УДК [502.3:711] (075.8) Антоненко И.В. Мониторинг и охрана

УДК [502.3:711] (075.8)
Антоненко И.В. Мониторинг и охрана городских земель: Конспект
лекций / Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. – 96 с.
В пособии, составленном в соответствии с программой учебной дисциплины, приводятся тексты лекций по вопросам экологии, структуры мониторинга, в том числе мониторинга земель и охраны городских земель.
Предназначено для использования студентами специальности 311100 –
“Городской кадастр”.
Табл. 6, список литер. – 6 назв.
Одобрено методической комиссией архитектурно-строительного факультета.
Рецензенты: А.В. Мочалина, В.А. Потемкин.
3
Тема 1
Введение. Понятие мониторинга. Цели и задачи
мониторинга. Классификация видов и направлений
деятельности систем мониторинга
Введение
В процессе жизнедеятельности любой организм вступает в сложные
взаимоотношения со средой обитания и не только воздействует на окружающую природную среду и изменяет ее, но и сам испытывает ее влияние.
Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывает человек, который используя природный потенциал, тем самым изменяет параметры окружающей среды на всех уровнях.
Загрязнение природной среды, связанное с производственной деятельностью человека, нередко приводящее к катастрофическим последствиям,
вызвало в последнее время увеличение количества исследований изучающих
масштабы и темпы загрязнения окружающей среды и направленных на поиск эффективных приемов ее защиты, которые включают в себя как снижение потоков загрязняющих веществ, поступающих в биосферу, так и ограничение токсичного действия различных веществ техногенного происхождения
на растительный и животный мир и, главным образом, предотвращение отрицательного их влияния на здоровье человека.
Следует отметить, что информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния давно используется человеком
для планирования своей деятельности. Уже более 100 лет ведутся регулярные наблюдения за изменением климата, погоды – это метеорологические,
сейсмологические и некоторые другие виды наблюдений и измерений состояния окружающей среды. Однако с развитием промышленности, транспорта и интенсивной урбанизации возникает необходимость создания специальной информационной системы контроля и прогнозирования состояния
биосферы в целом и отдельных ее компонентов. В рамках этой системы необходимо выделение антропогенных сдвигов в природной среде на фоне ее
естественных изменений. Поэтому и появилась потребность в специальных
наблюдениях за изменениями в природной среде, вызванных хозяйственной
и производственной деятельностью человека.
Информационная система наблюдения и анализа состояния природной
среды, в первую очередь наблюдения уровня загрязнений и последствий, вызываемых ими в биосфере, получила название мониторинга. Этот термин
происходит от лат. monitor (надзирающий, напоминающий) и обозначает
слежение за какими-либо процессами или объектами.
В последние десятилетия стало очевидным, что любые негативные изменения природной обстановки прямо или косвенно влияют на жизнь человека.
Пристальное внимание к проблемам наблюдений и контроля за состоянием и
уровнем загрязнения природной среды большинства развитых стран мира проявляется, по крайней мере, со времени Стокгольмской конференции 1972 г., на
которой была выработана специальная Программа ООН по окружающей среде.
Основная задача глобальной системы мониторинга, согласно этой Программе,
состоит в раннем предупреждении о наступающих естественных или антропогенных изменения состояния природной среды, которые могут нанести прямой
или косвенный ущерб здоровью или благосостоянию людей.
4
В 1977 г на Первой межправительственной конференции была принята
Тбилисская декларация, в которой даны рекомендации по развитию образования в области охраны окружающей среды на национальном и международном уровнях. Международный союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП) объявил в 1980 г Всемирную стратегию охраны природы
(ВСОП), которая провозглашается как система рациональных методов
управления деятельностью человека по использованию ресурсов биосферы.
А Программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП) сформулировала необходимость учета экологических факторов при решении экономических, социальных и других вопросов.
Общие представления о мониторинге окружающей среды
Существующие экологические проблемы можно разделить на две
группы:
1. проблемы, вызванные естественным изменением природных условий жизни: климата, почв, водного режима и других естественных параметров
среды;
2. изменения, возникающие в окружающей среде в результате хозяйственной
деятельности человека (антропогенные изменения). Действуя одновременно,
естественные и антропогенные изменения могут привести к неблагоприятным результатам.
В настоящее время для оценки качества окружающей среды употребляют два основных термина: мониторинг и контроль.
Под мониторингом понимают систему наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий. Иногда, применительно к природоохранной деятельности,
дают такое определение: мониторинг – это система повторных наблюдений
одного или более элементов окружающей природной среды в пространстве и
времени с определенными целями. Мониторинг не включает задачи управления качеством окружающей среды, тогда как контроль подразумевает не
только наблюдение и получение информации, но и, по крайней мере, элементы воздействия, управления состоянием среды.
Основные задачи мониторинга: наблюдение за состоянием биосферы,
оценка и прогноз ее состояния, определение степени антропогенного воздействия на окружающую среду, выявление факторов и источников воздействия.
Основной целью мониторинга является выявление динамики роста
или уменьшение тех или иных изменений в экосистемах различного уровня,
связанных с антропогенным влиянием на них.
Система мониторинга включает три основные процедуры: наблюдение, анализ и прогнозирование состояния природной среды.
Центральным же ее звеном является процесс оценки (анализа) состояния природной среды. Этот процесс включает оценку фактического состояния природной среды в целом и ее отдельных компонентов; оценку современных факторов воздействия на природную среду и оценку возможных последствий, вызванных этими воздействиями; оценку прогнозируемого состояния природной среды с учетом антропогенных воздействий и природоохранных мероприятий.
