Показатели состояния почв, определяемых при контроле загрязнения почв

При обсуждении особенностей почвы как объекта мониторинга отмечалась необходимость оценки способности почв как защищать от загрязняющих веществ воду и воздух, так и контролировать возможность их влия­ния на состояние живых организмов. Это служит осно­ванием для выбора показателей состояния почв. При их выборе следует опираться на представления о почвенной системе соединений химических элементов, о свойствах почв, влияющих на нее.

Среди контролируемых показателей состояния почв (индикаторов) различают две группы: биохимические и педохимические показатели.

К биохимическим относят показатели, характеризую­щие аккумуляцию в почвах самих загрязняющих веществ и возможность их непосредственного негативного влияния на живые организмы. К педохимическим показателям относят те свойства почв, изменение которых может быть вызвано " загрязняющими веществами и которые могут косвенно " отрицательно влиять на живые организмы.

К биохимическим показателям состояния почв относят следующие показатели: а) об­щее содержание загрязняющих веществ; б) содержание соединений загрязняющих веществ, обладающих как ре­альной подвижностью (вещества в почвенных растворах), так и непосредственно связанных с ними потенциально подвижных соединений этих же веществ в составе твердых фаз почвы. Содержание последних харак­теризует способность загрязняющих веществ переходить ввытяжки разбавленных кислот, растворов солей и комплексообразователей.

Показатели общего (валового) содержания в почве контролируемых элементов характеризуют запас в почвах соединений этих элементов природного и техногенного происхождения. Точное определение общего содержания химических элементов в почвах трудоемко, так как требу­ет полного разложения алюмосиликатов, удерживающих значительную часть этих элементов, особенно в незагряз­ненных почвах (сплавление пробы, разложение кислотами с участием плавиковой кислоты).

При оценке состояния загрязненных почв общее содер­жание химических элементов является показателем менее информативным, чем, например, при оценке загрязнения воды или воздуха. Это один из исходных показателей, но он не всегда имеет первостепенное значение. Общее содержание химических веществ в почвах — важный показатель для получения первичной оценки состояния почв в ходе проведения локального и регионального мони­торинга. Существует достаточно много данных и сводок о природном уровне общего содержания разных химических элементов (Hg, Pb, Cd, As, Zn, Си и др.) в почвах мира, в верхних горизонтах почв России разных типов. Установлены особенности регионального фонового содержания многих элементов. Выявлены закономерности изменения этого уровня в зависимости от гранулометрического состава и гумусированности почв, от их реакции, от содержания эле­ментов в почвообразующих породах, геоморфологического положения почв и других факторов. Анализ загрязненных почв позволяет оценить вклад техногенных факторов, таких как расстояние от источника загрязнения, состав и свойства отходов, содержащих загрязняющие вещества.

С расширением экологического контроля состояния почв все шире стали применять методы определения содер­жания кислоторастворимых (1н. НС1, 1н. HNO₃) соединений контролируемых элементов. Нередко им стали присваивать название «условно-валовое содержание химических эле­ментов». Применение в качестве реагентов разбавленных растворов минеральных кислот не обеспечивает полного разложения пробы, но позволяет перевести в раствор основную часть соединений химических элементов техно­генного происхождения.

К подвижным формам химических элементов относятся компоненты гетерогенной почвенной системы соединений химических элементов, а именно вещества почвенного раствора, а также соединения, входящие в состав твердых фаз почвы, которые находятся в состоянии динамического равновесия с химическими элементами почвенного раство­ра. Удерживаются они твердыми фазами почв в результате реакций сорбции-десорбции, осаждения-растворения, ион­ного обмена, комплексообразования.

Реальную подвижность химических элементов в почвах характеризует их содержание в почвенном растворе или в составе вытяжек, когда в качестве экстрагента применя­ются слабо солевые растворы, с ионной силой, близкой к ионной силе природных почвенных растворов:

(0, 01-0, 05 М СаС1_2’, Ca(N0₃)_2’, KN0₃).

Содержание подвижных соединений контролируемых элементов в составе твердых фаз почвы характеризует потенциальную опасность этих веществ для экосистемы, способность веществ переходить из почв в растения, в поч­венные и грунтовые воды. Содержание потенциально под­вижных соединений контролируемых элементов в почвах определяют преимущественно в вытяжке 1н. NH₄CH₃COO при разных значениях рН.

Результаты диагностики состояния почв 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.

Для анализа чаще всего используют верхние слои почвы (0 — 2, 0 — 5, 0—10 см). Предметом анализа является также распределение загрязняющих веществ в почвенном профиле. Верхние горизонты почв играют роль геохимического барьера на пути потока веществ, поступающих из атмосферы. Эффективность этого барьера зависит от свойств почв и от природы самого вещества, его способности поглощаться почвой. В условиях промывного режима загрязняющие вещества могут проникать вглубь и накапли­ваться в иллювиальных горизонтах, которые также служат геохимическими барьерами (табл. 18).

