Цели и задачи почвенно-химического обследования

Лекция

Основная цель: своевременное обнаружение неблагоприятных изменений почв при развитии естественного процесса почвообразования в результате поступления в почвы глобально рассеянных загрязняющих веществ антропогенного происхождения. В данном случае конкретизируются именно антропогенные изменения свойств почв. Задачи почвенного мониторинга фоновых территорий таковы: 1) определить поток контролируемых химических элементов на почвы; 2) определить уровни контролируемых показателей химического состояния почв фоновых территорий; 3) определить зоны миграции, аккумуляции, направления трансформации контролируемых химических веществ в почвах.

Организация почвенного обследования представляет собой, по-видимому, задачу более трудную, чем обследование водных и воздушных сред. Специфические особенности и трудности разработки и проведения почвенных исследований связаны со следующими обстоятельствами:

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

2. Почва - многофазная гетерогенная полидисперсная термодинамически 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.

3. Значительная часть опасных загрязняющих почвы химических элементов является естественной составляющей горных пород и почв (например, ТМ). В почвы они поступают из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния антропогенной составляющей.

4. Уровень поступления загрязняющих веществ на почвы фоновых территорий низок по сравнению с запасом этих веществ в верхних горизонтах почв.

5. Поступление химических веществ на почвы фоновых территорий носит постоянный характер.

6. Природное пространственное и временное вариьрование содержания химических веществ в почве велико, что определяет трудность установления превышения исходного уровня содержания химических веществ в почвах.

Понятие фон, фоновый уровень окончательно не определено. Его точное определение необходимо не только для решения задач ФМ, но и для оценки степени техногенного загрязнения почв. ПДК многих элементов еще не установлены. При характеристике загрязнения обычно сопоставляют уровни содержания элементов в загрязненных почвах с естественным фоновым уровнем.

Таким образом, для характеристики локального и регионального загрязнения почв необходимо сопоставлять содержание ЗВ в почвах изучаемого района с почвами фоновых территорий и оценивать изменение этого содержания в пространстве, а для характеристики глобального загрязнения целесообразны регулярные наблюдения за состояние загрязняющих веществ в почвах фоновых территорий и оценка изменения его во времени.

Программа почвенного обследования

Комплексное почвенное обследование предполагает использование совокупности приемов исследования свойств почвы, направленной на изучение (наблюдение, контроль) почвы - объекта почвенного мониторинга как единого целого.

В соответствии с главными источниками загрязнения почв выделяются два основных объекта наблюдений (типа загрязненных территорий).

К первому из них относятся почвы сельскохозяйственных районов. Отбор проб производится два раза в год - весной после таяния снега (до применения пестицидов) и в конце вегетационного периода. Пробы должны отбираться на одних и тех же участках, типичных для данного района по природным условиям и характеру использования. Уровень загрязнения почв определяется по содержанию наиболее устойчивых пестицидов и тяжелых металлов.

Второй объект наблюдений - это почвы вокруг промышленно-энергетических центров. Отбор производится один раз в год весной после таяния снега в точках на почвенно-географических профилях, расположенных по восьми направлениям (азимутам) в радиусе до нескольких десятков километров от источника загрязнения. Пробы почв анализируются на содержание тяжелых металлов, бенз(а)пирена и других ингредиентов.

Одновременно для определения интенсивности поступления тяжелых металлов в почву ежегодно (в конце зимы) проводится отбор проб снега. Соединенный образец снега с площади 1 га составляется из 20-40 точечных проб. Участки наблюдений чаще всего приурочены к местам с максимальным уровнем загрязнения почвенного покрова.

Подготовительная работа к полевым исследованиям

Основные этапы подготовки к полевым исследованиям следующие:

1. Определение задач и целей исследования

Четкая формулировка задач, объема работ и границ территории, которая будет исследована в полевой и камеральный периоды, определение ожидаемых итогов исследований - позволяют правильно спланировать полевые работы, составить реально химико-аналитическую программу лабораторных исследований и распределить время на обработку материалов и составление отчета. При многолетних исследованиях составляется уточняемый в дальнейшем план работы на весь период работ и детально на каждый год.