5
Классификация видов мониторинга
Мониторинг является важной составной частью общей системы управления качеством природной среды. Главной задачей системы мониторинга
является предвидение возможных отрицательных последствий, прогноз и ограничение наиболее опасных антропогенных воздействий.
Различают много видов мониторинга как по характеру загрязнения
среды, так и по методам или целям наблюдения. Так по способам наблюдений различают – авиационный, космический, дистанционный мониторинг;
по задачам – прогностический. Мониторинг может осуществляться при различном уровне охвата территории: на региональном уровне, на уровне промышленного предприятия, города и т.п. Характер и механизм обобщения
информации при движении по иерархическим уровням системы мониторинга определяются с помощью понятия “информационный портрет экологической обстановки”, который представляет собой совокупность графически
представленных пространственно распределенных данных, характеризующих обстановку определенной территории. По уровням охвата территории
различают мониторинг базовый (фоновый), глобальный, региональный, импактный (локальный). Мониторинг на территории одного государства и в его
интересах называют национальным. Система мониторинга, используемая в
интересах нескольких стран, называется международным мониторингом.
Базовый (фоновый) мониторинг – слежение за общеатмосферными, в
основном, природными явлениями без наложения на них региональных антропогенных влияний. Для осуществления базового (фонового) мониторинга
используют удаленные от промышленных регионов территории, в том числе
биосферные заповедники.
Глобальный мониторинг – слежение за общемировыми процессами и явлениями в биосфере и экосфере Земли, включая все их экологические компоненты и осуществление прогноза возможных изменений. Глобальный мониторинг базируется на подсистемах регионального и локального мониторинга.
Объектами глобального мониторинга являются: степень радиации, содержание
в атмосфере диоксида углерода, озона, пыли, циркуляция тепла, газовый обмен
между воздушной оболочкой Земли и Мировым океаном, мировая миграция
птиц, животных, насекомых, погодно-климатические изменения на планете.
Региональный мониторинг охватывает отдельные регионы, в пределах
которых имеют место процессы и явления, отличающиеся по природному
характеру или по антропогенным воздействиям от общего базового фона.
Импактный (или локальный) мониторинг ограничен небольшой территорией, в пределах конкретного населенного пункта, промышленного объекта,
озера и т.п. и предусматривает осуществление наблюдений в особо опасных зонах и местах, обычно непосредственно примыкающих к источникам загрязняющих веществ. На локальном уровне мониторинга в информационном портрете должны присутствовать все источники воздействия на природную среду.
Еще более многочисленны объектные виды мониторинга, среди которых
можно выделить мониторинг атмосферного воздуха, гидросферы (в совокупности
– гидрометеорологический), почвенный, биологический, сейсмический, ионосферный, Солнца, гравиметрический, магнитометрический и др. Все эти виды могут и
дальше в свою очередь подразделяться на подвиды, что и происходит на практике.
Для оценки состояния природной среды и прогноза возможных изменений
выделяют подсистемы наблюдений за абиотической (геофизический мониторинг)
и биотической (биологический мониторинг) частью биосферы. Биологический
6
мониторинг включает зоологический (в нем также множество подвидов по рыбам
птицам и т.д.), ботанический и антропологический. В последнем стали выделяться
не только медико-биологические направления, но и социальные.
Главная задача биологического мониторинга состоит в выделении отклика биосферы на антропогенные воздействия на различных уровнях живого организма: молекулярном, субклеточном, клеточном, органотканевом, организменном и популяционном. При этом очень важны наблюдения за воздействием природной среды на человека, за реакцией популяций, от которых
зависит благополучие экосистем. В биологическом мониторинге важная роль
отводится наблюдениям за возможными изменениями наследственных признаков (генофонда) разных популяций.
С развитием науки и техники ставится вопрос о необходимости геологического мониторинга, развивающегося не только вширь (в литосфере), но
и вглубь – до мантии. Уже проводится локальный мониторинг подземных
вод, криолитозоны, глубоких (до 15 км) слоев геологического строения Земли. Это стало необходимым не только для наблюдений за сегодняшней динамикой состояния объектов мониторинга и прогноза изменений, но и для
целей ретроспективных оценок состояния природной среды.
В настоящее время появилось понятие «инженерно-экологического мониторинга». Как вид научно-производственной деятельности инженерноэкологический мониторинг основан на комплексе знаний и достижений таких
наук, как физическая и конструктивная география, ландшафтоведение, геология, геокриология, метеорология (климатология), гидрология, биология, экология и др. Одной из основных предпосылок системы инженерно-экологического
мониторинга является представление о том, что инженерные сооружения, промышленные
комплексы
размещены
в
определенных
природнотерриториальных зонах и действуют в течении продолжительного времени, т.е.
имеют пространственно-временную организацию в природе. Функциональный
состав инженерно-экологического мониторинга включает две самостоятельные
его разновидности: экологический и геотехнический мониторинг.
Экологический мониторинг понимают как систему наблюдений за
изменениями состояния природной среды, вызванными антропогенными
воздействиями, позволяющую прогнозировать развитие этих изменений,
включая переход в область экологически экстремальной ситуации. Экологический мониторинг связан с наблюдением за изменениями в экологических
системах, природных комплексах, антропогенных геосистемах, за их продуктивностью, а также за динамикой изменения запасов полезных ископаемых, водных, земельных, растительных ресурсов.
