2. Объекты наблюдений почвенного мониторинга

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.

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. В почвы они поступают из естественных и антропогенных источников, а задачи мониторинга требуют оценки доли влияния лишь антропогенной составляющей;

4) поступают в почву различные химические вещества антропогенного происхождения 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.

Многие методические вопросы почвенного мониторинга не решены. Окончательно не определено понятие «фон», «фоновое содержание». Часто современное состояние биосферы оценивают, сравнивая его с прошлым состоянием с помощью косвенных методов: путем ретроспективной экстраполяции современных данных, сопоставлением со сведениями в прежних публикациях, определением содержания загрязняющих веществ в захороненных средах и музейных образцах, используя изотопный анализ химических веществ. Все эти методы не свободны от недостатков. Наиболее эффективным представляется для оценки локального загрязнения сравнивать загрязненные почвы с незагрязненными аналогичными, а при фоновом мониторинге оценивать изменение во времени фоновых почв.

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 2 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 проб производится 1 раз в год - весной после таяния снега в 64 точках на почвенно-географических профилях, расположенных по 8 направлениям (азимутам) в радиусе до нескольких десятков километров от источника загрязнения. Могут проводиться дополнительный отбор проб осенью после уборки урожая в 16 точках по 4 азимутам и анализ на содержание тяжелых металлов, бенз(а)пирена, полихлорбифенилов.

При осуществлении мониторинга почв объектами наблюдения также являются атмосферные осадки, сухие выпадения, снежный покров. Ежегодно проводится отбор проб снега в конце зимы. Эти наблюдения позволяют судить о величине потока загрязнения веществ на земную поверхность (особенно определение интенсивности поступления тяжелых металлов в почву). Соединенный образец снега с площади 1 га составляется из 20-40 точечных проб. Участки наблюдений чаще всего приурочены к местам с максимальным загрязнением почвенного покрова. Крупные по площади объекты (сельскохозяйственные угодья) должны регулярно обследоваться с помощью дистанционных методов, позволяющих выявить структуру почвы, состояние посевов, содержание гумуса, температуру почв, развитие эрозии и т.д. Эти задачи выполняются с помощью аэрокосмической съемки, данные которой контролируются путем наземных обследований эталонных участков, расположенных в пределах массивов наблюдения.

3. Аккумуляция и рассеяние веществ в ландшафте

При изучении распределения поллютантов в ландшафте удобно использовать методологический подход, который предлагает рассматривать миграционную и геохимическую структуры ландшафта, в котором происходит перемещение загрязняющих веществ преимущественно с потоками влаги и течениями ветра.

Миграционная геохимическая структура ландшафтов образована системой незамкнутых круговоротов вещества с различной протяженностью в пространстве и во времени, емкостью и составом мигрирующих элементов. Наиболее протяженной круговорот - атмогидрохимический в системе суша - океан. Он осуществляется в основном с круговоротом влаги путем гидрохимического стока и возврата химических элементов с атмосферными осадками и в аэрозолях на сушу. Одновременно осуществляются внутриконтинентальные круговороты. В каскадных ландшафтно-геохимических макро- и мегасистемах суши прямая геохимическая связь между верхними и нижними звеньями каскада осуществляется водным путем с поверхностным и подземным стоком. Обратная геохимическая связь идёт преимущественно через атмосферу с воздушными массами и последующим выпадением мигрантов на поверхность с атмосферными осадками в виде пылевых масс.

Следующее место в иерархии круговоротов вещества в ландшафтной сфере занимают многообразные по емкости и скорости биогеохимические циклы вещества, протекающие внутри элементарных ландшафтов.

Сложная, изменяющаяся в пространстве и во времени миграционная структура ландшафта обусловливает формирование ареолов загрязнения почв различными поллютантами (переносимыми как водными, так и воздушными массами). При этом соотношение емкости миграционных потоков внутренних и внешних по отношению к данной ландшафтно-геохимической системе определяет степень аккумуляции загрязнителя, время его нахождения в ландшафте.

Направленные характер миграционных потоков и смена на пути их движения геохимических обстановок приводят к дифференциации химических элементов как в радиальном, так и в латеральном направлениях. Подвижность химических элементов и их соединений зависит от термодинамических, биогеохимических и физико-химических условий той среды, в которой движется миграционные поток.

Рассматривая перемещения техногенных и нативных химических элементов и веществ интересно рассмотреть три типа миграции:

Первые тип миграции представляет собой изменение формы нахождения элементов без их существенного перемещения, например переход элементов из минеральной формы в раствор или из почв в растения.

