Загрязнение почв по своим последствиям существенно отличается от загрязнения вод и воздуха. 1. В почвах равновесие, нарушенное при загрязнении, восстанавливается значительно медленнее, чем в водной и воздушной среде. 2. При загрязнении почв (деградации почв), как правило, нарушаются их функции и чаще несколько функций. Опасность, вызываемая загрязнением почв тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почв. Так, период полуудаления в условиях почвенных лизиметров варьирует в зависимости от вида металла: для цинка – 70-510 лет, кадмия – 13-1100 лет, меди – 310-1500, свинца 740-5900 лет (Агроэкология, М., Колос, 2000).
В 1996 году в Российской Федерации более 1 млн. га почв сельскохозяйственных угодий было загрязнено особо токсичными (1 класс опасности) и около 2-3 млн. га токсичными (2 класс опасности) элементами. По данным ЦИНАО (Кузнецов А.В., 1998), интенсивность загрязнения пахотных почв России тяжелыми металлами и фтором можно расположить в следующий ряд: Cu > Ni > Co > Pb > Cd > F > Zn > As. В ниже следующей таблице приведены сведения о доле площадей пахотных почв России, загрязненных тяжелыми металлами.
Таблица 20
Площади пахотных почв РФ, загрязненных тяжелыми металлами и фтором
(Овчаренко М.М. и др., 1997)
В % от обследованной территории с содержанием выше ПДК
PB : Cd : Ni : Cr : Zn : Co : Cu : As : F
ПДК по валовому содержанию
1,6 0,1 0,1 0,5 0,15 1,0 0,1 1,2 -
по содержанию подвижных форм
0,1 0,1 0,6 - 0,05 - 1,9 - 0,5
сумма
1,7 0,2 0,7 0,5 0,20 1,0 2,0 1,2 0,5
Практически все выявленные Центральным институтом агрохимического обслуживания загрязненные почвы, за исключением загрязнения кадмием, представлены почвами неудовлетворительного экологического состояния. Площадь почв неудовлетворительного экологического состояния по кадмию составляет 37,5% от общей загрязненной. Отсутствуют почвы, относящиеся по уровню загрязнения у зонам чрезвычайной экологической ситуации (4-я группа по кобальту) и экологического бедствия (5-я группа по кобальту и никелю). Незначительные площади почв, относящиеся к зонам чрезвычайной экологической ситуации по никелю, меди, хрому и экологического бедствия – по свинцу, цинку, мышьяку, хрому и меди. Широко распространены почвы, относящиеся к зоне чрезвычайной ситуации по кадмию. Доля таких почв составляет 56,3% от общей площади загрязненных кадмием. Значительно распространены также почвы, относящиеся к зоне экологического бедствия по кадмию (6,2%). Доля загрязненных почв, относящихся к зоне чрезвычайной экологической ситуации по свинцу, цинку и мышьяку колеблется в пределах 9,0-22%.
Анализ содержания тяжелых металлов в растениеводческой продукции также свидетельствует о значительном варьировании показателей в зависимости от вида растений, почвенно-климатических условий и технологии выращивания. Так, содержание меди в клубнях картофеля колеблется в пределах 3-11 мг/кг, составляя среднем 5,6 мг/кг, что несколько выше ПДК. Содержание цинка в клубнях картофеля соответственно равно 5-22 мг/кг и 14 мг/кг; свинца – 0-1,5 и 0,73 мг/кг; кадмия – 0-0,21 и 0,11 мг/кг. На основании вышеприведенных данных можно сделать предварительный вывод о том, что тяжелые металлы, особенно, кадмий, свинец, цинк, а также мышьяк в настоящее время представляют серьезную опасность для растениеводства.
Оценка уровня загрязнения почв
Предельно допустимый уровень состояния почв – это тот уровень, при котором начинают изменяться количество и качество вновь создаваемого живого вещества, т.е. биологической продукции. Для обоснования предельно допустимого уровня состояния почв предложены показатели, которые определяются экспериментально. Для минимально низкой концентрации тяжелого металла определяется критический (самый чувствительный) показатель, характеризующий ущерб или экономические последствия, и по этому показателю устанавливается критический уровень концентрации элемента (Орлов Д.С., Безуглова О.С., 2000).
При оценке степени загрязнения почв учитывают превышение содержания элемента в почве, по сравнению с фоном (кларком) и средним содержанием в земной коре. Однако, природное пространственное варьирование содержания химических элементов очень велико и зависит от конкретной почвенно-экологической ситуации (Прохоров А.Н., Чернова О.В., 1997). Нередко фоновое содержание отдельных элементов в почвах выше принятого уровня ПДК. По ряду элементов существует несогласованность между фоновым содержанием в почвах и уровнем ПДК. Так, для хрома среднее фоновое содержание в почве установлено 100 мг/кг, ПДК – 50 мг/кг. При колебании фонового содержания свинца от 2 до 200 мг/кг ПДК составляет 30 мг/кг.
