Агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственных угодий на реперных участках

Размещено на http://www.allbest.ru/

35

Курсовая работа

Агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственных угодий на реперных участках

Содержание

Введение

1. Общие представления об агроэкологическом мониторинге, его цель, задачи

2. Почвенный агроэкологический мониторинг. Особенности почвы как объекта мониторинга

3. Локальный агроэкологический мониторинг почв

4. Объекты и экотоксикологические показатели агроэкологического мониторинга почв реперных участков

5. Загрязнение почв реперных участков

5.1 Загрязнение тяжелыми металлами и металлоидами

5.2 Загрязнение остаточными количествами пестицидов

5.3 Радиоактивное загрязнение почв

5.4 Загрязнение бенз(а)пиреном и диоксинами

Выводы

Библиографический список

Введение

Сохранение и восстановление сельскохозяйственных угодий, изменение и вывод из эксплуатации которых происходят вследствие интенсификации сельского хозяйства и промышленной деятельности - одна из современных задач человечества (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

В настоящее время актуальны вопросы охраны почв от техногенного загрязнения. Занимая центральное место в ландшафте на пересечении практически всех путей миграции веществ в окружающей среде, почва, загрязненная стойкими соединениями, сама становится источником вторичного загрязнения контактирующих сред, что создает условия комплексного опосредованного поступления токсикантов в организм человека (Милащенко Н.З., 2000). Загрязненный токсикантами почвенный покров не способен полноценно выполнять свои экологические функции, и прежде всего общие биосферные и сельскохозяйственные, что создает угрозу экологической и продовольственной безопасности человечества (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

Агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственных угодий на реперных участках предусматривает комплексное решение вопросов, связанных с определением фактического загрязнения, прогнозом возможного загрязнения в будущем и оценкой последствий этих загрязнений.

Цель работы - рассмотреть экотоксикологические аспекты агроэкологического мониторинга почв сельскохозяйственных угодий на реперных участках.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-дать общую характеристику агроэкологического мониторинга и мониторинга почв в частности;

-рассмотреть объекты и экотоксикологические показатели агроэкологического мониторинга почв реперных участков, проведение мониторинга почв на реперных участках;

-дать экотоксикологическую характеристику некоторым загрязняющим веществам почв реперных участков (тяжелые металлы, пестициды, радиоактивные изотопы, бенз(а)пирен, диоксины), рассмотреть последствия загрязнения ими;

-рассмотреть проведение мониторинга почв по каждому из загрязняющих веществ в отдельности.

1. Общие представления об агроэкологическом мониторинге, его цель, задачи

Мониторинг (от лат. monitor - предупреждающий, предостерегающий) - система длительных регулярных наблюдений в пространстве и времени, дающая информацию об окружающей среде с целью оценки настоящего ее состояния и прогноза изменения в будущем (Орлов Д.С., Малинина М.С., 1991).

Мониторинг - система наблюдений и контроля за состоянием окружающей человека природной среды с целью разработки мероприятий по ее охране, рационализации использования природных ресурсов и предупреждения критических ситуаций, вредных или опасных для здоровья людей, существования живых организмов и их сообществ, природных комплексов и объектов (Черников В.А, Соколов О.А., 2000).

Агроэкологический мониторинг является важной составляющей общей системы мониторинга и представляет собой общегосударственную систему наблюдений и контроля за состоянием и уровнем загрязнения агроэкосистем (и сопредельных с ним сред) в процессе интенсивной сельскохозяйственной деятельности. Порядок проведения агроэкологического мониторинга реализует "Положение об осуществлении государственного мониторинга земель", утвержденное в соответствии с Земельным кодексом правительством Российской Федерации постановлением от 28 ноября 2002 года № 846.

Основная конечная цель агроэкологического мониторинга - создание высокоэффективных, экологически сбалансированных агроценозов на основе рационального использования и расширенного воспроизводства природно-ресурсного потенциала, грамотного применения средств химизации.

Задачи агроэкологического мониторинга:

1. Организация наблюдений за состоянием агроэкосистем;

2. Получение систематической, объективной и оперативной информации по регламентированному набору обязательных показателей, характеризующих состояние и функционирование основных компонентов агроэкосистем;

3. Оценка получаемой информации;

4. Прогноз возможного изменения состояния данного агроценоза или системы их в ближайшей и отдаленной перспективе;

5. Выработка решений и рекомендаций, консультации; предупреждение возникновения экстремальных ситуаций и обоснование путей выхода из них; направленное управление эффективностью агроэкосистем (Черников В.А., Соколов О.А., 2000).

В рамках агроэкологического мониторинга выделяются две взаимосвязанные по информационной базе подсистемы: производственная и научная.

Производственная система включает мониторинг всех производственных сельскохозяйственных площадей страны и проводится уполномоченными службами по сравнительно небольшому набору показателей через 5-15 лет. В этом случае можно получить достаточно надежную систему фоновых характеристик.

Научной базой подготовки исходных данных для технологических решений является полигонный агроэкологический мониторинг. Такой мониторинг может осуществляться на делянках длительных опытов, постоянных участках слежения, реперных точках. При условии оснащения современными приборами и оборудованием, автоматизированными системами слежения, стоковыми площадками, лизиметрами и т.д. он позволяет проводить фундаментальные исследования по широкому спектру вопросов (Черников В.А., Соколов О.А., 2000).

Основными компонентами агроэкосистем являются атмосфера, вода, почва, растения. Проведение мониторинга по каждому из этих объектов имеет определенные особенности.

2. Почвенный агроэкологический мониторинг. Особенности почвы как объекта мониторинга

Одной из важнейших составляющих агроэкологического мониторинга является почвенный мониторинг. Он направлен на выявление антропогенных изменений почв, которые могут в конечном итоге нанести вред здоровью человека (Мотузова Г.В., 2007).