Второй тип характеризует перемещение элементов без изменений форм их нахождения. Простейшими примерами миграции этого типа может быть перемещение аэрозолей в атмосфере или обломков минералов в поверхностных водах.

Третий тип миграции объединяет два предыдущих и состоит в перемещении элементов с изменением форм их нахождения. Так, при техногенном поступлении в поверхностные воды тяжелых металлов их значительная часть может находиться в форме растворов. Однако на расстоянии первых километров они переходят в минеральную и коллоидную формы и уже продолжают миграцию на расстояние сотни километров.

На пути миграционных потоков встречаются участки, на которых происходит резкое изменение условий миграции, сопровождаемое концентрацией элементов - геохимические барьеры. Выделяют следующие типы ландшафтно-геохимических барьеров:

1) биогеохимические (с удержанием большого ряда макро- и микроэлементов);

2) физико-химические - окислительные, восстановительные сульфидные, сульфатно-карбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические;

3) механические.

На каждом из названных барьеров задерживается определённая ассоциация химических элементов, утрачивающая подвижность в данной ландшафтон-геохимической обстановке. По форме геохимические барьеры разделяются на площадные и линейные. Геохимические барьеры являются главным фактором аккумуляции загрязнителей.

Перераспределение химических элементов в элементарных и каскадных системах сопровождается наряду с аккумуляцией определённых ассоциаций элементов на геохимических барьерах формированием зон выщелачивания.

Чередование в ландшафтах зон выщелачивания и обогащения их соотношение в пространстве, вещественный состав, форма, размеры характеризуют геохимическую структуру ландшафта.

Таким образом, накопление или рассеяние определённого мигрирующего компонента определяется комплексом сочетания потоков вещества и геохимических барьеров.

4. Дифференцированные программы почвенно-экологического мониторинга

Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обуславливают необходимость дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга.

Первая форма мониторинга позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воздействия антропогенных факторов, направленность и интенсивность развития негативных процессов и выбрать (в соответствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.

Стационарная форма почвенно-экологического мониторинга (вторая форма) реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.

Для длительных и комплексных наблюдений стационарный участок должен включать группу достаточных по размерам площадок, которые охватывали бы все виды почв, различающихся по степени проявления тех или иных процессов. Размеры экспериментальных участков (площадок) трудно определить заранее. Их устанавливают с учетом размеров и состояния элементарных почвенных ареалов, длительности исследований, видов режимных исследований и периодичности наблюдений.

Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяется репрезентативным диагностическим показателям, наиболее динамично меняющимся во времени (кислотность, ОВР, плотность и структурное состояние почвы, впитывание УГВ и т. д.). Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.

По своему содержания маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоянием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, агроэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (частота) маршрутов 1…3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подтопление, утечка воды из дрен, изреженность и вымокание посевов, засоление, подкисление, осолонцевание, эрозия и т. д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, специальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на таких участках (территориях).

Четвертая форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные материалы при этой форме мониторинга составляют в первую очередь инвентаризационные картографические характеристики, а также картограммы агрохимических обследований и разработанные на этой основе рекомендации по рационализации землепользования.

Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (содержание гумуса, эродированность, рН, засоленность, солонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводственная группировка почв и «почвенные очерки», характеризующие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми предпосылками для последующих теоретических обобщений и практических рекомендаций. Последние же должны отражать трансформацию сельскохозяйственных угодий; охрану почв от эрозии; осушение, орошение и проведение культуртехнических работ; химическую мелиорацию земель; рациональные размещения и набор сельскохозяйственных культур; особенности агротехнических приемов и систем применения удобрений с учетом почвенных условий; улучшение сенокосов и пастбищ.

В зависимости от сроков и периодичности проведения осуществляются три группы наблюдений за состоянием земель:

- базовые (исходные, фиксирующие состояние объектов наблюдений на момент начала ведения мониторинга земель),

- периодические (через год и более),

- оперативные (фиксирующие текущие изменения).

Первичные данные, получаемые при непосредственных наблюдениях за состоянием земельных угодий, полей, участков, обобщаются по районам, городам, а также по отдельным природным комплексам. Оперативный (дежурный) мониторинг земель ведется комитетами по земельной реформе и земельным ресурсам районов, городов с использованием данных базового и периодического мониторинга. Полученные результаты накапливаются в архивах (фондах) и банках данных автоматизированной информационной системы.