Разработка региональных экологических нормативов содержания загрязняющих веществ в почвах юга России

РАЗРАБОТКА РЕГИОНАЛЬНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ СОДЕРЖАНИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ПОЧВАХ ЮГА РОССИИ

В настоящее время в отечественной и мировой науке и практике создан значительный задел по проблеме нормирования химического загрязнения почв и экосистем [1−4]. Однако многие задачи, по-прежнему, не решены. Для многих загрязняющих веществ (элементов) не разработаны экологически безопасные нормы их содержания в почве (например, нефть и нефтепродукты, многие тяжелые металлы и т. д.). В то же время, для тех веществ, нормативы для которых установлены, значения этих нормативов (ПДК и ОДК) носят общий («глобальный») характер. Они разработаны, как правило, либо для «почвы в целом» (ПДК), либо для «крупных групп почв» (ОДК), сходных по основным свойствам почвы, определяющим устойчивость к загрязнению (гранулометрический состав, рН и др.). Однако значения этих нормативов часто оказываются несостоятельными в силу как объективных, так и субъективных причин [4].

Таким образом, представляется актуальным создание методики, позволяющей устанавливать «региональные» и «локальные» нормативы содержания в почве загрязняющих веществ (элементов) с учетом местных эколого-геохимических особенностей территории.

В последнее время и в России, и за рубежом, при оценке состояния окружающей среды и нормировании ее качества экологический подход стал доминирующим. Нами предлагается оценивать степень негативного воздействия химического загрязнения на основе «эмерджентного» подхода по степени нарушения экологических и хозяйственных функций, выполняемых почвой в природной экосистеме, агроэкосистеме или урбосистеме. загрязняющий экологический норматив почва Цель настоящей работы — установить региональные экологические нормативы содержания приоритетных загрязняющих веществ в основных почвах юга России.

объекты и методы исследования

В настоящей работе обобщены результаты серии модельных экспериментов по исследованию влияния загрязнения приоритетными загрязняющими веществами на биологические свойства и экологические функции почв юга России [5−35]. Исследования проведены по единой методике на кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета (ранее Ростовского государственного университета) в период с 1993 по 2012 гг.

В качестве объекта исследования были использованы основные почвы юга России: чернозем обыкновенный (ОПХ ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовская область), чернозем выщелоченный слитой (окрестности г. Белореченск, Краснодарский край); серая лесная почва (окрестности с. Даховская, Республика Адыгея); бурая лесная кислая почва (окрестности п. Никель, Республика Адыгея); дерново-карбонатная выщелоченная почва (Азишский хребет, Краснодарский край); горно-луговая субальпийская почва (плато Лаго-Наки, Республика Адыгея). Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя 0−20 см. Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.

Исследовали загрязнение почвы химическими элементами, являющимися приоритетными загрязнителями окружающей среды (табл. 1).

В лабораторных условиях моделировали загрязнение почвы заданным количеством загрязняющего вещества. В настоящем исследовании за систему отсчета количества элемента в почве была принята их предельно допустимая концентрация (ПДК) из соображения, что разные элементы содержатся в почве в различных несопоставимых, если их выражать в мг, количествах, различающихся на два порядка и более, а, кроме того, обладают различной степенью токсичности. Такой подход позволил сопоставить силу воздействия различных химических элементов между собой.

Для большинства элементов использовали ПДК (табл. 1), разработанные в Германии, так как в России ПДК валовых форм для многих из исследованных элементов не разработаны. Кроме того, многие из принятых в России ПДК не применимы для почв юга России в силу высокого фонового содержания исследуемых элементов [37, 39] и высокой буферности почв юга России к химическому загрязнению [4].

Для Ba, Sr и W были определены УДК равные трем фоновым концентрациям элемента в почве, на том основании, что ПДК Mn, Sb и Sn составляют около трех их фоновых концентраций в почве (табл. 1). Элементы вносили в почву в количестве — 1, 10 и 100 ПДК (УДК).

Использовали следующие формы загрязняющих веществ: CuO, ZnO, CdO, PbO, CoO, Ni₂O₃, CrO₃, Mo₂O₃, MnO₂, BaO, V₂O₅, WO₃, HgCl₂, SbCl₂, SnCl₂, SrCl₂, B₂O₃, CaF₂, H₂SeO₃, Na₃AsO₂. Металлы были взяты по возможности в форме оксидов, чтобы избежать сопутствующего внесения в почву аниона и в связи с тем, что антропогенное загрязнение почв происходит, как правило, оксидами металлов.