Актуальность изучения содержания химических элементов в почвах и растениях повышается с каждым годом в связи с интенсификацией процессов антропогенного воздействия. Существующая тенденция накопления поллютантов в почвах сельскохозяйственных угодий вызывает необходимость регулярного контроля состояния их в почвах, сельскохозяйственной продукции. Агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственных угодий является наиболее важным элементом обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве (Сычев В.Г., 2006).

Мониторинг состояния почв должен включать мониторинг источников и уровней загрязнения, а также факторов и последствий воздействия загрязнения на почву.

Уже на начальном этапе мониторинга необходимы ранжирование источников и выделение приоритетных (для каждого из них) загрязняющих веществ с точки зрения их опасности для почвы, а также определение группы показателей, подлежащих контролю в первую очередь в зависимости от особенностей воздействия данной совокупности веществ.

Для организации мониторинга почв необходимо: выделить минимальную совокупность параметров, характеризующих качество почвы, для каждого параметра определить оптимальные величины и диапазон возможных колебаний, не приводящих к существенному изменению биологической продуктивности почвы; оценить степень воздействия (опасности) загрязнений на выбранные характеристики с целью определения тех минимальных нагрузок, которые вызывают начало необратимых изменений в свойствах почвы или почвообразовательных процессах; разработать обобщенные показатели качества почв и параметры, характеризующие устойчивость почв к загрязнению (Гапонюк Э.И., 1987).

Наиболее важным в программе мониторинга является вопрос о перечне показателей химического состояния почв, подлежащих контролю.

Показатели загрязнения почв - перечень почвенных свойств, количественные уровни которых позволяют выявить отрицательные изменения почв под влиянием антропогенных факторов (Орлов Д.С., 1991).

Требования к показателям почвенно-химического мониторинга состоят в следующем: информативность в отражении состояния почв как компонентов экосистемы, чувствительность к смене экологической обстановки, доступность методов аналитического определения, правильность и воспроизводимость результатов их аналитического определения, обеспечивающих сопоставимость данных (Мотузова Г.В., 1999).

Среди контролируемых показателей состояния почв выделяют две группы: биохимические и педохимические.

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.

Деление показателей загрязнения почв на две группы, как и любая классификация, условно. Почвенные показатели обеих групп взаимосвязаны. Связь их обусловлена как способностью загрязняющих веществ влиять и на биотическое и на абиотическое состояние почв, так и тем, что названные химические свойства определяют способность почв сопротивляться загрязнению (Мотузова Г.В., 1999). Организация почвенного мониторинга представляет собой задачу более трудную, чем мониторинга водных и воздушных сред по следующим причинам:

1. Почва - сложный объект исследования, так как представляет биокосное тело, которое живет по законам и живой природы, и минерального царства;

2. Почва - многофазная гетерогенная полидисперсная термодинамическая открытая система, химические взаимодействия в ней происходят с участием твердых фаз, почвенного раствора, почвенного воздуха, корней растений, живых организмов. Постоянное влияние оказывают физические почвенные процессы (перенос влаги и испарение);

3. Опасные загрязняющие почвы химические элементы - Hg, Cd, Pb, As, F, Se - являются природными составляющими горных пород и почв, они поступают в почвы из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей;

4. Различные химические вещества антропогенного происхождения поступают в почву практически постоянно;

5. Природное пространственное и временное варьирование содержаний химических веществ в почвах велико, что нередко определяет трудность установления степени превышения исходного уровня содержания химических веществ в почвах (Мотузова Г. В., 1994).

Специфика почв как объекта мониторинга определяется их местом и функциями в биосфере. Почвенный покров служит конечным приемником большинства техногенных химических веществ, вовлекаемых в биосферу. Обладая высокой емкостью поглощения, почва является главным аккумулятором, сорбентом и разрушителем токсикантов. Представляя собой геохимический барьер на пути миграции загрязняющих веществ, почвенный покров предохраняет сопредельные среды от техногенного воздействия. Однако возможности почвы как буферной системы не безграничны. Аккумуляция токсикантов и продуктов их превращения в почве приводит к изменению её химического, физического и биологического состояния, деградации и, в конечном итоге, разрушению. Эти негативные изменения могут сопровождаться токсичным воздействием почв на другие компоненты экосистемы - биоту (в первую очередь, видовое разнообразие, продуктивность и устойчивость фитоценозов), поверхностные и грунтовые воды, припочвенные слои атмосферы (Гришина Л. А., 1991 и др.).

Почвенный агроэкологический мониторинг в отношении загрязняющих веществ должен проводиться на глобальном (фоновом), региональном и локальном (импактном) уровнях.

3. Локальный агроэкологический мониторинг почв

Локальный или «санитарно-гигиенический» мониторинг - это слежение за процессами, имеющими местный характер. Локальный мониторинг включает наблюдения за отдельными изменениями компонентов природной среды под влиянием конкретных видов воздействия местного значения. Он предполагает контроль за уровнем содержания в природных средах токсичных для человека загрязняющих веществ (Почвенно-экологический мониторинг…, 1994). При локальном мониторинге состояния окружающей среды оценивают с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, комплексным показателем состояния окружающей среды (Орлов Д.С., 1991).

Размеры, объем и формы поступления загрязняющих веществ, контролируемые при локальном мониторинге в почвах, обусловлены рядом антропогенных факторов. Распределение загрязняющих веществ в геохимическом ландшафте, в почвенном профиле зависят от геоморфологических, биоклиматических, почвенно-химических условий. Специфическое сочетание антропогенных факторов поступления загрязняющих веществ и ландшафтно-геохимических условий их распределения в контролируемых почвах формируют определенный тип и уровень загрязнения почв (Почвенно-экологический мониторинг…, 1994).

