Агроэкология- лекции 1 модуля. Агроэкология Агроэкология
 Скачать 11.19 Mb.
|
|
НОРМИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕ Виды нормирования. Нормирование химических элементов в почве – установление концентрации того или иного элемента, снижающей почвенное плодородие, вызывающей повреждение растений и накопление в них элемента выше или ниже определенного уровня. Различают санитарно-гигиеническое, экологическое и социально-экономическое нормирование. В основе санитарно-гигиенического нормирования лежат предельно допустимые концентрации (ПДК) веществ (элементов), характеризующие такое количество вредных веществ в среде, которое практически не влияет на здоровье человека и благополучие его потомства. Используют также показатели ПДВ и ПДС. Санитарно-гигиеническиое нормирование учитывает 4 основных показателя: - транслокационный (переход загрязняющих веществ из почвы в растение через корневую систему); - миграционно-воздушный (переход загрязняющих веществ в воздух); - миграционно-водный (переход загрязняющих веществ в воду); - общесанитарный (влияние загрязняющих веществ на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность). Поскольку токсиканты поступают в организм человека в с основном с продуктами питания, очень важно при санитарно-гигиеническом нормировании учитывать пути миграции поллютантов в системе почва-растение и отношение растений к загрязняющим веществам. Миграция загрязняющих веществ в системе почва-растение определяется несколькими факторами; основные из них – миграционная способность токсиканта и отношение к нему растения. Миграция загрязняющих веществ в почве зависит от их вида, особенностей почвенного покрова (гумусированность, гранулометрический состав и пр.), типа водного режима, температурного фактора. Например, свинец в почве менее подвижен, чем кадмий. Свинец и ртуть мигрируют на незначительную глубину (примерно до 10 см); проникновение же в глубину почвы у кадмия, меди и цинка выражено сильнее (они мигрируют на глубину до 30 см). Миграция ТМ по органам растений может быть представлена следующим рядом (в порядке убывания): корни-стебли-листья-семена-плоды-клубни. Причем содержание ТМ в тканях корня может увеличиваться в 500-600 раз, что свидетельствует о больших защитных (буферных) возможностях этого подземного органа. Известно, что различные грибы концентрируют ТМ в больших количествах. Пока разработано ограниченное количество нормативов ПДК ТМ в почве, т.к. почва в отличие от гомогенных водной и воздушной сред является сложной гетерогенной системой, меняющей поведение токсикантов в зависимости от некоторых свойств. Реальную угрозу для экосистем представляет не валовое содержание токсикантов, а содержание их подвижных форм, поэтому нормирование осуществляют по этим двум показателям. Степень прочности связи токсиканта в почве, т.е. его подвижность, зависит от почвенно-экологических факторов, которые необходимо учитывать при нормировании. В первую очередь следует учитывать гумусовое состояние почв, поскольку почвы разного генетического типа заметно отличаются по сорбционной способности. Миграционная способность токсикантов, в частности ТМ, в значительной степени зависит от кислотности почв. Известно, что в почвах тяжелого гранулометрического состава подвижность токсикантов снижается. С учетом принятых ПДК загрязняющих веществ разработана схема оценки почв сельскохозяйственного назначения. Эта схема предусматривает 4 категории оценки почв. Наименьшее антропогенное воздействие (допустимое загрязнение) относится к I категории, наибольшее – к IV категории. В зависимости от категории оценки следует использовать почвы и осуществлять необходимые мероприятия для их оздоровления. При нормировании необходимо также принимать во внимание синергический и антагонистический характер взаимовлияния многих соединений. Например, при нитратном загрязнении присутствие серы уменьшает риск онкологических заболеваний, тогда как наличие кадмия и пестицидов существенно увеличивает эту опасность. Между тем система критериев на основе ПДК не учитывает этих взаимовлияний. Кроме того, в процессе превращений загрязняющих веществ в почве могут образовываться более токсичные, чем исходные, соединения, что также не учитывается при оценках на основе существующих ПДК. В связи с этим перспективна разработка интегральных показателей, более полно учитывающих биологическую составляющую, а также самостоятельных биологических критериев. Принципиальная схема оценки почв с.-х. использования по степени загрязнения химическим веществами