Также исследовали загрязнение почв нефтью, мазутом, бензином и дизельным топливом (соляровым маслом, соляркой, газолином). Использовали нефть средней плотности, со средним содержанием серы и хлористых солей, низким содержанием механических примесей; топочный мазут 40, IV вида, со средним содержанием серы, средней зольности, температурой застывания — минус 15 °C; бензин автомобильный неэтилированный Регуляр-92, экологический класс 2; топливо дизельное марки Л (летнее), экологический класс 2.

ПДК нефти, мазута, бензина и солярки в почве не разработаны. Для выражения их концентрации в почве использовали процентное содержание. Изучали действие разных концентраций нефти, мазута, бензина и солярки — 1, 5 и 10% от массы почвы.

Исследовали равномерное загрязнение нефтью и нефтепродуктами всего объема почв. Для этого после внесения загрязняющего вещества почву в сосуде перемешивали. Нефть и нефтепродукты вносили во влажную почву.

Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20−22С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности.

Биологические параметры состояния почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [4].

Степень опасности загрязняющего вещества оценивали по степени снижения интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы [4]. ИПБС был рассчитан на основе наиболее чувствительных и информативных показателей биологической активности почвы: активность каталазы, активность дегидрогеназы, обилие бактерий рода Azotobacter, целлюлозолитическая активность, длина корней редиса (фитотоксичность). Показатели определяли с использованием общепринятых в биологии почв методов [40, 41].

Для расчета ИПБС значение каждого из 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 шести выбранных показателей для каждого варианта опыта. Полученное значение (ИПБС) выражено в процентах по отношению к контролю (к 100%). Использованная методика позволяет интегрировать (суммировать) относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.

Результаты исследования

В работе [4] 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 [42]). 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 [4].

На наш взгляд, устойчивость почвы к загрязнению или иным антропогенным воздействиям должна пониматься, прежде всего, под устойчивостью именно целостных биогеоценотических функций, таких как аккумуляция и трансформация веществ и энергии в биогеоценозе, санитарная функция, функция буферного и защитного биогеоценотического экрана, условия существования и эволюции организмов. Нарушение этой группы функций следует считать порогом устойчивости почвы к антропогенному воздействию, превышение которого чревато экологическим кризисом или даже катастрофой для экосистемы.

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 (табл. 2−4).

Предложенный подход и полученные количественные значения содержания загрязняющих веществ в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, представляется целесообразным использовать при экологическом нормировании, где главной целью должно быть сохранение экологических функций почвы.

В результате разработаны схемы экологического нормирования загрязнения основных почв юга России тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, с количественными значениями содержания загрязняющего вещества в почве, вызывающего срыв той или иной экологической функции, и соответственно разделением почв на незагрязненные, слабо-, среднеи сильнозагрязненные.

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.

Разработанную технологию оценки 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.

Выводы

1. По результатам исследования разработаны схемы экологического нормирования загрязнения основных почв юга России тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, с количественными значениями содержания загрязняющего вещества в почве, вызывающего срыв той или иной экологической функции, и соответственно разделением почв на незагрязненные, слабо-, среднеи сильнозагрязненные.

Таблица 1.

Использованные в исследовании ПДК и УДК элементов в почве (валовое содержание), мг/кг почвы.

— УДК — «условно допустимая концентрация» (3 фона).

Таблица 2.

Схема экологического нормирования загрязнения черноземов приоритетными химическими загрязнителями по степени нарушения экофункций.

• 1. Разработано на черноземах обыкновенных южно-европейской фации.
• 2. Определение интегрального показателя по [12].
• 3. Классификация экологических функций по [42].

Таблица 3.

Схема экологического нормирования загрязнения почв юга России приоритетными химическими загрязнителями по степени нарушения экофункций.

• 1. Определение интегрального показателя по [12].
• 2. Классификация экологических функций по [42].

Таблица 4

Схема экологического нормирования почв юга России нефтью и нефтепродуктами по степени нарушения экофункций.

• 1. Определение интегрального показателя по [12].
• 2. Классификация экологических функций по [42].

Матвеев Ю.М., Попова И. В., Чернова О. В. Регламентация и нормирование содержания химических соединений в почвах (концепция и методология установления предельно-допустимых концентраций) / Охрана окружающей природной среды. Почвы. М.: ВНИИприроды, 2001. С. 49−64.

Методические указания по оценке степени опасности загрязнения почвы химическими веществами. М.: Изд-во Минздрав СССР, 1987. 25 с.

