9. Выбор контрольных участков

Для обнаружения изменения свойств почв объектами наблюдения должны быть специально выбранные территории во всех главнейших почвенно-климатических зонах страны, с учетом существующего и ожидаемого уровня загрязнения атмосферы. В первую очередь необходимо создание системы мониторинга почв в районах наиболее интенсивной антропогенной нагрузки.

Мониторинг почв следует проводить на фиксированных контрольных участках, репрезентативно характеризующих почвенный покров природных и сельскохозяйственных геохимически сопряженных ландшафтов типичных для данного региона водосборных бассейнов. Водосборный бассейн является идеальным объектом оценки и контроля состояния экосистем, поскольку имеет ясные природные границы, замыкающие единонаправленный поток вещества и энергии и обеспечивающий относительную автономию исследуемой территории. Зоны водосбора должны занимать площадь в пределах от нескольких десятков гектаров до нескольких квадратных километров, быть гидрологически изолированными и максимально гомогенными в геологическом отношении. Внутри зоны водосбора должны быть достаточно широко представлены доминирующие типы фитоценозов и почв региона.

Для контроля загрязнения пробные участки располагают на разном направлении ветров.

Фоновые участки должны находиться вне зоны действия источника загрязнения, на расстоянии не менее 10-15 км. При высоких фоновых уровнях загрязняющих веществ расстояние это может быть меньшим, при низких фоновых уровнях оно должно быть большим.

Все участки должны обладать сходными характеристиками состава и свойств почв, природных вод и растительного покрова. При проведение фонового мониторинга следует осуществлять наблюдения за возможно большим числом естественных БГЦ.

Для текущего контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий необходима сплошная аэро- или космическая съемка при выборочном контроле на наземных пунктах наблюдения. Контрольными являются поля с традиционной системой земледелия без наложения химических или гидротехнических мелиораций.

10. Отбор проб почвы

Отбор проб осуществляется согласно ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб». Такие методы отбора проб применяются при общем и локальном загрязнении, возле предприятий-загрязнителей, вблизи автомобильных трас.

При проведении отбора проб учитываются вертикальная структура почвы, неоднородность почвенного покрова, рельеф и климат местности, особенности загрязняющих веществ или организмов, вид пробы, размер пробной площадки и количество проб, которые зависят от цели исследований.

Выделяют следующие виды проб:

- точечная – проба грунта, отобранная в одной точке местности на заданной глубине и (или) в заданном интервале глубин;

- объединенная – проба грунта, которая складывается из заданного количества точечных проб, при этом масса объединенной пробы должна составлять не менее 1 кг).

Точечные пробы отбирают методом конверта по диагонали или другим способом, следя за тем, чтобы каждая проба представляла собой часть почвы, типичной для исследуемых почвенных горизонтов и ключевых участков.

Метод конверта является наиболее распространенным способом отбора смешанных почвенных образцов и чаше всего применяются для исследования почвы гумусового горизонта. При этом из точек контролируемого элементарного участка (или каждой рабочей пробоотборной площадки) берут 5 образцов почвы. Точки должны быть расположены так, чтобы мысленно соединенные прямыми линиями, давали рисунок запечатанного конверта (длина стороны квадрата может составлять от 2 до 5 – 10 м). Обычно при изучении почвы отбирают пробы гумусового горизонта с глубины около 20 см., что соответствует штыку лопаты. Из каждой точки отбирают около 1 кг (по объему около 0,5 л), но не менее 0,5 кг почвы. Почвенные образцы упаковывают в полиэтиленовые или полотняные мешочки и прилагают к ним этикетки (сопроводительные талоны).

Объединенную пробу почвы готовят из точечных проб. При определении в почве поверхностно – распределяющихся веществ (ПАУ, тяжелые металлы, радионуклиды и др.) точечные пробы обычно отбирают с помощью трубчатого пробоотборника послойно на глубине 0,5 и 20 см массой до 0,2 кг. При оценке загрязнения почвы летучими соединениями или веществами с высокой способностью к вертикальной миграции (нитрозоамины) пробы отбирают по всей глубине почвенного профиля в герметично закрывающиеся емкости. При невозможности быстрого анализа на месте пробы хранят в условиях, как правило, описанных в методиках анализа.

Для определения содержания химических веществ в почве, количество проб должно составлять не менее 1 объединенной пробы, а размер пробных площадок при однородном почвенном покрове должен составлять от 1 до 5 га, при неоднородном – от 0,5 до 1 га.

