нарушенных загрязнением.

• 6.    Установленный факт ухудшения качественного состояния почвы, обусловленного высоким уровнем накопления подвижного цинка, превышающим ПДК, а также увеличением концентрации подвижных форм марганца, меди, свинца в результате нарушения земель сельскохозяйственного назначения несанкционированным вывозом и размещением отходов различного происхождения и, как следствие, захламления и загрязнения серой лесной полугидроморфной почвы и порчи её плодородного слоя делает необходимым проведение рекультивационных работ на территории нарушенного земельного участка.

отличающихся по степени антропогенной преобразованности: «слабая», «средняя» и «высокая» в сравнении с ненарушенной контрольной почвой.