Локальный почвенно-химический мониторинг должен решать следующие задачи:

1. Характеристика источника загрязнения и загрязняющих веществ;

2. Определение уровней контролируемых показателей состояния почв, вод, растений на территории, подверженной действию источника загрязнения;

3. Установление зон распространения почв с ухудшением контролируемых свойств;

4. Определение характера действия загрязняющих веществ на почву, а также путей миграции, аккумуляции и направления трансформации загрязняющих веществ в почве;

5. Оценка сопротивляемости почв загрязнению и возможности их самоочищения;

6. Рекомендация мероприятий по снижению или ликвидации последствий загрязнения почв;

7. Оценка экономического ущерба, нанесенного природе и сельскому хозяйству загрязнением почв (Почвенно-экологический мониторинг…, 1994).

Для проведения локального мониторинга на типичных по почвенному покрову полях с разной интенсивностью химических нагрузок выделяют постоянные участки - реперные площадки, на которых изучают динамику широкого набора показателей служащих основой для последующей экологической оценки применяемых технологий (Агроэкология, 2000).

4. Объекты и экотоксикологические показатели агроэкологического мониторинга почв реперных участков

Реперный участок - это поле (часть поля) или отдельно обрабатываемый участок площадью не более 40 га и менее 4 га, типичный для данного региона. Он должен отражать преобладающий почвенный покров, историю землепользования, интенсивность и характер применения средств химизации, проведения различных мелиоративных мероприятий.

Агроэкологический мониторинг почв сельскохозяйственных угодий Российской Федерации на реперных участках ведется центрами и станциями агрохимической службы Минсельхоза Российской Федерации с 1991 года. Обобщение результатов мониторинга осуществляется Всероссийским научно-исследовательским институтом агрохимии им. Д.Н. Прянишникова. Распределение реперных участков по субъектам Российской Федерации зависит от наличия в производстве площадей сельскохозяйственных угодий данного субъекта и числа административных районов (Сычев В.Г., 2006).

Реперные участки располагаются в различных природно-сельскохозяйственных зонах и провинциях, а также на техногенно-загрязненных территориях вблизи крупных промышленных предприятий, транспортных магистралей, городов (Методические указания по проведению локального мониторинга…, 1996). Наблюдательные (фоновые участки) площадки организуют и на ближайших почвенных аналогах, не подвергающихся антропогенному воздействию (целина, залежь, естественные угодия) (Агроэкология, 2000).

Закладка реперных участков проводится с учетом всех природно-климатических и производственно - технологических условий, чтобы максимально характеризовать все многообразие факторов, влияющих на сельскохозяйственное производство. При выборе места для закладки реперного участка используются материалы агрохимического и почвенного обследования предыдущих лет. Учитываются рельеф и геоморфология, агроклиматические условия и увлажненность территории, состав сельскохозяйственных угодий, бонитет почв, наличие техногенных загрязнителей (их количество, мощность выбросов), роза ветров.

Почва реперного участка находится на сельскохозяйственном использовании и не исключается из действующего севооборота. Реперные участки закреплены на местности, их географические координаты зарегистрированы в паспорте реперного участка и используются для составления различных карт и картограмм (Методические указания по проведению локального мониторинга…, 1996).

При локальном агроэкологическом мониторинге реперных участков контролируются как агрохимические свойства почв и получаемой на них продукции, так и показатели их токсикологической и радиологической безопасности (Киселев А.П., 2003). Ежегодно на контрольных точках берут почвенные пробы, которые исследуют на содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов, остаточное количество пестицидов, долгоживущие радионуклиды и гамма-излучение (Соловьев В.М., 2001). На реперных участках обязательным является изучение миграции химических элементов и загрязняющих веществ по профилю почв до глубины 1 м путем отбора проб почвы через 20 см (Сычев В.Г., 2006).

В ходе проведения мониторинга почв сельскохозяйственных угодий на реперных точках регистрируются следующие экотоксикологические показатели:

1. Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов в пахотном горизонте и в метровом слое (интервал 20 см);

2. Содержание остаточных количеств пестицидов в пахотном и метровом слое (ГХЦГ, ДДТ, симазин, атразин и др.);

3. Содержание ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr , мощность экспозиционной дозы гамма-излучения (Сычев В.Г., 2006).

Вся информация заносится в паспорт реперного участка, он является нормативно-техническим документом, обосновывающим выделение денежных средств для проведения работ по локальному мониторингу, а также паспорт служит основой для сертификации.

Результаты агроэкологического мониторинга почв на реперных участках используют для разработки комплекса мер по охране окружающей среды, они являются информационной базой при составлении ежегодного доклада о состоянии и использовании земель и позволяют управлять эффективным плодородием почвы (Соловьев В.М., 2001).

5. Загрязнение почв реперных участков

Загрязнение почвы - накопление в почве ряда веществ и организмов в таких количествах, которые снижают технологическую, питательную и санитарно-гигиеническую ценность выращиваемых культур, ухудшает качество других природных объектов и может приводить к деградации почв (Орлов Д.С., 1991).

Загрязнение почв - вид антропогенной деградации почв, при которой содержание химических веществ в почвах, подверженных антропогенному воздействию, превышает природный региональный фоновый уровень их содержания в почвах (Мотузова Г.В., 2007).

Среди загрязнителей почв сельскохозяйственных угодий, представляющих наибольший интерес для служб мониторинга, к числу важнейших относят тяжелые металлы. В значительной мере это связано с биологической активностью многих из них. Результаты мониторинга сельскохозяйственных угодий Российской Федерации по содержанию в почвах тяжелых металлов и металлоидов показали, что загрязнение происходит на полях вокруг промышленных центров, предприятий цветной и черной металлургии, машиностроения, энергетики и других зон повышенного техногенного воздействия на окружающую природную среду.