Для определения физических свойств и структуры почвы, количество точечных проб должно составлять от 3 до 5 (на каждый горизонт), а размер пробных площадок, при однородности почвы, должен составлять от 1 до 5 га, при неоднородном – от 0,5 до 1 га.

Для определения патогенных организмов и вирусов в грунтах, количество объединенных проб должно составлять не менее 10. При этом, каждая объединенная проба составляется из 3 точечных. Количество отбираемых проб зависит от мощности горизонта или слоя. При мощности горизонта или слоя свыше 40 см – раздельно, с разной глубины отбирается не менее 2 проб. Пробные площадки намечают по координатной сетке с указанием их номеров и координат.

При общем загрязнении почв исследуемые участки для отбора проб выбирают по координационной сетке, указывая номер координаты.

При локальном загрязнении грунтов отбор проб проводят по системе концентрических кругов, расположенных на дифференцированных расстояниях от источника загрязнения. Круги нумеруются, и указывается азимут места отбора проб.

При исследовании загрязнений почв пробы отбирают пошарово с глубин 0-5, 0-20, 21-40, 41-60 см в зависимости от поставленной цели. Кроме того, определяют размер исследуемого учатка, количестко и вид проб. В среднем размер участка составляет 25 га (в Полесье – 8 га, лесостепная зона – 25 га, степная – 40 га). Для определения в почвах химических веществ, а также их токсичности и мутагенности, размер участка варьируется от 1 до 5 га, где отбирают не меньше одной объединенной пробы, масса которой должна быть не меньше 400 г.

На отобранные пробы составляется документ-этикетка, в котором указываются:

- порядковый номер и место отбора пробы,

- рельеф местности,

- характеристика отбираемой на анализ почвы,

- целевое назначение территории,

- вид загрязнения

- дата отбора.

Отобранные пробы для химического анализа упаковываются, транспортируются и хранятся в специальных ёмкостях из химически нейтрального материала.

Пробы для анализа летучих химических веществ помещают в специальные банки с притертыми пробками.

Пробы для определения физических свойств упаковываются, транспортируются и хранятся таким образом, чтобы сохранить их структуру.

Пробы для анализа патогенных организмов и вирусов упаковываются, транспортируются и хранятся в стерильных ёмкостях.

Для проведения исследований отобранные пробы высушиваются до абсолютно-сухого или воздушно-сухого состояния. Абсолютно-сухую пробу грунта получают путем высушивания её до постоянного веса при температуре 105 ^оС. Воздушно-сухую пробу грунта получают путем высушивания её до постоянной массы при температуре и влажности лабораторного помещения.

На микробиологический анализ отобранные пробы грунтов исследуются в течение 5 ч после их отбора или в течение 2 суток при температуре их хранения не выше 4^оС.

Специфической процедурой является отбор проб с твердых, гладких и не сорбирующих поверхностей (глина, стекло, кафель, пластмасса, металл, лакокрасочные покрытия и др.). Для этой цели применяют ватно – марлевые или ватные тампоны, смоченные водой или органическим растворителем. Иногда берут мазки или смывы со стен, полов, окон производственных помещений (с площади примерно 0,5 м²), а с поверхности зданий соскабливают внешний слой покрытия толщиной 1 – 2 мм с площади 0,1 – 0,25 м².

При оценке степени загрязнения почвы из-за чрезвычайно боль­шой трудоемкости и стоимости проводимых работ не всегда нужна сплошная съемка загрязненных почв. Целесообразнее и экономич­нее прослеживать пути воздушного и водного загрязнения почв, анализируя объединенные образцы, которые следует отбирать на ключевых участках, расположенных в секторахрадиусах вдоль пре­обладающих воздушных потоков.

Под ключевым участком 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 часть ключевых участков следует располагать в на­правлении двух экстремальных лучей (румбов) розы ветров. 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 исследу­емых участков — 15... 20.

Изучение процессов загрязнения почв на ключевых участках проводится более детально, чем на остальных территориях. Оно довольно трудоемко и требует много времени. Ключевые участки размещают на обследуемой территории таким образом, чтобы они характеризовали все возможные ландшафтно-геохимические усло­вия, разнообразие генезиса, состава и сочетания почв, типичные биоценозы и, конечно, фоновые и техногенные участки.

Под почвенно-геоморфологическим профилем следует пони­мать заранее выбранную узкую полосу земной поверхности, на которой установлена связь степени загрязнения почв с одним или нескольким экологическими факторами. 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 профили и ключевые участ­ки должны дополнять друг друга.