2. Подготовка к полевому периоду

Необходимо возможно полнее по опубликованным и фондовым материалам собрать сведения о регионе и той территории, на которой предполагаются работы (геология, геоморфология, климат, растительный покров, почвы, гидрология, использование территории). Одновременно с этим обобщаются материалы по аналогичным промышленным предприятиям и их влиянию на окружающую среду. Собирают сведения об источниках загрязнения на территории исследования (расположение, используемое сырье, объем производства, отходы). Разрабатывают предварительную классификацию почв, проводят районирование территории по природным условиям. Проверяют наличие и качество топографического материала и организуют его получение, используют тематические карты (почвенные, геоботанические, геологические, геохимические). Устанавливают связь с учреждениями, которые вели и ведут работы в плане предполагаемых исследований.

Составляют предварительный план полевых и камеральных работ (маршруты при рекогносцировке, посещение учреждений и хозяйств, план доставки образцов на анализ).

Аналитический план составляется с учетом реальных возможностей лабораторных исследований.

Первый этап по выделению тестовых участков совпадает с рекогносцировочным (базовым) обследованием территории, при котором определяется региональный фон загрязняющих веществ, закономерности изменения их содержания в зависимости от типа почвообразующих пород, рельефа, растительности, типа почвообразования. На данной стадии могут быть выявлены местные геохимические аномалии. Такие территории следует исключить из дальнейшей работы по выделению тестовых участков.

На втором этапе исследований детально изучаются почвы выделенных зон для точного определения расположения выделенных участков.

Содержание загрязняющих веществ в почвах - широко варьирующий показатель: чем уже интервал возможных значений признака, т.е. чем ниже варьирование этого показателя, тем быстрее будет достигнуто значимое превышение исходного содержания элемента и его подвижных соединений в почве. Итак, один из критериев выбора тестовых участков в пределах уже выделенных зон - величина варьирования содержания загрязняющих веществ.

Свойства почв тестовых участков должны быть чувствительными, податливыми к изменению, т.е. такими, чтобы последствия, связанные с загрязнением почв, проявились в первую очередь на них. Для почв элювиальных участков (контрольных) свойства должны быть стабильными. Стабильность и чувствительность характеризуются таким интегральным показателем как потенциальная буферная способность почв по отношению к загрязняющим веществам. ПБС характеризует способность почв поддерживать на данном уровне концентрацию данного элемента. Почвы с низкой ПБС наиболее чувствительны к загрязнению соответствующими контролируемыми элементами и именно они должны быть выбраны почвами основных тестовых участков.

Отбор проб почв

В основе полевых исследований по картографированию уровней загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами лежат три основных параметра:

1. Величина (площадь) элементарного участка, с которого отбирают смешанный образец, отражающий уровень (класс) загрязненности почвы.

2. Количество почвенных проб, необходимое для составления репрезентативного (представительного) смешанного образца.

3. Ключевой участок - наименьшая геоморфологическая единица ландшафта, отражающая генезис и свойства почвы, почвообразующей породы, рельеф, растительность, гидрологию территории.

Особое внимание уделяется выделам сельскохозяйственных угодий (пашня, луг, пастбище), лесам и кустарникам, различно аккумулирующим техногенные выбросы. В пределах ключевого участка выделяют один или несколько элементарных участков. Размер элементарного участка зависит от расстояния от источника загрязнения: чем дальше от него, тем больше площадь участка.

Смешанный образец составляют с пробной площадки в пределах элементарного участка. Размеры пробной площадки при однородном почвенном покрове колеблются от 1 до 5 га, а при неоднородном от 0,5 до 1 га. С каждой площадки отбирается не менее одной объединенной пробы. Количество почвенных проб для составления смешанного образца зависит от варьирования содержания ТМ в составе выпадений и находится в пределах 20-60 точечных проб. Глубина взятия почвенных проб на пашне в среднем равна 0-20 (25 см), на лугах и пастбищах - 0-5 см и 5-20 (25) см. Образцы отбирают буром или лопатой.

При необходимости отбираются точечные пробы по генетическим горизонтам на всю глубину почвенного профиля. Необходимо также при отборе проб в равной мере захватить рядки и междурядья. В садах пробы отбираются примерно в метре от ствола дерева.

