Оценка устойчивости почв юга России к химическому загрязнению

Оценка устойчивости почв юга России к химическому загрязнению

В настоящее время в отечественной и мировой науке накоплен обширный материал по проблеме влияния химического загрязнения на состояние почв и экосистем. Однако многие задачи, по-прежнему, не решены. Не раскрыты многие закономерности, механизмы и возможные последствия химического загрязнения на экологические и хозяйственные функции почв, не установлены пределы их устойчивости, превышение которых ведет к экологическому кризису или катастрофе; не разработаны методы оценки выполнения почвой экологических функций, установления порогов их устойчивости, прогнозирования на их основе экологических последствий химического загрязнения, его нормирования и т. д.

На наш взгляд, представляется перспективным осуществление мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения, а также определение пределов устойчивости почв и экосистем, по степени нарушения экологических и хозяйственных функций, выполняемых почвой в природной экосистеме, агроэкосистеме или урбосистеме. Нарушение (срыв) экологических функций почвы происходит в определенной очередности в зависимости от степени загрязнения.

В качестве критерия степени нарушения экофункций предлагается использовать интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы, определенный на основе набора наиболее информативных биологических показателей, первыми реагирующими на антропогенное воздействие. При снижении интегрального показателя в той или иной степени происходит нарушение тех или иных экологических функций почвы.

Цель работы — разработать метод биодиагностики устойчивости почв к химическому загрязнению и его нормирование по степени нарушения экологических функций почвы.

Объекты и методы исследования

В настоящей работе обобщены результаты модельных экспериментов по исследованию влияния загрязнения приоритетными загрязняющими веществами на биологические свойства и экологические функции почв юга России [1−22].

Почвенный покров юга России характеризуется уникальным разнообразием почв, значительно различающихся по эколого-генетическим свойствам, а соответственно и по устойчивости к техногенным воздействиям. В качестве объекта исследования были использованы основные почвы юга России: черноземы, каштановые, бурые полупустынные, коричневые, серые и бурые лесные, дерново-карбонатные, субальпийские, засоленные и песчаные почвы. Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя 0−20 см. Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.

Моделировали загрязнение почвы Cr, Cu, Ni, Pb в дозах 100, 1000 и 10 000 мг/кг. Металлы вносили в почву в форме оксидов: CrO3, CuO, NiO, PbO.

Через 30 суток после загрязнения определяли активность каталазы и дегидрогеназы, обилие бактерий рода Azotobacter, целлюлозолитическую активность, длина корней редиса (фитотоксичность). Бактерии рода Azotobacter традиционно и успешно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Каталазная, дегидрогеназная и целлюлозолитическая активности отражают интенсивность различных биологических процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам — наиболее чувствительным к химическому загрязнению. Длина корней редиса отражает фитотоксические свойства химически загрязненной почвы. Представленный набор показателей дает информативную картину протекающих в почве биологических процессов и ее экологического состояния.

Показатели определяли с использованием общепринятых в биологии почв методов [23, 24].

На основе этих наиболее чувствительных и информативных биологических показателях состояния почвы был рассчитан интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы. Для расчета ИПБС (табл. 1) значение каждого из пяти указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение пяти выбранных показателей для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть объединены в единый показатель, так как имеют разные единицы измерения.

Таблица 1 — Пример расчета ИПБС темно-каштановой почвы при загрязнении хромом (CrO3), % от контроля.

Результаты исследования Установлено, что по степени устойчивости биологических свойств к загрязнению тяжелыми металлами почвы юга России располагаются следующим образом: черноземы обыкновенные, черноземы обыкновенные (североприазовские), черноземы обыкновенные (предкавказские) > черноземы типичные (горные), черноземы типичные (предгорные) > черноземы типичные (предкавказские), черноземы южные, черноземы южные (каштановые) > черноземы выщелоченные слитые, дерново-карбонатные почвы (рендзины), темно-каштановые почвы, каштановые почвы > светло-каштановые почвы, горно-луговые (субальпийские) почвы, серые горно-лесные почвы > бурые полупустынные почвы, бурые горно-лесные почвы, солонцы, солончаки > песчаные почвы степной зоны (серопески), песчаные почвы сухостепной зоны (каштанопески), песчаные почвы полупустынной зоны (буропески).