Современное сельское хозяйство немыслимо без систематического использования химических средств защиты растений. Снижение объемов применения пестицидов и изменение их ассортимента в последние 15 лет привело к многократному уменьшению масштабов и уровней загрязнения почв сельскохозяйственных угодий их остаточными количествами. Вместе с тем, остаются проблемы негативного воздействия пестицидов на окружающую среду и здоровье человека в местах их хранения и захоронения, на сельскохозяйственных угодьях, где долгое время применялись стойкие органические препараты, в результате глобальной миграции пестицидов.

Накопление в почве сельскохозяйственных угодий радионуклидов практически во всех регионах страны (за исключением Чернобыльской катастрофы 1986 года и восточно-уральского следа аварии 1957 года) незначительно по сравнению с их суммарным количеством в почве. После Чернобыльской аварии некоторые территории России были загрязнены техногенными радионуклидами. Наибольшие площади загрязнения сельскохозяйственных угодий расположены в Брянской и Тульской областях (Сычев В.Г., 2006).

5.1 Загрязнение тяжелыми металлами и металлоидами

Загрязнение природной среды тяжелыми металлами в настоящее время - одно из наиболее распространенных следствий техногенного воздействия человека на естественные и искусственные экосистемы (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, масса атомов которых превышает 50 атомных единиц (Pb, Zn, Cd, Hg, Co, Cu, Ni и др.). Среди металлоидов в составе загрязняющих веществ находят As, Sb, Se, B, Mo (Мотузова Г.В., 2007).

Тяжелые металлы в живых организмах играют двоякую роль. В малых количествах они входят в состав биологически активных веществ, регулирующих нормальный ход жизнедеятельности организмов. Тяжелые металлы в количестве менее 0,01% являются жизненно необходимыми для растений и используются в растениеводстве в качестве микроудобрений (Милащенко Н.З., 2000). Термин «тяжелые металлы» по отношению к микроэлементам может применятся в случаях, когда те встречаются в экзогенных, повышенных концентрациях и могут оказывать на растения и животных токсическое воздействие (Титова В.И. Агроэкосистемы…, 2002).

Пахотные почвы загрязняются такими элементами как ртуть, мышьяк, свинец, бор, медь, олово, висмут, которые попадают в почву в составе ядохимикатов, биоцидов, стимуляторов роста растений, структурообразова-телей. Нетрадиционные удобрения, изготовляемые из различных отходов часто содержат большой набор загрязняющих веществ с высокими концентрациями. Из традиционных минеральных удобрений фосфорные удобрения содержат чаще всего примеси Sr, F, так как они сопутствуют фосфоритам и особенно апатитам, которые служат сырьем для приготовления различных видов фосфорных удобрений (Мотузова Г.В., 2007).

Тяжелые металлы относятся к числу наиболее опасных для природной среды химических загрязняющих веществ. Значительная доля тяжелых металлов, загрязняющих природную среду, попадает в почву, которая служит мощным их аккумулятором и практически не теряет со временем. Для тяжелых металлов в принципе не существует механизмов самоочищения - они лишь перемещаются из одного природного резервуара в другой (Черных Н.А., 1999). Тяжелые металлы обладают способностью накапливаться в живых организмах, включаться в метаболический цикл, образовывать высокотоксичные металлорганические соединения (например, метилртуть, тетраалкилсвинец), изменять формы нахождения при переходе от одной природной среды в другую, не подвергаясь биологическому разложению (Титова В.И. Агроэкосистемы…, 2002).

Среди соединений металлов в почве можно выделить несколько групп, различающихся по миграционной способности и по степени доступности растениям. Сведений только об общем содержании металлов в почвах для оценки степени загрязнения почв недостаточно. Необходимы данные о подвижных соединениях тяжелых металлов, так как именно они характеризуют способность загрязняющих веществ переходить в сопредельные среды (Мотузова Г.В., 2007).

Тяжелые металлы необратимо фиксируются в поверхностном (0-20 см) слое почвы, который наиболее плодороден и определяет урожай и состав сельскохозяйственных культур, кормов и продуктов питания. Интенсивное загрязнение почв ведет к снижению урожая, гибели или невозможности использовать продукты или корма из-за токсических концентраций элементов в растениях, и не позволяет использовать территорию вблизи источника загрязнения в сельском хозяйстве (Садовникова Л.К., 1985).

Распределение тяжелых металлов в почвах - весьма сложный процесс, обусловленный рядом факторов, среди которых важнейшая роль принадлежит типам почв, их окислительно-восстановительным и кислотно-основным свойствам, содержанию в них органического вещества, гранулометрическому составу, а также водно-тепловому режиму и геохимическому фону региона (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхнем горизонте и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями и эрозии. Первый период полуудаления тяжелых металов значительно варьируется для разных элементов: Zn - 70 - 510 лет, Cd - 13 - 110 лет, Cu - 310 - 1500 лет, Pb - 740 - 5900 лет (Почвенно-экологический мониторинг…, 1994). Аккумуляция основной части загрязняющих веществ наблюдается преимущественно в гумусово-аккумулятивном почвенном горизонте. Тяжелые металлы связываются они алюмосиликатами, несиликатными минералами, органическими веществами за счет различных реакций взаимодействия. Часть их удерживается этими компонентами прочно и не только не участвует в миграции по почвенному профилю, но и не представляет опасности для живых организмов (Мотузова Г.В., 2007). Высокобуферные карбонатные горизонты фиксируют до 99% выпавших тяжелых металлов в слое 10-20 см. В слабокислых почвах миграция металлов иногда идет до глубины 40 см. В малобуферных почвах прослеживается проникновение экзогенных тяжелых металлов до 60-80 см, но основная доля сорбируется в слое 0-10 см (целина) и 0-20 см (пашня) (Садовникова Л.К., 1985).

Отрицательные экологические последствия загрязнения почв связаны с подвижными соединениями металлов и металлоидов. Их образование в почве обусловлено концентрированием этих элементов на поверхности твердых фаз почв за счет реакции сорбции-десорбции, осаждения - растворения, ионного обмена, образования комплексных соединений. Увеличение кислотности сопровождается повышением растворимости соединений металлов, но ограничением растворимости соединений металлоидов (Мотузова Г.В., 2007).

