Организация наблюдений за уровнем химического загрязнения почв тяжелыми металлами и нефтью

Влияние химических веществ антропогенного происхождения на почвенный покров, особенно вблизи источников загрязнения (вокруг городов, промышленных и сельскохозяйственных комплексов, автомагистралей и т.д.), постоянно возрастает.

Негативные последствия антропогенного загрязнения почв уже проявляются на региональном и даже на глобальном уровне. Поэтому в настоящее время разработка программ наблюдения за химическим загрязнением почв является актуальной задачей. Создание таких программ, прежде всего, требует адекватной оценки современного состояния почв и прогноза изменений этого состояния. Получение такой информации - задача системы наблюдений за уровнем химического загрязнения почв, т.е. системы наблюдений и оценки состояния почв,

испытывающих воздействие антропогенных загрязняющих веществ. Перед осуществлением полевой программы наблюдений за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами (Дьяченко, 2003) в природных и сельскохозяйственных ландшафтах необходимо провести планирование работ:

􀂉 определить примерное количество точек отбора почв, которые дадут основной физический материал;

􀂉 составить схему их территориального размещения;

􀂉 наметить полевые маршруты пли последовательность обработки

площадей;

􀂉 установить календарные сроки исполнения задания.

Помимо этого следует проверить наличие и качество топографического материала, а также тематических карт (почвенных, геоботанических, геологических,игеохимических и др.). Необходимо собрать следующие сведения об источниках:

• загрязнения почв:
• расположение;
• используемое сырье;
• объем производства;
• отходы.

Наблюдения за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в городах и на окружающей территории носят характер экспедиционных работ и поэтому включают в себя все мероприятия по подготовке к ним. Время проведения экспедиционных работ и отбора почв не имеет значения. Однако удобнее сбор материалов проводить в сухое время года, в период уборки урожая основных сельскохозяйственных культу, т.е. летом и в начале осени. При развернутых стационарных наблюдениях отбор проб производится независимо от времени экспедиционных работ. Повторные наблюдения за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами ранее обследованных территорий осуществляются через 5-10 лет. Протяженность зоны загрязнения почв определяется скоростью и частотой ветров данного румба (розой ветров), характером выбросов в атмосферу (плотностью вещества, дисперсностью частиц), высотой труб, рельефом территории, растительностью и т.д. На подготовленный таким образом план местности наносятся контуры многолетней розы ветров по 8-16 румбам. Самый большой вектор, соответствующий наибольшей повторяемости ветров, откладывается в подветренную сторону; его длина составляет 25 - 30 см, т.е. 25 - 30л<м. Таким образом, в контур, образованный розой ветров, схематически включается территория наибольшей загрязненности тяжелыми металлами (рис. 1). В направлении радиусов строятся секторы шириной 200 - 300 м вблизи источников загрязнения с постепенным расширением до 1 - 3 км; в местах пересечения осей секторов с окружностями располагаются ключевые участки, на них располагают сеть опорных разрезов, пункты и площадки взятия проб /1/.

Под ключевым участком (рис. 4) понимается участок (1 - 10 га и более), характеризующий типичные, постоянно повторяющиеся в данном районе сочетания почвенных условий и условий рельефа растительности и других компонентов физико-географической среды. Основную долю ключевых участков следует располагать в направлении двух экстремальных лучей (румбов) розы ветров.

Рис. 1 - Схема размещения ключевых участков при наблюдении за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами вокруг промышленного центра:

1 — изучаемая местность;

2 - ключевой участок

При нечетко выраженной розе ветров участки должны характеризовать территорию равномерно в направлении всех румбов розы ветров. Если есть основание полагать, что миграция тяжелых металлов связана с водными потоками, то направление лучей нужно согласовывать с вектором водной миграции. Общее количество участков должно быть равно 15 - 20. Чтобы лучше понять взаимосвязь между, качеством почв, природными и хозяйственными условиями района, проводится предварительное рекогносцировочное обследование местности. Во время рекогносцировки проверяются и закрепляются почерпнутые из литературы или других источников сведения, формируются, личные воззрения и закрепляются в памяти многие важные особенности объекта предстоящих обследовании.