Объединенная проба почвы, взятая с пробной площадки, ссыпается на "крафт" бумагу или полиэтиленовую пленку, тщательно перемешивается, измельчается вручную и разравнивается на бумаге в виде квадрата, делится на четыре части. Две противоположные части отбрасываются, две оставшиеся перемешиваются и разравниваются на бумаге, условно делятся на 6 квадратов, из центра которых берется одинаковое количество почвы. Масса пробы должна быть около 1 кг. Описание проб заносится в полевой журнал; образцы помещают в полиэтиленовые или холщовые мешочки, составляют этикетку на каждую пробу и отправляют в лабораторию.

Наиболее удобное время взятия образцов - весна, до начала сева или осень - после уборки урожая.

Важным условием получения достоверного аналитического материала о степени загрязнения почвенного покрова является строгое соблюдение условий, исключающих возможное загрязнение почвенных проб металлами в процессе взятия проб, высушивания образцов, транспортировки, хранения и подготовки их к анализу. Желательно исключить из употребления лопаты, ножи, буры, изготовленные из высококачественной стали, а также ржавые инструменты.

Показатели состояния почв

Почву характеризует множество показателей ее состояния, перечень которых необходимо определить и обосновать. Наибольшей информативности можно ожидать от использования относительных показателей, а не абсолютных. В связи с этим среди выбранных должны быть показатели двух видов. Во-первых, показатели наименее устойчивых свойств почв, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию. Во-вторых, нужны показатели наиболее стабильных свойств, так как они характеризуют внутренние свойства системы или объекта, находящиеся в состоянии динамического равновесия с окружающей средой.

Среди показателей должны быть такие, которые отражают специфическую реакцию на воздействие загрязнения, поскольку загрязняющие вещества имеют различную природу и последствия их избыточного поступления в почву и в растения специфичны. Должны контролироваться показатели и неспецифической природы, интегральные свойства анализируемой системы, так как они взаимосвязаны и отражают общее состояние почвы.

Различают следующие группы показателей:

Показатели химического состояния почв включают: емкость поглощения, состав обменных катионов, степень засоления, валовые содержания элементов, активность ионов в жидкой фазе почвы, содержание органического вещества, групповой и фракционный состав гумуса, отношение Сгк:Сфк, отношение С:N, окислительно-восстановительный потенциал.

Показатели физического состояния почв включают: водопроницаемость, влажность, предельная полевая влагоемкость, полевая влагоемкость, влажность завядания, гранулометрический состав, агрегатный состав, водопрочность агрегатов, плотность почвы, плотность твердой фазы почвы, пористость агрегатов, набухание, температура, электропроводность, намагниченность;

Показатели биологического состояния почв: дыхание почвы, скорость разложения целлюлозы, ферментативная активность, численность и видовое разнообразие микроорганизмов, гено- и фитотоксичность почвы.

Санитарно-бактериологические показатели состояния почв: содержание патогенных бактерий и вирусов, санитарно-энтомологические, санитарно-гельминтологические и комплексные показатели.

Показатели эрозионного воздействия на почвы: мощность гумусового горизонта, наличие погребенных горизонтов.

Каждое из указанных свойств является важной характеристикой почвы и необходимо для полноты знаний о ней. Рассмотрим более подробно эти показатели.

Показатели химического состояния почв

Содержание легкорастворимых солей. Состояние почвенной биоты во многом определяется динамикой химического состава почвенного раствора. Биоценоз, сформированный в конкретных природных условиях, чутко реагирует на изменение среды обитания. Следует помнить, что антропогенная деятельность, направленная на улучшение агрохимических и агрофизических свойств почв, не всегда благоприятна для природных экосистем. Процессы вторичного засоления и расоления почв, которые наблюдаются при проведении мелиоративных мероприятий, изменяя химический состав и минерализацию почвенного раствора, приводят к серьезным нарушениям функционирования природных экосистем.

Показателем, отражающим эти изменения, может служить содержание легкорастворимых солей в почве, определяемое по количеству плотного остатка солей в водной вытяжке или по изменению электрохимических свойств почв.