Тяжелые металлы действуют на почву как прямо, так и опосредованно, путем вмешательства в биологические циклы.

Больше всего имеется данных о воздействии избытка тяжелых металлов на почвенные микробоценозы и их функционирование. При этом могут подвергнуться изменению структура, состав и общая биомасса микробного сообщества (Титова В.И. Агроэкосистемы…, 2002). Достоверно установлено снижение численности прокариотных микроорганизмов, олигонитрофильных и аммонифицирующих бактерий, актиномицетов. Относительно устойчивы к воздействию тяжелых металлов целлюлозолитические бактерии и микроскопические грибы, причем их численность может даже возрастать (Орлов Д.С., 2002).

Тяжелые металлы ингибируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве. Имеются данные о консервации органического вещества в загрязненных почвах, что связано с ограниченной доступностью комплексов тяжелых металлов с гумусовыми кислотами для минерализации микроорганизмами. При этом на загрязненных металлами почвах содержание органического вещества может увеличиваться, однако, это более грубый и низкокачественный гумус.

Тяжелые металлы, являясь антагонистами ряда элементов питания, ограничивают их поступление в растения. Так, кадмий, находясь в почвенном растворе, снижает доступность растениям фосфора, кальция, магния, железа, цинка; свинец ограничивает поступление фосфора, кальция, железа, меди, цинка (Титова В.И. Экотоксикология…, 2002).

Тяжелые металлы нарушают нормальный ход биохимических процессов, влияют на синтез и функции многих активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов. При высоких концентрациях тяжелых металлов (кадмий, свинец, цинк, медь) происходит снижение количества хлорофилла, вследствие ингибирования синтеза магний-порфирина. Под действием тяжелых металлов снижается содержание фосфора, калия, магния в растениях (Милащенко Н.З., 2000).

Определение степени почв загрязнения тяжелыми металлами - достаточно сложная задача. В почвах тяжелые металлы присутствуют в форме различных соединений, которые могут трансформироваться и переходить из одних форм в другие. Для целей мониторинга выбирают в известной мере три важнейшие группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание ТМ, доступные (кислоторастворимые) формы соединений, растворимые в 1 М растворе соляной кислоты или 1 М растворе азотной кислоты (потенциальный запас элемента) и лабильные (подвижные) формы их соединений, переходящие в буферный раствор (актуальный запас элемента). (Пименова Е.В., 2009)

Определение тяжелых металлов в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, а также на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях (участках), предназначенных для выращивания экологически чистой продукции. В почвенных пробах определяют «подвижные» формы тяжелых металлов и их валовое содержание. Степень загрязнения почв тяжелыми металлами выявляют путем сравнения с предельно допустимой концентрацией (ПДК или ОДК) соответствующего элемента в почве или его фоновым содержанием (Методические указания…, 2003).

Контроль за загрязнением тяжелыми металлами осуществляется по 5 элементам первого класса токсичности (ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк) и 4 металлам второго класса токсичности (никель, хром, кобальт, медь) (Киселев А.П., 2003). Определение тяжелых металлов в почве проводится методом атомно-абсорбционной спектрометрии с пламенной и беспламенной атомизацией. В настоящее время для отдельных элементов, в том числе меди, цинка, ртути, свинца и других разработаны ПДК.

При контроле содержания тяжелых металлов в почвах возможно сравнить уровень загрязнения почв с естественным фоном. Как правило, при необходимости контроля за техногенным загрязнением почв тяжелыми металлами, принято определять валовое содержание металла. Однако валовое содержание не всегда может характеризовать степень опасности загрязнения почвы, поскольку почва способна связывать соединения металлов, переводя их в недоступные растениям состояния. Правильнее говорит о роли "подвижных" и "доступных" для растений форм. Определение содержания подвижных форм металлов желательно проводить в случае высоких их валовых количеств в почве, а также, когда необходимо характеризовать миграцию металлов-загрязнителей из почвы в растения.

Подвижные формы металлов извлекаются различными экстрагентами в зависимости от типа исследуемых почв и свойств металла. В качестве экстрагентов используют кислоты, различные соли, буферные растворы, бидистиллированную воду (Методические указания…, 1992).

5.2 Загрязнение остаточными количествами пестицидов

Пестициды - ядохимикаты, применяемые для уничтожения вредных организмов, животных, растений, бактерий, грибов.

Пестициды включают обширную группу химических веществ различных классов и химической природы. В общей массе загрязняющих веществ доля пестицидов невелика - всего 0,2 %. Но они опасны высокой биологической активностью, сохраняясь в почве, они могут по пищевым цепям попасть в продукты питания. Пестициды влияют на все звенья системы почва - корма - животные - продукция - человек. Помимо прямого действия они могут создавать метаболиты, опасность которых во много раз выше исходных веществ (Мотузова Г.В., 2007).

Проблема загрязнения почвы остаточными количествами пестицидов связана в основном с применением хлорорганических препаратов и отдельных классов гербицидов, остаточные количества которых, вследствие их высокой персистентности сохраняются длительное время в почве, где их широко использовали с нарушением рекомендаций по их применению.

Такие хлорорганические пестициды (ХОП), как ДДТ и ГХЦГ в течение нескольких десятилетий занимали одно из первых мест по масштабам использования в сельском хозяйстве России. ХОП устойчивы к высокой температуре, солнечной радиации, действию сильных кислот и щелочей. Они характеризуются прочностью химических связей, слабой растворимостью в воде. Эти свойства определяют длительное сохранение препаратов в окружающей среде (период полураспада в почве 10-15 лет), способны циркулировать в природе и распространяться на большие расстояния, активно накапливаться в трофических цепях.