Таблица 18 - Содержание соединений меди и никеля в Al-Fe-гумусовых подзолах Кольского полуострова, мг/кг

Сведения о состоянии загрязненных почв могут быть использованы для сопоставления их с незагрязненными аналогами. Возможно нахождение на их основе производ­ных показателей. Такие показатели вычисляют для общего содержания металлов (неметаллов), для их подвижных форм. Вычисление соотношения содержания химического элемента в загрязненной почве и в незагрязненном аналоге часто используют в качестве относительного показателя загрязнения, или коэффициента накопления.

Педохимические показатели состояния загрязненных почв проявляют связь с соединениями загрязняющих веществ в почвах. Их назы­вают еще косвенными. С одной стороны, свойства почв, которые характеризуют эти показатели, могут изменяться под влиянием загрязняющих веществ и тем самым вызы­вать ухудшение состояния микроорганизмов и растений. С другой стороны, изменение обсуждаемых химических свойств вызывает в почвах превращения соединений загрязняющих веществ, которые влияют на их токсико-экологические свойства. Если прямые показатели загряз­нения информативны при оценке выполнения почвами их защитных функций в экосистеме, то косвенные показатели в большей мере отражают способность почв обеспечивать плодородие.Контроль косвенных показателей химического за­грязнения может быть эффективным как при выявлении деградации почв, так и при характеристике устойчивости почв к загрязнению и прогнозе последствий загрязнения почв.

К педохимическим показателям относятся показатели важнейших химических свойств почв: показатели гумусного состояния почв, кислотно-основных свойств, катионно-обменных, в отдельных случаях окислительно-восстанови­тельных свойств почв,

Изменение гумусного состояния загрязненных почв по сравнению с незагрязненными почвами непосредственно связано с ухудшением состояния микробоценоза, что мо­жет приводить к ослаблению разложения органических остатков и к их накоплению, к снижению скорости мине­рализации гумуса. Вследствие изменившихся процессов трансформации органических веществ в почве меняется их групповой и фракционный состав. Например, в загряз­ненных дерново-подзолистых почвах по сравнению с ана­логичными фоновыми наблюдается повышение количества фульвокислот и снижение содержания свободных гуминовых кислот и водорастворимых органических веществ, а в составе водорастворимых соединений — уменьшение содержания углеводов. Есть данные о понижении общего содержания углерода подзолистых почв при загрязнении металлами (предположительно за счет увеличения миграции органо-минеральных веществ). В почвах, загрязненных нефтью, наблюдается увеличение общего содержания органического углерода, относительное уменьшение количеств гуминовых и фульвокислот, возрастание содержания нерастворимого остатка. Загрязнение нефтью или металлами, ведет К умень­шению подвижности соединений азота, что является следствием падения интенсивности биохимических процессов

Вследствие загрязнения почв металлами и металлоидами в них меняется состав обменных катионов: увеличивается доля ионов металлов, снижается содержание обменных катионов Са²⁺ и Мg²⁺, чему могут способствовать не толь­ко поглощенные металлы, а и протон, и ионы алюминия. Вследствие изменения гумусного состояния возможно уменьшение ЕКО. Примером является снижение ЕКО в чер­ноземах, загрязненных газо-пылевыми выбросами медного комбината! уменьшение содержания обменных ионов Са²⁺ и Мд²⁺, изменение степени насыщенности ППК основаниями. В почвах нефтегазоносных райнов, напротив, появились лег­корастворимые соли, увеличился рН почвенного раствора, а в составе ППК повысилась доля обменного натрия.

С загрязнением почв может быть связано изменение их кислотно-основных свойств. Причиной могут быть кислот­ные осадки, действие которых на биосферу проявляется в глобальном масштабе. Возрастает объем выпадений оксидов серы и азота. Увеличение содержания сульфатов в осадках до 4—15 мг/л вызывает закисление осадков. Уровень рН осадков, в естественных условиях равный 5 и более, в техногенной зоне снижается до 4, 2 — 4, 5.

Подкисление почв может быть вызвано поступлением оксидов металлов и их кислотного гидролиза, внесением физиологически кислых удобрений. Повышение рН в техногенных почвах может происходить вследствие загряз­нения их боратами, фторидами, сульфидами. За счет этих процессов меняются уровни рН Н₂0.Изменение кислотно-основных условий существенно меняет многие химические процессы в почве:

1. В почвах меняется структура кислотности. В есте­ственных почвах лесной зоны в органогенных горизонтах кислотность обусловлена органическими кислотами, пре­имущественно фульвокислотами, в минеральных горизонтах велико влияние на кислотность соединений алюминия. Техногенное подкисление почв ведет к увеличению доли минеральных кислот по сравнению с органическими. В силь­но кислых почвах, как правило, изменяется соотношение ионов, обусловливающих кислотные свойства. Среди со­единений алюминия мономеры А1⁺³ начинают преобладать над связанными формами алюминия (гидроксокомплексами, сульфатными комплексами и другими).