Нефтяное загрязнение почв

Нефтяное загрязнение почв относится к числу наиболее опасных, поскольку оно принципиально изменяет свойства почв, а очистка от нефти очень сильно затруднена. Последствия для почв, вызванные нефтезагрязнением, можно без преувеличения назвать чрезвычайными. Нефть обволакивает почвенные частицы, почва не смачивается водой, гибнет микрофлора, растения не получают должного питания. Наконец, частицы почвы слипаются, а сама нефть постепенно переходит в иное состояние, ее фракции становятся более окисленными, затвердевают, и при высоких уровнях загрязнения почва напоминает асфальтоподобную массу

Наблюдения за загрязнением почв тяжелыми металлами

Тяжелые металлы начали изучать одними из первых. Значительный ущерб почвам приносит загрязнение именно тяжелыми металлами. В природе таких элементов 78, но особую опасность представляют ртуть, кадмий, мышьяк, никель, свинец, цинк, медь. На распределение продуктов техногенеза по поверхности почвы влияют метеорологические, топографические, геохимические факторы, характер источников загрязнения. Основное загрязнение наблюдается около промышленных центров и автомагистралей.

Поступая в атмосферу их факелов предприятий, тяжелые металлы затем оседают на поверхность почвы в виде аэрозолей, пыли, растворенных соединений, затем с дождем и снегом переносятся и накапливаются в провинциях, создают неблагоприятные условия для развития процессов почвообразования. Каждый квадратный метр почвы ежегодно поглощает из АВ 6 кг вредных веществ. В результате происходит деградация почвы, нарушение процессов почвообразования, изменение реакции почвы, угнетение растительности до полного ее исчезновения, возрастает интенсивность почвенной эрозии, разрушается структура почвы, уменьшается ее пористость, ухудшается вводно-воздушный режим почвы.

Поступление тяжелых металлов в литосферу вследствие техногенного рассеяния осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах (черная и цветная металлургия, обжиг цементного сырья, сжигание минерального топлива). Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием ТМ, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения, вторичное загрязнение вследствие выноса ТМ из отвалов рудников или металлургических предприятии водными или воздушными потоками, поступление больших количеств ТМ при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов.

Несмотря на значительное разнообразие соединений ТМ, поступающих в почву из окружающей среды, фазовый состав элементов в составе газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии довольно однотипен; они представлены преимущественно оксидами.

Первым этапом трансформации оксидов ТМ в почвах является взаимодействие их с почвенным раствором и его компонентами. даже в такой простой системе, как вода, находящаяся в равновесии с СО2 атмосферного воздуха, оксиды ТМ подвергаются изменениям и существенно различаются по своей устойчивости.

Процесс трансформации тяжелых металлов, поступивших в почву в процессе техногенеза, включает следующие стадии:

1) преобразование оксидов ТМ в гидроксиды (карбонаты, гидрокарбонаты);

2) растворение гидроксидов (карбонатов, гидроксокарбонатов) ТМ и адсорбция соответствующих катионов ТМ твердыми фазами почв;

3) образование фосфатов ТМ и их соединений с органическими веществами почвы.

Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде тонких аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Основная масса выбросов осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Теоретически техногенные аномалии представляют систему концентрических колец, в которых концентрация ТМ убывает от центра к периферии. В реальной природной обстановке форма и размеры Зон загрязнения существенно отличаются от теоретических; обычно наблюдается неплохая корреляция формы и размеров зон загрязнения с конфигурацией розы ветров. Вокруг крупных предприятий цветной металлургии образуются сильные техногенные аномалии металлов, например вокруг Норильского горного металлургического комбината. Для таких предприятий характерно наличие зоны максимальных концентраций тяжелых металлов. На расстоянии до 5 км от источника и зоны повышенных содержаний на расстоянии до 20—50 км.

В зонах максимального загрязнения нередко формируется "техногенная пустыня" территория сильно эродированная, личная верхнего гумусового горизонта, растительности. Вокруг промышленных предприятий меньшей мощности зона максимального загрязнения простирается на расстояние до 1—2 км, и площадь загрязненных земель значительно меньше.

Локальные техногенные геохимические аномалии образуются также вокруг предприятий, которые перерабатывают сырье, содержащее тяжелые металлы и другие загрязняющие вещества в виде примесей. Так, геохимические аномалии меди, цинка, свинца образуются вокруг суперфосфатных заводов. Вокруг крупных тепловых электростанций образуются зоны загрязнения металлами 10—20 км в диаметре. Любые городские территории являются значительным источником загрязнения ТМ.