Фосфорорганические пестициды (карбофос, фосфамид, метафос и др.) и производные карбамидной кислоты в почве распадаются сравнительно быстро, менее чем за 5 месяцев, не образуют токсичных метаболитов (Черников В.А., 2000).

Пестициды вносят непосредственно в почву, или они попадают туда с протравленными семенами, а также в результате смыва с поверхности растений выпадающими осадками (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

При внесении в почву пестициды подвергаются многочисленным влияниям биотического и небиотического характера, которые определяют их дальнейшее поведение, трансформацию и, в конечном счете, минерализацию. Направление и скорость превращения молекул пестицидов обусловлены химической природой действующего вещества, типом почвы, состоянием и активностью ее биоты, характером внешних воздействий на почвенный покров (агротехнические и мелиоративные приемы) (Орлов Д.С., 2002).

Из почвенных и климатических факторов в наибольшей мере со скоростью детоксикации коррелируют температура, влажность почвы, и количество осадков (Сычев В.Г., 2006). В зоне умеренного климата основное количество токсикантов в большинстве случаев локализуется в слое 0-30 см. Проникновение незначительного количества пестицидов на большую глубину до 50-80 см и в отдельных случаях до 100--120 см, наблюдалось, как правило, в почвах, характеризующихся легким гранулометрическим составом и низким содержанием гумуса, в условиях избыточного увлажнения, а также при увеличении доз или при многократном применении пестицидов. Сравнительная глубина проникновения отдельных пестицидов в пределах каждого из классов органических соединений в значительной мере зависит от степени поглощения их почвой и растворимости (Овчинникова М. Ф., 1987).

Содержание органического вещества в почве может двояко влиять на процессы детоксикации. Органическое вещество повышает адсорбцию пестицидов, что приводить к снижению скорости их детоксикации. Это обстоятельство наиболее существенно для пестицидов, которые способны улетучиваться из почвы. Если же деградация пестицида происходит в основном за счет микробиологического процесса, тогда органическое вещество стимулирует процесс детоксикации.

Пестициды растворяются в почвенном растворе и при перемещении в более глубоки слои адсорбируются на почвенных частицах. В периоды интенсивного испарения воды с поверхности почвы пестициды могут перемещаться из более глубоких слоев к поверхности с капиллярной водой (Сычев В.Г., 2006).

Растворимые в воде и липидах пестициды способны поступать через кутикулу и корневую систему вглубь тканей растений. При этом остаточные количества их накапливаются в жировосковом покрытии растений, в таких условиях они могут длительно сохраняться в неизменном виде (Баранников В.Д., 2005). Примерно 70% применяемых соединений попадает в организм человека с мясом, молоком и яйцами, а 30% - с растительной пищей. Наиболее часто в пищевых продуктах содержатся остаточные количества дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) и изомеров гексахлорциклогексана (ГХЦГ). Пестициды могут влиять на обменные процессы в растениях, что сказывается на химическом составе и пищевой ценности продукции (Агроэкология, 2000).

Резко уменьшая разнообразие видов в экосистеме, пестициды отрицательно влияют на почвенную биоту, снижая почвенное плодородие. Так, в пойменных почвах Нечерноземья до недавнего времени было до 300 экз. земляных червей на 1 м². Сейчас их численность сократилась в десятки и сотни раз.

Все пестициды вызывают депрессию процесса азотфиксации. При интенсивном использовании отмечается стерилизация почвы: например, в некоторых районах Индии и Индонезии при выращивании сахарного тростника известны случаи доминирования фитопатогенных микроорганизмов в результате чрезмерной химической нагрузки на почву.

Пестициды изменяют содержание различных макро- и микроэлементов в растениях, что изменяет их вкусовые качества (Агроэкология, 2000).

Пестициды подавляют биологическую активность почвы, являются мутагенами, ухудшают качество растениеводческой и животноводческой продукции, отрицательно влияют на здоровье людей. На земном шаре прямое отравление пестицидами каждый год поражает 2 млн га и уносит до 50 тыс. жителей (Баранников В.Д., 2005).

В соответствии с программой Общегосударственной службы контроля за загрязнением природной среды в почвах пахотных угодий повсеместно и регулярно предполагается определение содержания пестицидов, гербицидов и других загрязняющих веществ органической природы, а именно: ДДТ и его метаболиты (ДДД, ДДЭ), гексахлорциклогексан (ГХЦГ), триазиновые гербициды (симазин, атразин, прометрин, котофор) (Почвенно-экологический мониторинг …, 1994).

Определение остаточных количеств пестицидов (ОКП) проводят в почвенных пробах, которые представляют наиболее характерные поля и участки. Особое внимание уделяют полям с интенсивным применением пестицидов, участкам полей, на которых технологически могут быть внесены повышенные количества препаратов (место заправки емкостей, развороты техники, движение техники, движение техники на подъем и т.п.), участкам с пониженным рельефом местности и др. Содержание ОКП проводят методом газожидкостной хроматографии по официально утвержденным методикам. Результаты определения оценивают путем сопоставления с нормативами допустимого содержания пестицидов в почве (предельно допустимыми концентрациями -- ПДК) (Методические указания…, 2003).

5.3 Радиоактивное загрязнение почв

Радиоактивнее элементы - неустойчивые химические элементы, способные к радиоактивному распаду, который сопровождается испусканием энергии (Мотузова, 2007).

На агроэкосистемы воздействуют радионуклиды природного радиационного фона (естественные) и техногенные (связанные с деятельностью человека).

К техногенным радионуклидам относят продукты деления урана и плутония ⁹⁰Sr,¹³¹I, ¹³⁷Cs, а так же металлы с наведенной активностью ⁵⁴Mn, ^{55, 59}Fe, ⁶⁰Co, ⁶⁵Zn и д.р.

Приоритетными загрязнителями являются ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Они обладают высокой биологической активностью и подвижностью, которая обусловлена тем, что стронций и цезий - близкие химические аналоги кальция и калия и очень сходны по поведению в биологических системах (Баранников В.Д., 2005).