2. Подкисление ведет к изменению подвижности многих химических элементов, в том числе элементов питания, самих загрязняющих веществ:

а) подкисление ведет к накоплению аморфных форм А1 и Fe, которое происходит за счет высвобождения Fe и А1 из структуры алюмосиликатов, выпадения их в осадок в форме коллоидов и аморфных соединений высокой степени дисперсности. Возможно также преобразо­вание ранее окристаллизованных форм в аморфные не силикатные соединения Fe и А1;

б) происходит изменение подвижности элементов питания растений за счет повышения растворимости соедине­ний, содержащих азот, фосфор, калий. Например, под­кисление почв ведет к росту доступности растениями фосфатных удобрений;

в) изменение мобилизации соединений металлов и неме­таллов,

3. Кислотность почвенного раствора влияет на формиро­вание подвижных соединений поллютантов. От кислотности раствора зависят форма нахождения, знак и величина заряда частиц в растворе, заряд коллоидных частиц, на поверхности которых происходит поглощение загрязняющих веществ, растворимость осадков соединений поллютантов.

4. Форма нахождения, знак и величина заряда частиц в растворе являются важными факторами, обусловливаю­щими и количество поглощенных почвенными частицами ионов, и прочность их фиксации. В кслой среде относительно выше доля свободных ионов. металлов Си^{2 +} и Zn²⁺, с увеличением рН растет доля гидроксокомплексов, кото­рые поглощаются твердыми фазами (в том числе и за счет ионного обмена) менее прочно, чем свободные ионы. Что касается многоосновных кислот, например мышьяковой, молибденовой, борной, с ростом рН увеличивается степень их депротонизации.

5. Кислотно-основные условия влияют на поглотительную способность твердых фаз почвы амфолитоиднои при­роды. Это происходит прежде всего потому, что ионизация функциональных групп, обеспечивающих ионный обмен, протекает по-разному, в зависимости от рН. У органических и минеральных коллоидов амфолитоиднои природы с уве­личением рН растет отрицательный заряд, а с уменьшением рН — положительный заряд. Величина рН — зависимого заряда органических веществ обусловлена присутствием в их составе протеинов, содержащих как кислотные СООН, так и основные NH₂ групп. Заряд оксидов и гидроксидов Fe и А1 формируется за счет отдачи или присоединения протона при разных уровнях рН. В результате изменения заряда поверхности белков, не силикатных соединений Fe и А1 поглощение поллютантов в анионной форме растет с понижением рН и снижается в щелочной среде, для поллютантов в катионной форме зависимость обратная. Снижение поглощения металлов в кислой среде сопро­вождается, ростом конкуренции протонов за обменные позиции в почвенном поглощающем комплексе.

Например, поглощение дерново-подзолистой почвой пестицида атразина, преимущественно находящегося в почве в форме аниона, при рН 2 — 5 почти в 20 раз выше, чем при рН 7. Однако не во всех случаях поглощения за­грязняющих веществ состав почвенного поглощающего комплекса играет ведущую роль. Важные экологические последствия имеют выводы, полученные при исследовании закономерностей поглоще­ния ртути от уровня рН. Установлено, что максимальное количество ртути поглощается при рН 4, 5 — 6, 5. В этой области преобладающей формой являются незаряженные комплексы Нg(ОН)₂, которые непрочно удерживаются в процессе физической сорбции.

6. Кислотно-основные условия влияют на растворимость осадков, в состав которых входят загрязняющие вещества. Влияние обусловлено процессами протонизации и комплексообразования, по-разному протекающими в зависимости от рН. Например, повышение рН ведет к увеличению депротонизации анионов многоосновных кислот, например мышьяковой, и к усилению комплексообразования металлов в растворе.

Изменение ОВП почв возможно за счет загрязнения органическими веществами, которые влияют на биоту и биологическую активность почв, могут менять водно-воз­душный режим почв (например нефтепродукты).

Итак, для контроля изменения свойств почв в результате загрязнения рекомендуется перечень следующих косвенных показателей загрязнения: кислотно-основные свойства (рН Н₂О_г рН КС1, обменная, гидролитическая кислотность), содер­жание подвижных соединений Р, N, К, показатели фермен­тативной активности, показатели гумусного состояния почв (общее содержание гумуса, групповой состав, водораствори­мые вещества), ионообменные свойства (ЕКО, состав обмен­ных катионов), содержание легкорастворимых солей, ОВП.