Экологический мониторинг ставит своей целью дать ответы на следующие вопросы:
• каково состояние природной среды в рассматриваемый отрезок времени в
сравнении с предшествующим состоянием (в относительной или абсолютной форме) и какие изменения (положительные, отрицательные) ожидаются в природной среде в прогнозируемый отрезок времени;
• в чем причины произошедших изменений и возможных изменений в будущем (в том числе нежелательных, критических) и что явилось, является
или будет являться источником этих изменений;
• какие воздействия на данную локальную природную среду, определяемые исходя из выработанной для данного случая системы критериев оценок «полезности
– вредности», являются вредными (нежелательными или недопустимыми);
7
• какой уровень техногенных воздействий, в том числе в совокупности с естественными или стихийными процессами и воздействиями, происходящими в
рассматриваемой природной среде, является допустимым для природной
среды и отдельных ее компонентов или комплексов (ценозов) и какие резервы имеются у природной среды для саморегенерации состояния, адекватного
исходному, принятому за состояние экологического баланса;
• какой уровень техногенных воздействий на природную среду, отдельные
ее компоненты и комплексы является недопустимым или критическим,
после которого восстановление природной среды до уровня экологического баланса является неосуществимым.
• При разработке проекта экологического мониторинга должна быть представлена следующая информация:
• источники поступления загрязняющих веществ в окружающую природную
среду – выбросы загрязняющих веществ в атмосферу промышленными, энергетическими, транспортными и другими объектами; сбросы сточных вод в
природные водные объекты; поверхностные смывы загрязняющих и биогенных веществ в поверхностные воды суши и моря; внесение на земную поверхность и в почвенный слой загрязняющих и биогенных веществ вместе с
удобрениями и химикатами при сельскохозяйственной деятельности; места
захоронения и складирования промышленных и коммунальных отходов; техногенные аварии, приводящие к выбросу в атмосферу опасных веществ и
розливу жидких загрязняющих и опасных веществ и т.д.;
• переносы загрязняющих веществ – процессы атмосферного переноса, процессы переноса и миграции в водной среде;
• процессы ландшафтно-геохимического перераспределения загрязняющих
веществ – миграция загрязняющих веществ по почвенному профилю до
уровня грунтовых вод; миграция загрязняющих веществ по ландшафтногеохимическому сопряжению с учетом геохимических барьеров и биохимических круговоротов;
• данные о состоянии антропогенных источников эмиссии, мощность источника эмиссии и месторасположение его, гидродинамические условия
поступления эмиссии в окружающую среду.
В зоне влияния источников эмиссии организуется систематическое наблюдения за следующими объектами и параметрами окружающей среды:
1. Атмосфера – химический и радионуклидный состав газовой и аэрозольной
фазы воздушной среды, твердые и жидкие осадки (снег, дождь) и их химический и радионуклидный состав; тепловое и влажностное загрязнение
атмосферы.
2. Гидросфера – химический и радионуклидный состав поверхностных вод
(реки, озера, водохранилища и т.д.), грунтовых вод, взвесей и донных отложений в природных водотоках и водоемах, тепловое загрязнение поверхностных и грунтовых вод.
3. Почва – химический и радионуклидный состав деятельного слоя почвы.
4. Биота – химический и радионуклидный состав загрязнений сельскохозяйственных угодий, растительного покрова, почвенных зооценозов, наземных сообществ домашних и диких животных, птиц, насекомых, водных
растений, планктона, рыб.
5. Урбанизация среды – химический и радионуклидный фон воздушной среды населенных пунктов, химический и радионуклидный состав продуктов
питания, питьевой воды и т.д.
8
6. Население – характерные демографические параметры (численность и
плотность населения, рождаемость и смертность, уровень врожденных
уродств и аномалий), социально-экономические факторы.
Геотехнический мониторинг понимают как систему оценки техногенного источника и экологического риска в процессе функционирования объекта.
Система геотехнического мониторинга решает задачи:
• определение состояния природной среды в заданный отрезок времени;
• фоновые наблюдения;
• обеспечение сравнительных данных текущего момента и времени, предшествующего техногенезу;
• прогноз ожидаемых изменений в природной среде под воздействием техногенных факторов;
• оценка причин происходящих и возможных изменений и степени их губительного влияния на природу, на человека, источники этих воздействий (в
том числе прогнозирование возможных источников вредных веществ);
• определение уровня техногенных воздействий (в комплексе либо отдельные компоненты), являющихся недопустимыми, критическими, исключающими самовосстановление природной среды до уровня экологического баланса и т.д.
При всех видах мониторинга качественно и количественно характеризуются состояние воздуха, а также поверхностных вод, климатические изменения, свойства почвенного покрова, состояние растительности и животного
мира. К каждому из перечисленных компонентов биосферы предъявляются
особые требования и разрабатываются специфические методы анализа.
В целом все виды экологического контроля можно рассматривать с
двух точек зрения. В первом случае объектом контроля являются вредные
техногенные (или естественные) воздействия на природную среду. При этом
определяются количественные характеристики механических, тепловых, химических и других воздействий, а полученные результаты сравнивают с
нормативными – предельно допустимыми для данных природноклиматических условий.
В другом случае объектом экологического контроля является собственно природная среда, подверженная или не подверженная (фоновый контроль) вредным воздействиям. При этом, как правило, определяют качество
отдельных компонентов или комплексов природной среды с целью выявления состава и концентрации тех или иных веществ, обычно вредных. Полученные результаты сравнивают с нормативами.
В системе мониторинга возникает необходимость решения нескольких
задач разного уровня, поэтому И.П. Герасимов (1975) предложил различать
по направленности три ступени мониторинга (табл. 1):
• на первой ступени главное внимание уделяется наблюдению за состоянием окружающей среды с точки зрения ее влияния на здоровье населения.