Вблизи автострад обнаружено сильное загрязнение ТМ, особенно свинцом, а также цинком, кадмием. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более.

Главным источником элементов для растений являются почвы. По степени накопления элементов растениями мерой является коэффициент биологического поглощения Ах отношение содержащего элемента в золе растений к содержанию этого элемента в почве или породе. Различные растения аккумулируют разное число микроэлементов. Так, медь накапливают растения семейства гвоздичных, кобальт перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди — для вероники и лишайников.

Химические элементы неравномерно распределены по органам растений. Значительная часть элементов накапливается в наземных частях растений (листьях, стеблях): Mn, Mo, Sr, La, Cu, Ti, Ni, в меньшей степени Fe, Al, Co. В корнях растений аккумулируются такие элементы, KaKAg, Pb, Sn, W, Cr, V, U. Равномерно распределены в органах растений цинк (в растительности таежной зоны), олово и цинк (в альпийских и субальпийских лугах), хром (в растительности альпийских регионов).

При изучении органов и тканей у человека на содержание тяжелых металлов учитывают аккумулирующие свойства органов; чаще изучают печень, почки, легкие.

В настоящее время для ряда тяжелых металлов установлены ориентировочно допустимые количества (ОДК) их содержания в почвах, утвержденные приказами органов здравоохранения, которые используются вместо ПДК.

Организация наблюдений и контроля за загрязнением почв тяжелыми металлами состоит в следующем:

1.Перед началом выполнения по наблюдения необходимо провести планирование работ, т.е. определить количество точек отбора проб, составить схему их территориального размещения, наметить маршруты, последовательность обработки, сроки выполнения заданий, наличие и качество топографического материала и тематических карт, собрать информацию об источниках загрязнения.

2.Наблюдения за уровнем загрязнения носят экспедиционный характер. Время проведения не имеет значения, однако лучше проводить исследования летом в период сбора сельскохозяйственных культур. Повторные наблюдения проводятся через 5-10 лет.

3.При выборе участков наблюдения проводят круги радиусами 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 20; 39; 50 км (в масштабе карты), т.е. оконтуривается зона возможного загрязнения тяжелыми металлами. Протяженность зоны загрязнения почв определяется розой ветров, характером выбросов, высотой трубы, рельефом местности и др. Значительное количество аэрозолей и газов переносятся на большое расстояние.

4.На подготовленный план местности наносят розу ветров по 8-16 румбам. Самый большой отвечает наибольшей повторяемости ветров, располагается в подветренную сторону на расстояние 25-30 км.

5.В направлении радиуса с наибольшей загрязненностью строятся секторы шириной 200-300 м с постепенным расширением до 1-3 км. В местах пересечения осей секторов с кругами размещаются ключевые участки. На них располагается сеть опорных разрезов, пункты, площадки отбора проб. Ключевой участок имеет размер 1-10 га с типичными физико-географическими условиями. Если роза ветров выражена нечетко, то ключевые участки размещают равномерно во всех направлениях. Если миграция тяжелых металлов связана с водными потоками, то направление лучей необходимо согласовать с направлением водных потоков. Общее количество участков составляет 15-20.

6.При оценке целесообразно проследить пути воздушного и водного загрязнения почв. Наибольшее внимание следует уделить ключевым участкам и вдоль преобладающих потоков. Следует провести сравнение изменения уровня загрязнения по мере увеличения либо изменения воздействия того или иного фактора.

Карта-схема проведения наблюдений загрязнения почв ТМ вокруг предприятий

Наиболее четко эти закономерности можно выделить на грунтово-геоморфологических профилях, пересекающих территорию вдоль преобладающих потоков. При проведении мониторинга почв обязателен процесс составления и оформления почвенных карт загрязнения почв.

При наблюдении за уровнем загрязнения почв тяжелыми ме­таллами большое значение имеет сравнение изменений, 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 (это заранее выбранная узкая полоса земной поверхности, на которой устанавливается корреляция степени загрязнения почв одним или несколькими экологическими факторами), секущих всю территорию вдоль преобладающих направлений ветра, что является ценным методом исследования сопряженных связей между распределени­ем загрязняющих веществ в почвах и средой.

Достоверно установлено, 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 глубин 0... 10 и 0...20 см на пашне и 0...2,5; 2,5...5,0; 5... 10; 10...20 и 20...40 см на целине или старой залежи.