Рекогносцировочные обследования проводятся маршрутным, путем более или менее подробно в зависимости от природной, сложности территории, степени ее изученности, площади и масштаба обследовании. При детальных обследованиях загрязнения почв вокруг единичного источника загрязнения. достаточно один – два раза пересечь участок (рис. 5 а). При, больших площадях (обследование сельскохозяйственных полей, местности вокруг городов и т.д.) рекогносцировочное. обследование требует значительных усилии и времени. Чтобы охватить маршрутами местность, ее пересекают по главным орографическим элементам (рис. 2 б, рис. 3) (Беккер и др., 1989).

Рис. 2 - Маршруты рекогносцировочных обследований территории при наблюдении за уровнем загрязнения почв: а - при детальных обследованиях; б - при обследованиях на значительных площадях.

В результате рекогносцировки выявляются:

􀂉 основные ландшафтные особенности территории;

􀂉 общие закономерности пространственных изменении почвенного покрова;

􀂉 главные формы почвообразования и др.

Параллельно идет ознакомление с:

􀂉 местным фондовым материалом;

􀂉 сведениями о климате и микроклимате;

􀂉 погодными условиями последних лет;

􀂉 заболеваниями людей, причина которых – повышенное содержание тяжелых металлов в экосистеме.

Некоторая затрата рабочего времени на рекогносцировочное обследование территории до начала основных работ, как правило, окупается экономией сил и времени в последующем проведении полевых работ.

Рис. 3 - Схема расположения почвенно-геоморфологического профиля при наблюдении за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами: а – основные почвенные разрезы; б - контрольные почвенные разрезы

При оценке степени загрязнения территории тяжелыми металлами ввиду чрезвычайно большой трудоемкости и стоимости не всегда применяется сплошная съемка загрязненных почв. Целесообразнее и экономичнее прослеживать пути воздушного и водного загрязнения почв, анализируя объединенные образцы из верхних слоев почв с площадок. Более детальное исследование нужно проводить на ключевых участках, расположенных в секторах-радиусах вдоль преобладающих воздушных потоков. Изучение процессов загрязнения почв на ключевых участках проводится более детально, чем на остальной территории; оно довольно трудоемко и требует много времени. Ключевые участки размещают на обследуемой территории так, чтобы они характеризовали все возможные ландшафтно-геохимические условия, разнообразие генезиса, состава и сочетания почв, типичные биоценозы и, конечно, фоновые и техногенные участки. При наблюдениях за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами большое значение имеет сравнение изменении, происходящих по мере увеличения или уменьшения влияния того или иного фактора, и вызванных этими изменениями закономерных смен степени загрязнения почв различными ингредиентами в пространстве. Наиболее четко эти закономерности можно выявить на почвенно-геоморфологических профилях, секущих всю территорию вдоль преобладающих направлениях ветра, что является исключительно ценным методом познания сопряженных связей между распределением загрязняющих веществ в почвах и средой.

Под почвенпо-геоморфологическим профилем следует понимать заранее выбранную узкую, стремящуюся к линии полосу земной поверхности, на которой установлена корреляция степени загрязнения почв с одним или несколькими экологическими факторами (рис. 6). Почвенно-геоморфологические профили закладываются по векторам розы ветров. Профили не могут полностью заменить ключевые участки, особенно в тех случаях, когда изменение степени загрязнения почв обусловлено характером микрорельефа, связь которого с загрязнением почв наиболее наглядно проявляется на большой территории. Следовательно, почвенно- геоморфологические 5 прошили и ключевые участки должны дополнять друг друга.

Известно, что техногенные выбросы, загрязняющие почвенный покров через атмосферу, сосредоточиваются в поверхностных слоях почвы. Тяжелые металлы сорбируются, как правило, в первых 2 - 5 см от поверхности. Загрязнение нижних горизонтов происходит в результате обработки почвы (вспашки, культивации, боронования), а также вследствие диффузионного и конвективного переноса через трещины, ходы почвенных животных и растений. Поэтому наиболее четкая картина загрязненности почвенного покрова тяжелыми металлами может быть получена при отборе проб почв с глубины 0 - 10 и 0 - 20 см на пашне и с глубины 0 - 2,5; 2,5 - 5,0; 5 -10; 10 - 20; 20 - 40 см на целине или старой залежи. Объединенная проба составляется, как правило, методом конверта. Все дальнейшие операции с первичной обработкой почв аналогичны операциям, осуществляемым при контроле за загрязнением почв пестицидами. После отбора проба почвы направляется на анализ в лабораторию. К каждой пробе прилагается талон, содержащий основные необходимые сведения о самой почве и условиях ее отбора. В сопроводительном талоне указывается:

􀂉 порядковый номер образца;

􀂉 число;

􀂉 месяц и год отбора;

􀂉 либо фактическое название, либо номер или условное обозначение пункта наблюдения, расшифрованное в рабочем журнале.