При исследовании почв засоленного ряда широко используется метод, основанный на определении изменения электропроводности почв в зависимости от содержания легкорастворимых солей - кондуктометрия. Измерения могут проводиться как в лаборатории, путем определения электропроводности насыщенных водой почвенных паст или суспензий, так и в полевых условиях: измерения электропроводности почвы или отдельных ее горизонтов in situ.

Критерием кислотно-основных свойств почвы является реакция -рH почвы: рH - -lgaH+, где aH+ - активность ионов водорода. Это одна из основных почвенных характеристик, определяющая протекание различных почвообразовательных процессов, а также доступность растениям различных питательных элементов.

Оптимальным для большинства высших растений является диапазон рH от 6 до 7,5. Различные виды антропогенного воздействия на почвы приводят как к уменьшению величины рH, так и к ее возрастанию. Одной из самых серьезных проблем является подкисление почвы в результате интенсивного использования физиологически кислых минеральных удобрений (в основном азотных), а также при выпадении кислых атмосферных осадков, загрязненных кислотообразующими газами (SO₂, NO_х, HF и др.).

Для почв, обладающих низкими буферными свойствами, эти воздействия могут привести к катастрофическим изменениям. Процессы вторичного засоления и осолонцевания сопровождаются, напротив, существенным увеличением рH, что также приводит к негативным последствиям для растительного покрова (внижение продуктивности, изменение видового состава).

Известно много способов определения величины рH: в различных водных (1:1, 1:2,5; 1:5) суспензиях и пастах, в солевых (1н КCl и др.) вытяжках, в почвенных образцах с естественной влажностью. Существенным недостатком этих приемов является то, что они связаны с отбором и дальнейшей обработкой (высушивание, хранение, разбавление водой или растворами) почвенных образцов, что влечет за собой изменение величины рH. Hаибольшим приближением к реальным кислотно-щелочным условиям в почве являются результаты измерений непосредственно в почве естественного залегания (так называемые измерения in situ).

Для характеристики окислительно-восстановительных условий в почве в качестве параметра состояния рекомендуется использовать величину окислительно-восстановительного потенциала (ОВП или Еh) почвы. ОВП почвы является функцией соотношения активностей окисленных и восстановленных форм соединений в почве и характеризует физико-химические условия протекания процессов почвообразования и питания растений и микроорганизмов. В свою очередь величина ОВП является интегральным результатом физических, химических и биологических процессов.

Различные антропогенные воздействия могут как увеличивать (распахивание, осушение, эрозия), так и уменьшать (подтопление почв, засоление, осолонцевание) ОВП почвы, что ведет к изменениям в функционировании всего биогеоценоза. Измерения величины Eh следует проводить только в почве естественного залегания.

Содержание гумуса. Гумус определяет химические, физико-химические, физические и биологические свойства почв. Гумусовые вещества являются одним из источников элементов питания для растений и, в первую очередь, азота. Почвы богатые органическим веществом, как правило, обладают наиболее благоприятными условиями для обитания биоты.

Антропогенная деятельность нарушает сложившийся природный баланс и может способствовать как гумусообразованию, через поступление дополнительных количеств органических остатков, так и снижению его содержания в результате усиления процессов минерализации или эрозии. Если первый процесс при рассмотрении агроценозов носит положительный характер (исключая случаи поступления ископаемых органических остатков, таких как нефть, например), то проявление второго негативно при рассмотрении как естественных, так и антропогенных биогеоценозов и и является результатом неправильного природопользования. Снижение содержания специфического органического вещества почв будет отражать степень их антропогенной деградации.

Степень загрязнения почв химическими веществами определяется по суммарному показателю загрязнения, рассчитываемому по формуле:

С(i) факт

Zc = ----------

С(i) фон

С(i) факт - фактическое содержание i-го токсиканта в почве;

С(i) фон - значение регионально-фонового содержания в почве

i-го токсиканта.

Оценка степени загрязнения земель химическими веществами по суммарному показателю загрязнения Zc

Значение показателя Степень загрязнения Коэффициент

Zc земель Kз

0,2 <2 Допустимая

2-8 Слабая 0.3

8-32 Средняя 0.6

32-64 Сильная 1.5

>64 Очень сильная 2.0

Дата добавления: 2013-12-13