Шандала М.Г., Кондрусев А. И., Беляев А. Н. и др. Гигиеническое и экологическое нормирование: методологические подходы и пути их интеграции // Гигиена и санитария. 1992. № 4. С. 70−75.

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.

Вальков В.Ф., Колесников С. И., Казеев К. Ш. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. 1997. № 6. С. 50−55.

Вальков В.Ф., Колесников С. И., Казеев К. Ш., Тащиев С. С. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микроскопические грибы и Azotobacter чернозема обыкновенного // Экология. 1997. № 5. С. 388−390.

Евреинова А.В., Колесников С. И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами второго класса опасности (Cr, Co, Ni, Mo) на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Приложение. 2006. № 9. С. 54−58.

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.

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.

Колесников С.И., Жаркова М. Г., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Моделирование загрязнения чернозема свинцом с целью установления экологически безопасной концентрации // Экология и промышленность России. 2009. № 9. С. 34−36.

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.

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.

Колесников С.И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. 1999. № 4. С. 505−511.

Колесников С.И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия в черноземе обыкновенном // Агрохимия. 2001. № 9. С. 54−59.

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.

Колесников С.И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф., Денисова Т. В. Методология нормирования химического загрязнения почв на основе нарушения их экологических функций // Экология и промышленность России. 2007. № 11. С. 48−51.

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.

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.

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.

Колесников С.И., Коваленко В. Д., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на содержание в черноземе обыкновенном подвижных форм азота и фосфора // Агрохимия. 1999. № 2. С. 73−78.

Колесников С.И., Пономарева С. В., Денисова Т. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Изменение эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W // Агрохимия. 2011. № 1. С. 81−89.

Колесников С.И., Пономарева С. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Влияние загрязнения Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W на фитотоксичность чернозема // Агрохимия. 2009. № 8. С. 49−53.

Колесников С.И., Пономарева С. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Ранжирование химических элементов по степени их экологической опасности для почвы // Доклады РАСХН. 2010. № 1. С. 27−29.

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.

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.

Колесников С.И., Татосян М. Л., Азнаурьян Д. К. Изменение ферментативной активности чернозема обыкновенного при загрязнении нефтью и нефтепродуктами в условиях модельного эксперимента // Доклады РАСХН. 2007. № 5. С. 32−34.

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.

Пономарева С.В., Колесников С. И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами (Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W) на экологическое состояние чернозема обыкновенного // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2008. № 2. С. 102−104.

Попович А.А., Колесников С. И. Изменение эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении продуктами техногенеза неметаллической природы // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Приложение. 2005. № 5. С. 69−70.

Татлок Р.К., Колесников С. И. Биодиагностика устойчивости бурых лесных почв Северо-Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами // Вестник Майкопского государственного технологического университета. 2011. № 1. С. 31−35.

Татлок Р.К., Колесников С. И. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологические свойства слитых черноземов // Труды Кубанского ГАУ. 2011. № 4 (31). С. 119−121.

Татлок Р.К., Колесников С. И. Изменение биологических свойств субальпийских почв Адыгеи при загрязнении нефтью, мазутом, бензином и соляркой // Вестник Адыгейского государственного университета. Серия 4: Естественно-математические и технические науки. 2011. № 1 (76). С. 114−118.

Татлок Р.К., Тлехас З. Р., Колесников С. И. Биодиагностика устойчивости серых лесных почв Адыгеи к загрязнению нефтью, мазутом, бензином и дизельным топливом // Новые технологии. 2012. № 2. С. 94−97.

Тлехас З.Р., Колесников С. И. Влияние химического загрязнения на биологические свойства серых лесных почв Адыгеи // Вестник Майкопского государственного технологического университета. 2011. № 4. С. 75−80.

Ярославцев М.В., Колесников С. И. Оценка устойчивости черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами по биологическим показателям // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2011. № 4. С. 83−86.

Торшин С.П., Удельнова Т. М., Ягодин Б. А. Микроэлементы, экология и здоровье человека // Успехи современной биологии. Т. 109. Вып. 2. 1990. С. 279−292.

Шеуджен А. Х. Биогеохимия. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2003. 1028 с.

Касьяненко А. А. Контроль качества окружающей среды. М.: Изд-во РУДН, 1992. 136 с.

Дьяченко В. В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов-на-Дону: Издательский центр «Комплекс», 2004. 268 с.

Казеев К.Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.

Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д. Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.

Добровольский Г. В., Никитин Е. Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука, 1990. 261 с.