Постоянным наблюдениям подвергаются вещества, наиболее опасные
для природных экосистем и здоровья человека:
∗ в поверхностных водах – радионуклиды, тяжелые металлы, пестициды,
бенз(а)пирен, рН, минерализация, азот, нефтепродукты, фенолы, фосфор;
∗ в атмосферном воздухе – оксиды углерода, азота, диоксид серы, озон,
пыль, аэрозоли, тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды,
бенз(а)пирен, азот, фосфор, углеводороды. Эта ступень мониторинга
опирается на систему наблюдательных постов и работу санитарно9
гигиенических служб. Наблюдательные посты располагаются с таким
расчетом, чтобы они контролировали основные линии связи человека с
естественными и искусственными компонентами окружающей среды;
• на второй ступени основным объектом наблюдений и контроля выступают
территориально-производственные комплексы;
• на третьей ступени основной задачей является наблюдение за глобальными параметрами окружающей среды с целью оценки последствий этих изменений для здоровья и деятельности людей.
Таблица 1
Система наземного мониторинга окружающей среды (по И.П. Герасимову)
Ступени
мониторинга
Объекты мониторинга
Биоэкологический Приземный слой воздуха
(санитарноПоверхностные и грунтогигиенический)
вые воды, промышленные и
бытовые стоки и различные
выбросы
Радиоактивное загрязнение
Геосистемный
(природнохозяйственный)
Биосферный
(глобальный)
Характеризуемые показатели мониторинга
ПДК токсичных веществ
Физические и биологические раздражители (шумы,
аллергены и пр.)
Предельная степень радиоизлучения
Исчезающие виды живот- Популяционное состояние
ных и растений
видов
Природные экосистемы
Их структура и нарушения
Агроэкосистемы
Урожайность сельскохозяйственных культур
Лесные экосистемы
Продуктивность насаждений
Атмосфера
Радиационный баланс, тепловой перегрев, состав и запыление
Гидросфера
Загрязнение рек и водоемов;
водные бассейны, круговорот воды на континентах
Растительность и почвен- Глобальные характеристики
ный покровы, животное на- состояния почв, растительселение
ного покрова и животных.
Глобальные круговороты и
баланс СО2, О2 и др. веществ.
10
Тема 2
Основные понятия экологии
Экосистема, ее составные части
Живое вещество планеты – это совокупность всех живых организмов в биосфере. Традиционно выделяют следующие уровни организации жизни: особь
(организм) – популяция – биоценоз – биогеоценоз (экосистема) – биосфера.
Каждый отдельный организм является самостоятельной биологической
системой, взаимодействующей с внешними условиями (окружающей средой)
и с другими биологическими системами.
Особи одного вида, заселяющие общие места обитания, связанные общностью генофонда, способные к саморегулированию и поддержанию определенной численности, образуют популяции. Популяции также обладают всеми
качествами самостоятельных биологических систем. Они имеют пространственную структуру, что позволяет эффективно использовать ресурсы еды. Они
имеют также возрастную, половую, функциональную структуру.
Система более высокого уровня называется биоценозом. Биоценоз – это
сообщество взаимозависимых живых организмов, объединенных под воздействием ряда факторов внешней среды. Характеризуется определенным видовым
составом. Пространство, которое занимает биоценоз, называется биотопом. В
зависимости от размеров биоценозов биотопы разделяются на микро(например, упавший ствол дерева), мезо- (лес, озеро) и макро- (океан). Совокупность биоценоза и биотопа образует систему более высокого уровня, которая называется биогеоценозом.
Близким по значению к понятию “биогеоценоз” является понятие
“экосистема”. Экосистема – это сообщество живых организмов и среда их
обитания, находящихся в закономерной взаимосвязи друг с другом, т.е. обмен вещества и энергии происходит в них во взаимной связи. Экосистема –
это любая совокупность организмов и среды, а биогеоценоз есть природное
образование, где в качестве основного звена присутствует растительный покров. Экосистема может включать в себя несколько биогеоценозов или быть
частью биогеоценоза. Глобальной экосистемой, включающей в себя все живое вещество планеты и среду его обитания, является биосфера.
Несмотря на небольшое содержание химических элементов в живых
организмах по сравнению с их общим содержанием в земной коре, без учета
их деятельности невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Роль живого вещества в биосфере
не сравнима ни с какой геологической силой по своей интенсивности и направленности во времени. Можно выделить пять основных функций живого
вещества: энергетическую, газовую, концентрационную, деструктивную и
средообразующую.
Энергетическая функция выполняется в основном растениями. В основе этой функции лежит процесс фотосинтеза, т.е. аккумулирование зелеными растениями солнечной энергии и дальнейшее ее перераспределение
между остальными компонентами биосферы. Часть энергии накапливается в
отмершей органике, образуя залежи биогенного вещества (торфа, угля, нефти), а часть рассеивается в пространстве в виде тепла.
Газовая функция обеспечивает газовый состав биосферы в процессах
миграции и превращения газов, большая часть которых имеет биогенное
происхождение.
11
Концентрационная функция заключается в избирательном извлечении и
накоплении живыми организмами биогенных элементов окружающей среды,
обуславливая большую разницу в составе живого и косного вещества планеты.
Благодаря этой функции живые организмы могут служить для человека как источником полезных веществ (витаминов, аминокислот), так и опасных для здоровья (тяжелых металлов, радиоактивных элементов, ядохимикатов).