При наблюдениях за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в сопроводительном талоне указываются:

􀂉 расстояние от источника загрязнения или внешней границы города, а также направление от источника загрязнения - азимуты по 16 направлениям (север, северо-северо-восток, северо-восток.и т.д.); показатели рельефа местности:

􀂉 крутизна склонов;

􀂉 их экспозиция (северная, восточная, южная и западная); часть склона (верхняя, средняя или нижняя треть);

􀂉 основные точки и линии рельефа территории, на которой закладывается

􀂉 площадка;

􀂉 вершины, котловины, водоразделы, поймы;

􀂉 глубина залегания грунтовых вод, определяемая по глубине колодцев (открытых и артезианских);

􀂉 сельскохозяйственная культура (настоящая и предшествующая) или естественная растительность и их состояние (удовлетворительное, хорошее, неудовлетворительное);

􀂉 состояние поверхности почвы:

􀂉 наличие или отсутствие микроповышений или микропонижений, борозд,

􀂉 кочек;

􀂉 отмечается качество обработки почвы.

Пробы почв и сопроводительные талоны к ним сохраняются в лаборатории в течение полутора - двух лег. В целях установления интенсивности поступления тяжелых металлов в почву ежегодно проводится отбор проб снега. Объединенный образец снега с площади 1 га составляется из 20 - 40 точечных проб. Пробы снега следует брать ранней весной до начала подснежного стока талой воды. В городах естественная почва, как правило, заменена насыпными сильно перекопанными грунтами. Насыпной слой может представлять собой вынутую при строительстве пустую породу и привезенный грунт или дерн, который укладывают на газоны.

Программа наблюдений за уровнем загрязнения почв тяжелыми металлами в городах должна учитывать:

􀂉 планировку населенного пункта;

􀂉 гипсометрию местности;

􀂉 высоту построек;

􀂉 густоту расположения построек;

􀂉 влияние всего этого на направление потоков воздуха;

􀂉 распределение атмосферных осадков и ливневого стока;

􀂉 долю участия в загрязнении территории города автотранспорта и местных промышленных предприятий и предприятий энергетики.

Помимо этого, в городах неизбежно бытовое (локальное) загрязнение и наличие неорганизованных старых и современных свалок, сжигание мусора. В этих условиях отбор почв приходится производить:

• на газонах;
• в садах;
• в парках;
• в скверах;
• во дворах.

Содержание тяжелых металлов в отобранных пробах, как правило, имеет высокую дисперсию. В связи с этим отбор проб почв в городских условиях следует производить по сечке квадратов такого масштаба, который обеспечил бы частоту отбора проб почв не менее 5-6 образцов на 100 га. Такая частота проб почв обеспечивает получение данных для составления карт загрязненности почв на территории городов. Отбор проб осуществляется методом конверта со стороной 5 -К)м с глубины 20 см.

Особый интерес представляет микробиологический мониторинг почв загрязненных нефтью. Загрязнение нефтью и нефтепромыслами сточными водами являются одним из наиболее опасных промышленных загрязнений. Площадь загрязнения и его интенсивность постоянно возрастает в соответствии с повышением интенсивности нефтедобычи и расширением её географии.

Биологический мониторинг является наиболее информационным и интегральным методом оценки степени и эффективности восстановительных процессов. Он базируется на показателях жизнедеятельности биомы: численности микроорганизмов, состоянии растительного покрова, численности и биомассы животных, соотношении различных видов и экологических групп (рис. 4).

Разработаны методы рекульвации земель, загрязнение нефтью, нефтепродуктами и нефтепромысловыми водами. Мероприятия по восстановлению агроценозов почв лесостепной зоны включают интенсивное рыхление, промывку, внесения удобрений как минеральных, так и органических, влагозадержание, химическую и биологическую мелиорацию. Мероприятия проводятся в определённой последовательности, требуют определённых затрат средств и времени, во всех случаях завершаются подбором устойчивых культур (рис. 5).

Рис. 4. Влияние длительности загрязнения почвы нефтью на комплексы почвенных животных различных экосистем

Рис. 5. Методы рекультивации почв, загрязненных нефтью: (а) и нефтепромысловыми сточными водами (б).