Для почв с многообразием физико-химических свойств установить единое значение ПДК невозможно (Орлов Д.С., Безуглова О.С., 2000). В связи с этим, по данным Мотузовой Г.В. (1992), при выработке экологических нормативов микроэлементного состава почв следует опираться на природные инварианты содержания микроэлементов в почвах. За уровень предельно допустимой концентрации микроэлементов в почвах следует принять превышение среднего регионального фонового содержания на три средних квадратичных отклонения, при уровне вероятности Р=0,99.
Аналогичной точки зрения придерживаются в последнее время и другие авторы. Как указывают Прохоров А.П. и Черникова О.В. (1997), унифицированные средние и допустимые значения концентраций (содержания) загрязняющих веществ в почвах даже одной классификационной принадлежности не могут быть установлены. Это определяется тем, что природное пространственное и временное варьирование содержания химических элементов очень важно и зависит от конкретной почвенно-экологической ситуации (погодно-климатических условий, положения в ландшафте, вида растительности, состава почвообразующих пород, на пахотных землях от вида и сорта культур, системы агротехники и удобрений). Авторы предлагают создание системы региональных и почвенных эталонов. Эталоны должны выбираться из целинных или минимально антропогенно преобразованных почв типичных ландшафтов; с нашей точки зрения, для всех почв и ландшафтов, резко различающихся по своей экологической функции.
Как отмечают Матвеев Ю.М. и Прохоров А.Н. (1997), экологическое нормирование более правильно проводить на основе природно-географического критерия «фоновое содержание». При этом под фоновым содержанием химических соединений и элементов понимается их содержание в почвах, соответствующее сочетанию естественных факторов почвообразования на территориях, не испытывающих заметного антропогенного воздействия. Фоновое содержание будет отличаться как для отдельных почв и элементов рельефа, так и для определенных регионов с характеристическими параметрами гидротермического режима. Под фоновым содержанием химических элементов в методических рекомендациях 1994 и 1996 г.г. понимается содержание, соответствующее их естественным концентрациям в почвах различных климатических зон. Более правильно оно определяется дополнительно для конкретных типов почв, элементов рельефа, гранулометрического состава, минералогического состава.
Оценка предельно допустимых концентраций по содержанию валовых и
подвижных форм соединений элементов
Предельно допустимый уровень или предельно допустимая концентрация – это максимальное значение фактора, которое воздействуя на человека (изолированно или в сочетании с другими факторами), не вызывает у него и его потомства биологических изменений, даже скрытых и временно компенсируемых, в том числе заболеваний, изменений реактивности, адаптационно-компенсаторных возможностей, иммунологических реакций, нарушений физиологических циклов, а также психологических нарушений. Уровень загрязнения определяется, в основном. По валовому содержанию элементов. В то же время одно и то же валовое содержание элемента в одних случаях будет токсичным, а в других нетоксичным. Это зависит от подвижности токсиканта в конкретных условиях среды.
Степень превышения валового содержания элемента в почве, по сравнению с фоновой почвой, не всегда коррелирует со степенью его токсичности. В том случае, когда элемент прочно связан с твердой фазой почвы (в кристаллической решетке минералов или в виде трудно растворимых осадков), степень его токсичности значительно ниже, чем у подвижных форм. На необходимость разработки ПДК для подвижных форм указывается и в сборнике «Охрана почв» (1996). На растения также действуют не валовые, а подвижные формы токсикантов. Например, даже при значительном содержании свинца и кадмия в почве, но при щелочной реакции среды они находятся в виде трудно растворимых осадков и очень незначительно поглощаются растениями. Очевидно. необходимо составление ПДК по подвижным формам тяжелых металлов (их активности). Такие попытки сделаны Обуховым А.И. (1988) и рядом других авторов.
При более детальной оценке уровень токсичности тяжелого металла в почве определяется не только содержанием его подвижных форм, а активностью, константами устойчивости и размерами образующихся комплексных соединений, реакциями конкурирующего комплексообразования в системе почва-растение и т.д. В частности, уровень токсичности зависит от прочности связи элемента с твердой фазой (гранулометрического и минералогического состава, емкости поглощения, степени гумусированности), от скорости перехода токсиканта из твердой фазы в раствор и т.д. В то же время концентрация токсиканта в любой вытяжке определяется эффективными произведениями растворимости его осадков, эффективными константами ионного обмена в системе твердая фаза почвы – почвенный раствор, эффективными константами нестойкости образующихся комплексов. Эта величина далеко не полностью зависит от содержания токсиканта в почве (валовых или обменных форм). Очевидно, необходимо знать активность токсиканта в почве, количество его подвижных форм и скорость их перехода из твердой фазы в раствор. Важным параметром является миграционная способность токсиканта.