Деструктивная функция обусловливает процессы, связанные с разложением мертвой органики, с химическим разрушением горных пород и
вовлечением образовавшихся веществ в биотический круговорот. В результате этого процесса образуются биокосные и биогенные вещества, т.е. происходит минерализация органики и превращение ее в косное вещество.
Средообразующая функция состоит в трансформации химических параметров среды в условия, благоприятные для существования организмов.
Она обеспечивает газовый состав атмосферы, состав осадочных пород литосферы и химический состав гидросферы, баланс веществ и энергии в биосфере, восстановление нарушенных человеком условий обитания.
В последние столетия происходит интенсивное вмешательство человека в природные процессы. Эту стадию эволюции биосферы Вернадский назвал ноосферой, “сферой разума”.
Взаимодействие живых организмов с компонентами биосферы происходит путем обмена, питания, дыхания, выделения продуктов метаболизма, т.е.
процессы протекающие в экосистемах, являются общими для весьма различных
организмов – от бактерий до млекопитающих. Все особи сообщества, будучи
связаны с окружающей средой функциональной связью, извлекают из нее материальные вещества и обогащают среду продуктами жизнедеятельности.
В пределах биотической компоненты структуру экосистемы рассматривают, используя критерий питания (трофики). В зависимости от выполняемых функций в отношении питания все популяции организмов разделяют
на два класса: автотрофные и гетеротрофные организмы.
Автотрофные, т.е. самопитающиеся, – поглощают солнечную энергию и
вещества из окружающей среды, создают массу органического вещества
(биомассу), они являются основой существования жизни вообще и биоценоза в
частности. Они создают уровень первичной продукции и являются первичными
продуцентами. К числу первичных продуцентов относятся растения, фотоавтотрофные бактерии, а также некоторые хемосинтезирующие бактерии.
Гетеротрофные организмы, т.е. питающиеся другими, – используют в
качестве пищи готовые органические вещества, т.е. они питаются другими
животными, растениями и их плодами. К ним относятся травоядные, хищники и человек.
Автотрофные и гетеротрофные организмы не могут существовать друг
без друга. Гетеротрофы живут потребляя растительность, но при этом создают питательную среду для автотрофов, а также перерабатывают выделения
растений – газообразные, жидкие вещества и т.д., проводя таким образом детоксикацию продуктов жизнедеятельности автотрофов. Доказано, что если
бы животные исчезли из биосферы, жизнь стала бы возможной только в непосредственной близости от водоемов, т.к. они переводят растительную органику в рассеянное состояние, т.е. транспортируют ее не только на большие
расстояния, но и в направлениях, противоположных поверхностному и подземному стокам. При этом создаются благоприятные условия для развития
следующих поколений растительности.
12
Все живые организмы связаны между собой процессами обмена веществом и энергией, т.е. пищевыми взаимоотношениями. В результате возникают пищевые или трофические цепи. Трофическая цепь – это последовательный перенос вещества и энергии от их источника – зеленого растения –
через ряд других организмов на более высоких трофических уровнях, т.е. путем поедания одних организмов другими.
Биотический круговорот обеспечивается взаимодействием трех групп
организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.
Продуценты или производители – это автотрофные организмы, производящие пищу, т.е. растения.
Консументы, т.е. потребители – это гетеротрофные организмы, главным образом животные, поедающие другие организмы. Их относят к группе
вторичных продуцентов. Различают консументов первого порядка
(фитофагов) (к ним относятся в основном растительноядные животные);
консументов второго порядка (зоофагов) (к ним относятся плотоядные животные, первичные хищники, питающиеся растительноядными организмами)
и консументов третьего порядка (к ним относятся хищники, которые питаются плотоядными животными, а также различные животные, ведущие паразитический образ жизни).
Третья группа, обеспечивающая в экосистеме функционирование биоценоза – организмы, разлагающие отходы жизнедеятельности и отмершие
организмы до минеральных веществ – редуценты. К ним относятся грибы,
бактерии, беспозвоночные. Минеральные вещества и диоксид углерода, образующиеся при деятельности редуцентов, опять поступают в воду, воздух и
почву, а затем – в распоряжение продуцентов
Все организмы, выполняющие в экосистеме одинаковые трофические
функции, составляют определенный трофический уровень. Общая закономерность трофических цепей состоит в том, что в начале цепи всегда находятся
растения, а в конце – хищники. С каждым звеном в цепи организмы становятся
крупнее, медленнее размножаются и имеют все меньше естественных врагов.
При переходе от уровня к уровню энергия, полученная в виде пищи, перераспределяется по закону пирамиды энергии Р. Линдемана: с одного трофического
уровня на другой передается в среднем не более 10 % энергии.
Надо заметить, что минерализация органических веществ осуществляется не только редуцентами (бактериями, простейшими, грибами), но и консументами в процессе метаболизма. Наряду с минеральными солями, они
выделяют в окружающую среду диоксид углерода и воду, которые являются
конечными продуктами метаболизма.
Организмы разных групп по-разному реагируют на антропогенное загрязнение среды обитания, т.е. обладают разной чувствительностью к антропогенному воздействию. Редуценты вынуждены перерабатывать не только
естественные продукты жизнедеятельности автотрофов и консументов, но и
химические вещества, попадающие в экосистему вследствие антропогенного
воздействия. Если химические вещества обладают токсическими свойствами,
редуценты могут не справиться с очисткой, при этом нарушаются процессы
самоочищения, что отрицательно сказывается на устойчивости экосистемы и
приводит к ее преобразованию. Таким образом, стабильность экосистем существенно зависит от деятельности человека.