Попадая в окружающую среду, радионуклиды активно вовлекаются в круговорот веществ, накапливаясь в ее компонентах. Они становятся неотъемлемым звеном пищевых цепей и играют существенную роль в функционировании экосистем, в том числе почвы и растительности. Наибольшему загрязнению подвергаются аккумулятивные горизонты почв сельскохозяйственных территорий (Гогмачадзе Г.Д., 2010).

Радионуклиды, поступившие на почвенно-растительный покров из воздуха, первоначально концентрируются в верхнем слое почвы 0...2 см, а затем начинают мигрировать по ее профилю.

Радиоактивные вещества, попадая из атмосферы на земную поверхность, могут непосредственно поступать в растения, оседая на их наземных органах. Через листья в растения проникает от 2 до 60% ¹³⁷Cs, a ⁹⁰Sr - лишь доли процента (Мосина Л.В., 2000). Большая часть радионуклидов прочно сорбируется ППК и включается в биологический круговорот в сравнительно небольшом количестве. Поглощение почвой подавляющего большинства радионуклидов определяется процессами их распределения между двумя основными фазами -- твердой и жидкой (почвенный раствор) и осуществляется главным образом благодаря процессам сорбции -- десорбции радионуклидов, осаждения -- растворения труднорастворимых соединений и коагуляции -- пептизации коллоидов (www.ekowiki.ru).

Поглощение радионуклидов ППК растянуто во времени. В первый год попадания ⁹⁰Sr в почву его поступление в растения на 20-30% больше, чем в последующие годы. Поступление же Cs - меньше, но на легких по механическому составу песчаных почвах поступление ¹³⁷Cs в растения в 40-50 раз выше, чем ⁹⁰Sr. Поступление ¹³⁷Cs из торфянистых почв в несколько раз выше, чем из минеральных почв.

Так как накопление радионуклидов в растениеводческой продукции определяется содержанием их в почве и биологической доступностью, то коэффициенты пропорциональности для различных культур не одинаковы.

При загрязнении естественных угодий ⁹⁰Sr в пределах 1 мкКи/км2 1 кг сухого вещества трав содержал 4,8 стронциевых единиц (с.е.): свеклы - 1,7; картофеля-1,56; пшеницы - 0,8 (Мосина Л.В., 2000).

На клеточном уровне радиационные изменения у растений выявляются в виде цитогенетических повреждений, оцениваемых по снижению митотической активности, увеличению числа хромосомных аберраций и изменению длительности митотического цикла клеток апикальной меристемы. Изменения под влиянием облучения, происходящие на клеточном уровне, в дальнейшем проявляются на уровне целостного организма и фитоценоза (www.ekowiki.ru).

Радиологическое обследование почв сельскохозяйственных угодий проводится одновременно с агрохимическим и эколого-токсикологическим обследованиями. При этом используют единые картографическую основу, разбивку на элементарные участки и нумерацию почвенных проб.

Радиологическое обследование проводят путем замера гамма-фона и отбора почвенных образцов. Для определения мощности экспозиционной дозы гамма-излучения почв рекомендуется использовать дозиметры ДРГ-01Т, а в случае их отсутствия -- дозиметры ДРГ-05М или сцинтилляционные геологоразведочные приборы СРП-88Н (СРП-68-01).

Гамма-фон замеряют по ходу маршрута в восьми точках элементарного участка. Если в пределах элементарного участка одна почвенная разность, а изменения в величине гамма-фона в какой-то точке выше предыдущего измерения на 10 мкР/ч (75с^-1), проводят более детальные замеры в пределах этого элементарного участка.

Измерение гамма-фона проводят на высоте 1 м. над поверхностью почвы. Почвенные образцы отбирают из прикопок лопатой на глубину пахотного слоя. Масса одного образца должна быть не менее 1,5 кг. При нормальном фоне смешанные пробы почв для гаммаспектрометрического и радиохимического определения состава радионуклидов составляют из проб, отобранных с элементарных участков.

При нормальном (без аномалии) гамма-фоне может быть достаточно восьми замеров на один элементарный участок, в случае необходимости выделения аномалии число замеров увеличивается в зависимости от сложности выделяемого участка и других агропочвенных условий.

При обнаружении точек, где гамма-фон превышает 50 мкР/ч, необходимо срочно известить об этом руководство ГЦАС и прекратить дальнейшие измерения и отбор проб почвы. На таком участке необходимо проводить специальное радиологическое обследование (Методические указания…, 2003).

5.4 Загрязнение бенз(а)пиреном и диоксинами

В последние годы международное сообщество уделяет большое внимание проблемам, связанным со стойкими органическими загрязнителями (СОЗ). В настоящее время выделяют 12 стойких органических загрязнителей, в отношении которых на международном уровне признается необходимость немедленного принятия мер в глобальном масштабе. В их число входят диоксины.

Диоксины - это вещества, чуждые живой природе, ксенобиотики, суперъяды, супертоксиканты, поступающие в экосистемы с продуктами или отходами многочисленных производств. При попадании в окружающую среду диоксины интенсивно накапливаются в почве, водоемах, активно мигрируют по пищевым цепям, особенно в ее жиросодержащих объектах. Главное депо диоксинов - почва и донные отложения, куда они поступают от различных источников загрязнения (Мосина Л.В., 2000).

Появление в окружающей среде диоксинов связано в первую очередь с производством и использованием хлорорганических соединений и утилизацией их отходов. Особо опасны для окружающей среды и человека главным образом тетразамещенные диоксины - 2, 3, 7, 8 - ТХДД (тетрахлордибензо-n-диоксин) входит в состав пестицидов комплексного действия в качестве микропримеси.