Установленная последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных почв, прежде всего, гранулометрическим составом, щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, содержанием органического вещества, биологической активностью.

В работе [25] было показано, что нарушение экологических функций почвы происходит в определенной очередности. По мере увеличения концентрации загрязняющего почву химического вещества срыв выполняемых ею экосистемных функций происходит в следующей последовательности: информационные биохимические, физико-химические, химические и целостные физические. (Классификация экосистемных функций почв дана по [26]). Тот факт, что различные экологические функции почвы нарушаются при различной концентрации загрязняющего вещества в почве, может лежать в основе экологического нормирования загрязнения почв. В качестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагается использовать интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Установлено, что если значения ИПБС уменьшились менее чем на 5%, то почва выполнят свои экологические функции нормально, при снижении значений ИПБС на 5−10% происходит нарушение информационных экофункций, на 10−25% — биохимических, физико-химических, химических и целостных, более чем на 25% — физических.

По результатам настоящего исследования были определены уравнения регрессии, отражающие зависимость снижения значений ИПБС от содержания в почве загрязняющего вещества. По этим уравнениям были рассчитаны концентрации загрязняющих веществ, при которых происходит нарушение тех или иных групп экологических функций почвы. В табл. 2 представлен пример схемы экологического нормирования на примере чернозема выщелоченного слитого некоторыми загрязняющими веществами.

Таблица 2 — Схема экологического нормирования загрязнения чернозема выщелоченного слитого по степени нарушения экофункций.

• 1. Определение интегрального показателя по [25].
• 2. Классификация экологических функций по [26].

Предложенные подходы и разработанные методики могут быть использованы и по отношению к другим антропогенным воздействиям на почву: распашка, переувлажнение, засоление, водная эрозия, дефляция и др. Они также могут быть распространены и на наземные экосистемы в целом, поскольку почва в наземной экосистеме является основным компонентом, депонирующим и трансформирующим загрязняющие вещества.

Разработанный подход к оценке экологических последствий деградации почв на основе нарушения ее экологических функций можно использовать при проведении целого ряда научных и природоохранных мероприятий: при оценке воздействия на окружающую среду (разработке ОВОС); при биоиндикации и биодиагностике деградационных изменений в почве; при биомониторинге состояния почв, а также естественных и антропогенно нарушенных экосистем в целом; при экологическом нормировании загрязнения почв и других деградационных процессов, разработке региональных ПДК или ОДК; при определении степени ответственности (размера штрафа и др.) предприятий при нерациональном природопользовании; при разработке методов санации (восстановления) загрязненных почв; при определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию; при создании экологических карт (районирования, фактологических и прогнозных); при прогнозировании экологических последствий хозяйственной деятельности на данной территории; при оценке риска катастроф; при проведении экологической экспертизы, паспортизации, сертификации территории или хозяйственного объекта и т. д.

Исследование выполнено при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 годы» (14.515.11.0055).

Заключение

Предложен метод биодиагностики устойчивости почв к химическому загрязнению и его нормирования по степени нарушения экологических функций почвы на основе определения интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы.

Дана сравнительная оценка устойчивости основных почв юга России к химическому загрязнению по биологическим показателям.