Другим критерием описания структуры экосистемы является критерий
жизни, т.е. в экосистеме рассматривают две компоненты: живую
13
(биотическую) и неживую (абиотическую). Обе компоненты тесно связаны
и взаимодействуют друг с другом. Абиотические компоненты лимитируют и
регулируют жизнедеятельность и само существование живых организмов.
Они находятся как вне, так и внутри живых организмов и образуют постоянный поток между биотической и абиотической компонентами.
Экологические факторы
Жизнедеятельность любого организма зависит от того, насколько он
приспособлен к условиям среды обитания. Для характеристики взаимодействия организма со средой было введено понятие “экологический фактор”. Под
экологическими факторами понимают те воздействия, которые оказывают
непосредственное влияние на характер и интенсивность протекающих в экосистеме процессов.
По отношению к экосистеме экологические факторы делят на внешние и
внутренние. Несмотря на определенную условность такого деления, считают,
что внешние факторы, действуя на экосистему, сами не подвержены или почти
не подвержены ее влиянию. К ним относят солнечную радиацию, скорость ветра и течений и т.д. Внутренние факторы соотносятся со свойствами самой экосистемы и образуют ее, т.е. входят в ее состав. Это – численность и биомасса
популяций, количество различных химических веществ, характеристики водной
или почвенной массы и т.п.
По критерию “жизни” экологические факторы делят на биотические и
абиотические. К последним относят неживые компоненты экосистемы и ее
внешней среды. Особо выделяют аддитивные факторы, характеризующие
количественные параметры биотической и абиотической составляющей экосистемы: численность и биомассу популяций, концентрации химических веществ. Такие факторы называют ресурсными. В последнее время все чаще
употребляется термин антропогенные факторы (т.е. вызванные человеком); их противопоставляют природным (естественным) факторам.
Внешние экологические факторы по отношению к экосистеме являются
воздействием. Реакция экосистемы, биоценоза, популяций и особей на эти воздействия называется откликом. От характера отклика на воздействие зависит
способность организма приспосабливаться к условиям окружающей среды,
адаптироваться и приобретать устойчивость к влиянию различных факторов
среды, в том числе неблагоприятных воздействий. В этом заключается основа
механизма естественного отбора.
Условия существования организмов и популяций рассматривают также
как регулирующие экологические факторы.
Виды вредных воздействий на окружающую среду
Антропогенным воздействием (или просто воздействием, когда речь
идет о загрязнении окружающей среды человеком) называется непосредственное влияние хозяйственной деятельности человека на окружающую природную среду. Все виды воздействий можно разделить на 4 группы: преднамеренное и непреднамеренное, прямое и косвенное (опосредованное).
Преднамеренное воздействие происходит в процессе материального
производства с целью удовлетворения определенных потребностей общества. К ним относятся: добыча полезных ископаемых, строительство гидротехнических сооружений, вырубка лесов для получения древесины и т.д.
14
Непреднамеренное воздействие возникает побочно с первым типом
воздействия, в частности, добыча полезных ископаемых открытым способом
приводит к понижению уровня грунтовых вод, к загрязнению воздушного
бассейна, к образованию техногенных форм рельефа (карьеры, терриконы,
хвостохранилища).
Как преднамеренные, так и непреднамеренные воздействия могут быть
прямыми и косвенными.
Прямые воздействия имеют место в случае непосредственного влияния хозяйственной деятельности человека на среду, в частности ирригация
(орошение) непосредственно воздействует на почву и изменяет все процессы, связанные с ней.
Косвенные воздействия происходят опосредованно – через цепочки
взаимосвязанных влияний. Так, преднамеренные косвенные воздействия –
это применение удобрений и непосредственно влияние на урожайность культур, а непреднамеренные – влияние аэрозолей на количество солнечной радиации (особенно в городах) и т.д.
Опасность антропогенного воздействия на биосферу состоит в том, что
отклик окружающей среды на это воздействие появляется с запаздыванием, которое зависит как от характера, так и от интенсивности воздействия. Если реакция биосферы на воздействие наблюдается быстро, то существует возможность
регулирования масштабов воздействия, позволяющего предотвратить необратимые изменения в природных системах. Примером может служить регулирование отлова рыбы в водах Мирового океана. Если же сдвиги в экосистеме происходят с большим запозданием, то возможны необратимые, даже глобальные,
изменения. Так исчезли многие виды растений и животных.
Антропогенная деятельность за последние два столетия привела к нарушению круговорота веществ. В природных системах “движение” веществ
реализуется круговоротом по замкнутому циклу, т.е. в виде совокупности
превращений и перемещений вещества в пространстве и времени, находящихся в динамическом равновесии, что обеспечивает естественное развитие
биосферы. В антропогенной деятельности этот цикл не замкнут, поскольку
используемые человеком вещества и энергия не возвращаются в места их
изъятия. Часть их рассеивается в окружающую среду при добыче и транспортировке, а часть поступает в окружающую среду в виде отходов и выбросов. В результате в окружающую среду поступают различные вещества и их
соединения, в том числе и такие, каких нет в природных экосистемах, что
приводит к загрязнению окружающей среды.
Под загрязнением окружающей среды понимают поступление в биосферу любых твердых, жидких и газообразных веществ или видов энергии
(теплоты, звука, радиоактивности и т.п.) в количествах, оказывающих вредное влияние на человека, животных и растения как непосредственно, так и
косвенным путем.