Наиболее важные химические характеристики диоксинов - чрезвычайная стабильность в сильнокислых и щелочных растворах, высокая устойчивость к окислителям. При попадании на почву диоксины переходят в ее органическую фазу, мигрируют (главным образом в вертикальном направлении) в виде комплексов с органическим веществом, поступая в водоемы и включаясь в пищевые цепи. Диоксины концентрируются в основном в верхнем 15-сантиметровом слое почвы, а наибольшее их количество находится на глубине 5-10 см. Период полураспада диоксинов в почвах составляет около 10 лет.

В связи с огромной экологической опасностью, связанной с загрязнением окружающей среды диоксинами, введены ограничения на пригодность почв, зараженных данными токсикантами, для различного использования. Непригодными для использования в сельском хозяйстве считаются почвы с концентрацией более 0,01 нг/кг (Агроэкология, 2000).

Среди органических веществ, загрязняющих природную среду, широкое распространение получили полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и в их числе 3,4-бензапирен.

Фоновые количества бенз(а)пирена в почвах составляют 0,2-12,8 мкг/кг. При этом в болотных почвах - 6,1-8,9 мкг/кг, в дерново-глеевых - 11,2-12,8 мкг/кг; вблизи автомобильных дорог более 200 мкг/кг (Мосина Л.В., 2000). Предельно допустимая концентрация (ПДК) бенз(а)пирена (с учетом фона) в почве (населенных пунктов, сельскохозяйственных угодий, зон санитарной охраны источников водоснабжения, территории курортных зон и отдельных учреждений, разного характера землепользования) не более 0,02 мг / кг (МУ 2.1.7.730-99).

Метод измерений содержание бенз(а)пирена в почве основан на экстракции бенз(а)пирена из проб почв и других анализируемых по методике объектов хлористым метиленом, концентрировании экстракта, очистке его методом колоночной хроматографии, хроматографическом разделении, регистрации сигнала компонентов с использованием флуоресцентного детектора, идентификации пика бенз(а)пирена на хроматограмме по времени удерживания и расчете массовой доли бенз(а)пирена в пробе с использованием градуировочной зависимости (МУК 4.1.1274-03).

Выводы

На основании рассмотренной литературы можно сделать следующие выводы:

1. Мониторинг загрязнения почв на реперных участках является частью агроэкологического локального мониторинга, который включает в себя контроль за содержанием токсичных для человека химических веществ в почвах.

2. К экотоксикологическим показателям, определяемым на реперных участках, относят: содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов, остаточное количество пестицидов, антропогенные долгоживущие радионуклиды (¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr), мощность экспозиционной дозы гамма-излучения.

3. Определение тяжелых металлов, относящихся к числу наиболее опасных для природной среды (Hg, Pb, Cd, Zn, As, Ni, Cr, Co, Cu), в первую очередь проводят в почвах, расположенных в зонах экологического бедствия, а также на сельскохозяйственных угодьях, прилегающих к загрязнителям почв тяжелыми металлами, и на полях, предназначенных для выращивания экологически чистой продукции.

4. Остаточные количества пестицидов (ОКП), обладающих высокой персистентностью, длительное время сохраняются в почве. Определение ОКП в почве, прежде всего, проводят на полях с интенсивным применением пестицидов, в местах их хранения, участках с пониженным рельефом местности. В почвах пахотных угодий определяют содержания ДДТ и его метаболитов (ДДД, ДДЭ), гексахлорциклогексана (ГХЦГ), триазиновых гербицидов (симазина, атразина, прометрина).

5. Радиологическое обследование проводят путем замера гамма-фона для определения внешнего облучения и анализа почвенных образцов на содержание антропогенных долгоживущих радионуклидов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, которые являются близкими химическими аналогами кальция и калия и обладают высокой биологической активностью и подвижностью.

6. Супертоксиканты диоксины и бенз(а)пирен при попадании на почву переходят в ее органическую фазу, мигрируют в виде комплексов с органическим веществом, поступая в водоемы и включаясь в пищевые цепи. Непригодными для использования в сельском хозяйстве считаются почвы с концентрацией диоксинов более 0,01 нг/кг, бенз(а)пирена не более 0,02 мг / кг;

7. Результаты агроэкологического мониторинга используют для разработки комплекса мер по охране окружающей среды, они являются информационной базой при составлении ежегодного доклада о состоянии и использовании земель и позволяют провести определение фактического загрязнения, прогноз возможного загрязнения в будущем и оценку последствий этих загрязнений.

реперный участок почка агроэкология мониторинг

Библиографический список

1. Агроэкология / В.А. Черников, Р.М. Алесахин, А.В. Голубев и др.; под ред. В.А. Черникова, А.И. Чекереса. - М.: Колос, 2000. - 536с.

2. Баранников В.Д. Экологическая безопасность сельскохозяйственной продукции / В.Д. Баранников, Н.К. Кириллов. - М.: КолосС, 2005. - 352с.

3. Гапонюк Э.И. О мониторинге состояния почв при загрязнении / Э.И. Гапонюк, С.Г. Малахов // Химия в сельском хозяйстве. - 1987. - № 4. - C.17-19.

4. Гогмачадзе Г.Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации / Г.Д. Гогмачадзе; предисл. и общ. ред. Д.М. Хомякова. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2010. - 592с.

5. Гришина Л.А. Организация и проведение почвенных исследований для экологического мониторинга / Л.А. Гришина, Г.Н. Копцик, Л.В. Моргун. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 82с.

6. Киселев А.П. Агроэкологический мониторинг почв Восточного региона Ставропольского края / А.П. Киселев, Г.А. Шеховцов // Агрохимический вестник. - 2003. - №6. - С.17-20.

7. Мосина Л.В. Агроэкология. Модуль 7. Сельскохозяйственная экотоксикология / Л.В. Мосина. - Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 2000. - 184с.

8. Мотузова Г.В. Содержание, задачи и методы почвенно-экологического мониторинга / Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - С.80-104.