• 1. Колесников С. И., Азнаурьян Д. К., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Устойчивость биологических свойств почв Юга России к нефтяному загрязнению // Экология. 2010. № 5. С. 357−364.
• 2. Колесников С. И., Гайворонский В. Г., Ротина Е. Н., Жаркова М. Г., Денисова Т. В., Казеев К. Ш. Результаты экспериментального изучения загрязнения бурых почв мазутом // Геоэкология. 2011. № 2. С. 183−187.
• 3. Колесников С. И., Гайворонский В. Г., Ротина Е. Н., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Оценка устойчивости почв Юга России к загрязнению мазутом по биологическим показателям (в условиях модельного эксперимента) // Почвоведение. 2010. № 8. С. 995−1000.
• 4. Колесников С. И., Евреинова А. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Изменение эколого-биологических свойств чернозема при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) // Почвоведение. 2009. № 8. С. 1007−1013.
• 5. Колесников С. И., Жаркова М. Г., Кутузова И. В., Казеев К. Ш. Сопоставление результатов лабораторного и полевого моделирования химического загрязнения почв // Агрохимия. 2013. № 5. С. 86−94.
• 6. Колесников С. И., Жаркова М. Г., Кутузова И. В., Молчанова Е. В., Зубков Д. А., Казеев К. Ш. Биологические свойства чернозема обыкновенного в полевом опыте при загрязнении свинцом // Агрохимия. 2012. № 8. С. 3−8.
• 7. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного // Экология. 2000. № 3. С. 193−201.
• 8. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. 1999. № 4. С. 505−511.
• 9. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Экологические функции почв и влияние на них загрязнения тяжелыми металлами // Почвоведение. 2002. № 12. С. 1509−1514.
• 10. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Велигонова Н. В., Патрушева Е. В., Татосян М. Л., Азнаурьян Д. К., Вальков В. Ф. Изменение комплекса почвенных микроорганизмов при загрязнении чернозема обыкновенного нефтью и нефтепродуктами // Агрохимия. 2007. № 12. С. 44−48.
• 11. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Денисова Т. В., Даденко Е. В. Нормирование химического загрязнения почв по степени нарушения их экологических функций // Экология и промышленность России. 2011. № 11. С. 56−59.
• 12. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Денисова Т. В., Даденко Е. В. Разработка региональных экологических нормативов содержания загрязняющих веществ в почвах юга России // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журная КубГАУ). 2012. № 08(82). http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/73.pdf
• 13. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Татосян М. Л., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2006. № 5. С. 616−620.
• 14. Колесников С. И., Пономарева С. В., Денисова Т. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Биологические свойства чернозема обыкновенного при загрязнении Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W // Агрохимия. 2011. № 1. С. 81−89.
• 15. Колесников С. И., Попович А. А., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения фтором, бором, селеном, мышьяком на биологические свойства чернозема обыкновенного // Почвоведение. 2008. № 4. С. 448−453.
• 16. Колесников С. И., Попович А. А., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Изменение эколого-биологических свойств почв Юга России при загрязнении фтором // Агрохимия. 2008. № 1. С. 76−82.
• 17. Колесников С. И., Спивакова Н. А., Везденеева Л. С., Казеев К. Ш., Кузнецова Ю. С. Моделирование влияния химического загрязнения на биологические свойства гидроморфных солончаков зоны сухих степей Юга России // Аридные экосистемы. 2011. № 47. С. 18−22.
• 18. Колесников С. И., Спивакова Н. А., Везденеева Л. С., Кузнецова Ю. С., Казеев К. Ш. Влияния модельного загрязнения нефтью на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России // Аридные экосистемы. 2013. Vol. 19. No. 2(55). С. 70−76.
• 19. Колесников С. И., Спивакова Н. А., Казеев К. Ш. Влияние модельного загрязнения Cr, Cu, Ni, Pb на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России // Почвоведение. 2011. № 9. С. 1094−1101.
• 20. Колесников С. И., Татлок Р. К., Тлехас З. Р., Казеев К. Ш., Денисова Т. В., Даденко Е. В. Биодиагностика устойчивости предгорных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами // Доклады РАСХН. 2013. № 1. С. 30−34.
• 21. Колесников С. И., Тлехас З. Р., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499−1505.
• 22. Колесников С. И., Ярославцев М. В., Спивакова Н. А., Казеев К. Ш. Сравнительная оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb (в модельном эксперименте) // Почвоведение. 2013. № 2. С. 195−200.
• 23. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д. Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
• 24. Казеев К. Ш., Колесников С. И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета. 2012. 260 с.
• 25. Колесников С. И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д: Изд-во Ростиздат, 2006. 385 с.
• 26. Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука, 1990. 261 с.