Загрязнения биосферы подразделяют на локальные, региональные и
глобальные. Локальные загрязнения характерны для городов, крупных промышленных предприятий, районов добычи тех или иных полезных ископаемых, крупных животноводческих комплексов. Региональные загрязнения
охватывают значительные территории и акватории, подверженные влиянию
крупных промышленных районов. Глобальные загрязнения чаще всего вызываются атмосферными выбросами, распространяются на большие расстоя-
15
ния от мест своего возникновения и оказывают неблагоприятное воздействие
на крупные регионы, а иногда и на всю планету.
В общем виде все загрязнения классифицируются по двум группам:
естественные, возникшие в результате мощных природных процессов
(извержение вулканов, лесные пожары и т.п.), и техногенные или антропогенные загрязнения.
Антропогенные загрязнения в свою очередь разделяют на: материальные; физические и биологические. Радиоактивные отходы могут рассматриваться как материальные и как физические.
В основу классификации материальных загрязнений положена среда их
распространения (атмосфера, гидросфера, литосфера), их агрегатное состояние
(газообразные, жидкие, твердые), применяемые методы обезвреживания и степень токсичности. Материальные загрязнения подразделяются на выбросы в
атмосферу, сточные воды и твердые отходы. Классификация выбросов вредных
веществ в атмосферу устанавливается государственными стандартами, согласно
которым выбросы подразделяются по агрегатному состоянию и массе веществ,
выбрасываемых в единицу времени (обычно тонны в сутки).
Физические загрязнения окружающей среды включают промышленные
тепловые выбросы, а также шум, вибрацию и все виды излучений и полей.
Тепловое загрязнение биосферы присуще в большей или меньшей степени всем видам производств и проявляется в виде конвективного или радиационного теплообмена между нагретыми выбросами или нагретыми технологическими установками и окружающей средой, что приводит к локальному повышению температуры атмосферы, воды или почвы. Особенно нежелательно воздействие тепловых выбросов на водоемы, поскольку это нарушает водный экологический режим.
Биологическое загрязнение характерно для предприятий промышленного биосинтеза, производящих антибиотики, ферменты, вакцины, сыворотки, кормовой белок, биоконцентраты и т.д.
Процессы перемещения (перераспределения) и концентрации химических элементов (их соединений), происходящие в результате технической
(технологической) деятельности людей принято называть техногенезом.
Источники загрязнения биосферы
Источники загрязняющих веществ разнообразны, также разнообразны
и виды отходов и характер их воздействия на компоненты биосферы.
В общем случае источники загрязнения природной среды можно классифицировать по: происхождению – искусственные или антропогенные (около 90
% общего объема) и естественные; месту поступления – континентальные,
морские и атмосферные; временному признаку – постоянные, эпизодические,
разовые, случайные; пространственно-временному признаку – фиксированные
и нефиксированные и т.д.
К основным источникам антропогенного загрязнения относятся: промышленные предприятия, горнодобывающие предприятия, нефтедобывающая промышленность, теплоэнергетика, транспорт, сельское хозяйство, жилищнокоммунальное хозяйство городов.
Жители больших городов испытывают чрезмерное загрязнение воздуха, в
результате чего заводские районы некоторых городов становятся непригодными для проживания, поскольку из атмосферы основная масса выбросов в виде
выпадения атмосферной пыли, аэрозолей, кислых дождей поступает в поверх16
ностные воды и почву городских и прилегающих к ним территорий. Статистические данные говорят о том, что окружающая среда в ряде крупных промышленных городов (Магнитогорске, Новокузнецке, Мариуполе и др.) находится в
катастрофическом состоянии.
Распределение антропогенных загрязнений в биосфере
Загрязнитель
Таблица 2
Отрасль производственной и хозяйственной деятельности, для которой характерен данный загрязнитель
Атмосфера
CO2, SO2, NOx, углеводороды
Металлические частицы,
пылевые частицы
Галогеносодержащие
соединения
Теплоэнергетика, металлургия, транспорт
Металлургия, горнодобывающая промышленность
Химическая, холодильная промышленность
Литосфера
Мусор
Активный ил
Целлюлоза, бумага
Зола, шлак, шлам
Пластмассы, органические
вещества
Металлы и их соединения
Радиоактивные вещества
Коммунально-бытовое, городское хозяйство
Городские станции биологической очистки сточных вод
Целлюлозно-бумажная промышленность
Энергетика, металлургия
Химическая промышленность
Металлургия, химическая промышленность
АЭС, предприятия переработки отходов АЭС,
предприятия ВПК
Гидросфера
Тепловая энергия
Радиоактивные вещества
Минеральные соли
Взвешенные частицы
Биогенные вещества
Нефтепродукты
Энергетика (АЭС, ТЭЦ, ГРЭС), металлургия
АЭС, предприятия ВПК
Химическая промышленность
Коммунально-бытовое хозяйство
Сельское, городское хозяйство
Нефтедобывающая,
нефтеперерабатывающая
промышленность, горнодобывающая промышленность, металлургия, машиностроение
Пестициды
Сельское хозяйство
Ионы тяжелых металлов
Металлургия, машиностроение
Красители, фенолы
Текстильная промышленность
Органические растворители Химическая промышленность
Синтетические поверхно- Городские стоки
стно-активные
вещества
(СПАВ)
17
Распределение загрязняющих веществ в биосфере и их влияние на ее компоненты
При поступлении загрязняющих веществ в атмосферу происходит их рассеивание, которое определяется циркуляцией атмосферы. Характер движения
воздушных масс зависит от их температурного поля (распределения температур
вдоль поверхности Земли и по высоте), распределения давлений и плотностей
атмосферных фронтов. Поэтому кроме крупномасштабных воздушных течений,
перемещающих выбросы на сотни и тысячи километров, возникают многочисленные локальные (местные) циркуляции в нижних слоях атмосферы. Эти циркуляции связаны не только с состоянием атмосферы, но и с географическими,
геологическими и другими особенностями местности, где располагаются источники загрязняющих атмосферу выбросов.