В основе экологического нормирования положено изучение действия загрязняющих веществ не на отдельные организмы, а на систему в целом. В данном случае предполагается получение оптимальной биопродуктивности при минимальном воздействии на окружающую природную среду. В качестве критерия воздействия используют показатель предельно-допустимой экологической нагрузки (ПДЭН), т.е. такой уровень нагрузки, при котором сохраняется нормальное функционирование экосистемы. Нормальное функционирование экосистем в условиях загрязнения предполагает в первую очередь сохранение систем биотрансформации и детоксикации. Критериями экологического нормирования также могут служить экологическая емкость территории, экологически оптимальная биопродуктивность (максимально возможная в конкретных условиях данного района), биологическая продуктивность биогеоценозов, агроценозов с учетом оптимального для данной территории состава растительного и животного мира. Разработаны критерии физической деградации, химического и биологического загрязнений, которые целесообразно использовать при экологическом нормировании. Нормирование с использованием экологических характеристик более адекватно отражает состояние экосистем, чем санитарно-гигиенические нормативы. При этом предусматривается повышение почвенного биопотенциала, что должно способствовать оздоровлению окружающей природной среды. Оценка загрязнения почв. При оценке почв с учетом степени экологического неблагополучия учитывают физическую деградацию, химическое и биологическое загрязнения. При этом состояние территории оценивают согласно классификации степени экологического неблагополучия:
Оценку почв можно проводить также с учетом интенсивности и характера загрязнений. В этом случае загрязнение почвы может иметь четыре уровня (категории): 1. допустимое, 2. умеренно опасное, 3. высоко опасное, 4. чрезвычайно опасное. В зависимости от категории почв по степени загрязнения предъявляют иск предприятиям, учреждениям, организациям. Размеры ущерба предлагают определять путем использования утвержденных соответствующими постановлениями нормативов стоимости освоения новых земель взамен изымаемых для несельскохозяйственных нужд. Нормативы стоимости рекомендуют применять в объеме 100 % для IV категории загрязнения почв (чрезвычайно опасное загрязнение, при котором исключается возможность использования почв в сельскохозяйственном производстве). Для III категории загрязнения почв (высоко опасное загрязнение) размеры ущерба рекомендуется определять в объеме около 50 % нормативов стоимости, поскольку содержание токсичных веществ в почвах по большинству показателей превышает ПДК, а, следовательно, использование таких почв ограничено (только под технические культуры без получения на них продуктов питания и кормов для животноводства); кроме того, требуется выполнение некоторых других мероприятий, что связано с затратами. Для II категории загрязнения почв (умеренно опасное) размеры ущерба составляют 25 % нормативов стоимости с учетом высокого содержания токсичных веществ в почвах. БИОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ВОД В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИФИКАЦИИ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Приток питательных веществ как фактор изменения экологического равновесия в водоемах. Возможности определения биогенной нагрузки. Интенсификация сельскохозяйственного производства существенно меняет хозяйственно-биологический круговорот веществ, что нередко приводит к обострению экологических проблем, связанных с функционированием агроэкосистем, в том числе обусловленных состоянием поверхностных и подземных вод, которые не только загрязняются токсичными веществами, но и находятся под воздействием процессов усиленного эвтрофирования (от греч. еutrophe – тучность, жирность, усиленное питание). Под эвтрофированием нередко понимают обогащение вод питательными веществами, вызывающее массовое развитие водорослей. Однако это всего лишь видимая часть сложного естественно-антропогенного процесса, в котором превалируют природные процессы, а воздействие человека играет роль мощного катализатора. Таким образом, эвтрофирование (эвтрофикация, эвтрофия) вод – это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под воздействием антропогенных или естественных (природных) факторов. Начальным этапом процесса эфтрофирования признано избыточное поступление биогенных элементов в водотоки и водоемы. Однако этот процесс не ограничивается поверхностыми водами, поэтому в последние годы термин «эвтрофирование» применяют и для характеристики состояния подземных вод, а также загрязнения зон морей и Мирового океана. На рис. 10.2 показаны основные процессы развития эвтрофирования. В геологических масштабах времени водоемы постепенно обогащаются биогенами и заполняются поступающими с суши наносами, т.е. эвтрофирование - часть природного процесса, естественный процесс «старения» водоемов, проявляющийся в повышенной продукции органического вещества. Однако хозяйственная деятельность человека значительно ускоряет процесс эвтрофирования: за несколько десятилетий антропогенный фактор эвтрофирования привел к изменениям, которые в естественном ритме произошли бы в водоемах за десятки тысяч лет. Этому способствовало строительство каскадов ГЭС и водохранилищ, рекреационные мероприятия, судоходство, сбросы промышленных, коммунально-бытовых и животноводческих сточных вод, ливневые стоки селитебных территорий и т.д. (рис. 10.3). Наиболее быстро процесс антропогенного эвтрофирования развивается в водоемах, площади водосборов которых осваиваются сельскохозяйственным производством. Факторы интенсификации растениеводства и животноводства (механизация, мелиорация и особенно химизация и промышленное производство) стали мощным ускорителем процесса эвтрофирования вод. Основные химические элементы, способствующие эвтрофикации — фосфор и азот, главным образом, в виде фосфатов и нитратов. Основные антропогенные источники фосфора и азота: необработанные сточные воды (в особенности из животноводческих комплексов) и смыв удобрений с полей.  Явным признаком эфтрофирования как процесса нарушения экологического равновесия водоема следует считать изменение соотношения между двумя жизненными формами водных растений: бентосной и фитопланктонной. Рис. 10.4  Основное условие устойчивого фотосинтеза бентосных растений (укореняющихся на дне) – проникновение сквозь толщу воды достаточного количества света, что находится в прямой зависимости от фитопланктона (свободно плавающие водоросли). Несбалансированная эвтрофикация может приводить к бурному развитию водорослей (цветение воды), и появлению в воде цианобактерий, которые в период цветения выделяют токсины (алкалоиды и низкомолекулярные пептиды) способные вызвать отравление людей и животных, а также приводит к дефициту кислорода, заморам рыб и животных. Этот процесс можно объяснить малым проникновением солнечных лучей вглубь водоёма и, как следствие, отсутствием фотосинтеза у надонных растений, а значит и кислорода. (рис. 10.5 и 10.6).   В упрощённом виде процесс эвтрофирования имеет следующие базовые стадии:
Оценка распространения биогенных веществ в водном объекте может быть проведена на основе определения удельной (по объему) биогенной нагрузки (Н) на водоем по следующей формуле:  По удельным показателям биогенной нагрузки составляют территориальную характеристику степени опасности антропогенного поступления биогенных веществ в водные объекты. Основную сложность при этом представляет оценка суммарного поступления биогенных веществ (∑Wni). Для определения этого показателя предложено множество подходов, разработаны различные модели, описывающие поведение биогенных веществ в пределах водосборов с количественной оценкой их поступления от различных источников. Задача несколько упрощается, если каждый фактор – участник биогенной нагрузки на площади данного водосбора рассматривать отдельно. Если в качестве такого фактора выбрать воздействие сельскохозяйственного производства, то удельную биогенную нагрузку (Нс.-х) можно определить по формуле:  Анализ удельных показателей биогенной нагрузки позволяет установить особенности сельскохозяйственного производства в бассейне и биогенного загрязнения как всего водотока, так и отдельных его частей. Косвенным показателем интенсивности выноса биогенных веществ в водоемы является удельная сельскохозяйственная нагрузка  , определяемая как отношение площади сельскохозяйственных угодий к длине сопряженного участка водного объекта: Для определения биогенной нагрузки на водные объекты зарубежными и отечественными исследователями предложены различные методы расчета, в том числе и на основе оценки выноса биогенных веществ с аграрных территорий. В Гидрохимическом институте Роскомгидромета на основании результатов полевых наблюдений разработано около 60 частных моделей выноса азота в форме NH4+ и более 90—в форме NO2-, а также установлены зависимости смыва NO3- и PO43- с аграрных территорий. Особый интерес представляют модели прогнозирования биогенной нагрузки, ориентированные на решение оптимизационных задач с помощью методов линейного и динамического программирования. При расчете поступления биогенных веществ от рассредоточенных источников рекомендуется рассматривать три основных комплекса: гидрологический, почвенно-эрозионный и почвенно-химический. Гидрологический комплекс включает характеристики, отражающие зависимость выноса биогенов от поверхностного и почвенного стоков, инфильтрации, испарения, густоты гидрографической сети (рис 1 и 2), особенностей гидрологического режима, интенсивности осадков, изменчивости снеготаяния, уклонов рельефа, водно-физических свойств почв, степени покрытия водосборов растительностью и множества других факторов.   Почвенно-эрозионный комплекс включает систему характеристик, отражающих изменчивость гранулометрического состава почв (рис 3), их физических свойств и различных зон накопления биогенных веществ (поверхностной, верхней, нижней и зоны грунтовых вод). Многочисленные исследования миграции загрязняющих веществ по вертикали позволили выявить особенности распространения биогенных веществ в реальных условиях. Имеются также уравнение для расчета транспорта выносов с поверхностным стоком. Почвенно-химический комплекс включает характеристики, учитывающие трансформацию загрязняющих биогенных веществ в ходе их миграции (рис. 10.10).  Анализ существующих подходящих определению выноса биогенных веществ в водные объекты показывает, что рассмотренные модели не может быть использованы для прогнозирования и оптимизации биогенного загрязнения вод на этапе проектирования, так как для этих целей необходимы подходящие данные об экологическом состоянии изучаемых систем, получаемых на основе укрупненных показателей как в пространстве, так и во времени (месяц, сезон, год). Расчеты основываются на большом числе данных (начальная концентрация вещества в стоке, интенсивность поверхностного стока, концентрация вещества в потоке, количество биогенных веществ в пахотном слое почвы, слой поверхностного стока за расчетный интервал времени, глубина на пахотного слоя и его активной зоны, полная влагоемкость почвы и т. д.). Для ориентировочной оценки поверхностного сноса и выноса биогенных веществ из почвы рекомендуется агрохимический подход, основанный на зависимости их потерь от процессов вымывания и выщелачивания, а также от выноса с урожаем. |