Рельеф, городские постройки изменяют направление и скорость движения приземного слоя воздуха. Долины рек, вытянутые депрессии служат коридорами, по которым устремляются потоки воздуха, тогда как повышения рельефа могут служить препятствием и приводить к инверсии воздушного потока.
Штили и туманы могут способствовать выпадениям осадков вблизи источника
загрязнения на небольшой территории. В крупных промышленных центрах и на
прилегающих к ним территориях загрязнение атмосферы зачастую в десяткисотни раз выше в приземном слое воздуха, чем в верхних слоях атмосферы.
Обычно количество поллютантов убывает в степенной зависимости с
расстоянием от источника выбросов. Вблизи от импактного (локального) источника загрязнения выделяют обычно от трех до пяти зон с повышенным
(по сравнению с фоновым) в десятки и сотни раз уровнем содержания тяжелых металлов. Поскольку при устойчивом направлении ветров выбросы в
атмосферу от ряда источников загрязнения объединяются в общий шлейф, то
в нем, во-первых сглаживаются особенности отдельных источников, и, вовторых, образуются вторичные продукты трансформации загрязнений
(продукты их превращения). Поэтому при крупномасштабных рассеиваниях
выбросов от антропогенных источников в атмосфере находятся как первичные, так и вторичные источники загрязнения.
Атмосферные выбросы чаще всего представляют собой аэрозоли, т.е.
коллоидные системы. Одной из основных особенностей коллоидов является их
гетерогенность, т.е. они состоят не менее чем из двух фаз: частиц размером 0,11 мкм (дисперсионная фаза) и среды в которой они находятся (дисперсионной
среды). Вещества, составляющие разные фазы, отличаются по ряду свойств и
имеют реальную физическую поверхность раздела. Для коллоидных систем характерна свободная поверхностная энергия, а для отдельных частиц – наличие
определенного заряда. Именно с этими особенностями связан процесс сорбции
– концентрирование определенных веществ из дисперсионной среды на поверхности раздела фаз. Связь этих веществ с сорбировавшими их частицами
может быть сильной и сохраняться довольно продолжительное время.
Основная часть аэрозолей находится на высоте до 2 км над поверхностью Земли. Считается, что пыль в среднем держится в атмосфере 4-7 суток,
а вообще, в зависимости от размеров частиц пыли, продолжительность нахождения большинства аэрозолей колеблется от 1до 40 суток.
Небольшое количество аэрозолей, поднявшихся на высоты более 7 км,
попадает в струйные воздушные потоки, которые переносят аэрозоли на расстояния свыше 5 тыс. км. Они могут оставаться в воздухе до 14 лет, однако
количество таких аэрозолей сравнительно невелико.
18
Все коллоиды подвержены старению, например, за счет слипания частиц. В результате частицы, образующие их, вместе с сорбированными на них
веществами оседают на поверхность земли или, если они представляют собой водные суспензии, на дно водоемов.
В результате осаждения большого количества аэрозолей в черте городов в их почвах и растениях повышены концентрации многих химических
элементов, и в первую очередь металлов. Так, в относительно небольшом городе Новороссийске (менее 500 тыс. жителей), где практически отсутствуют
металлургические предприятия, превышение содержания в почвах металлов
по отношению к фоновому содержанию составляет на 36 км2: Sr – 2200, Zn –
1190, Pb – 1000, Cu – 262, Sn – 43, Mo – 7, Ag – 1 т.
Резкое повышение концентрации металлов в городских почвах наблюдается во всех крупных городах мира. Наиболее сильно увеличивается концентрация металлов в городах с преобладанием металлургических и химических предприятий.
Растительные и животные организмы (включая людей), живущие или
находящиеся продолжительное время в таких городах становятся более подверженными различным заболеваниям. У растений развиваются хлороз, некроз, суховеточность и суховершинность. У людей чаще всего возникают различные аллергические заболевания, а также болезни дыхательных путей и
легких. Аллергические заболевания и болезни дыхательных путей
(например, силикоз) часто вызываются также многими видами пыли антропогенного происхождения. При дальнейшем повышении концентрации тяжелых металлов, осаждающихся из аэрозолей, возникают расстройства
нервной системы, начинает проявляться четкая корреляция числа онкозаболеваний с концентрацией металлов. Ионы и частицы тяжелых металлов вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями.
Нужно заметить, что отрицательное воздействие какого-либо загрязняющего вещества не всегда пропорционально его массе. Так, миллиграммы
свинецсодержащих аэрозолей, находящихся в атмосфере городов и попадающие через легкие в организм человека, гораздо опаснее килограммов
природных глинистых частиц, переносимых в виде аэрозолей.
Кроме того, атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии.
При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах. Пыль и аэрозоли оказывают также заметное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны. Так, снижение потока солнечного
излучения уменьшает образование под действием УФ-лучей витамина D3,
недостаток которого вызывает заболевания рахитом. УФ-лучи оказывают
также стерилизующее действие уничтожая некоторые микроорганизмы, поэтому их недостаток повышает риск инфекционных бактериальных заболеваний как человека, так и животных и растений.
Загрязнение атмосферы оказывает отрицательное воздействие не только на окружающую среду и человека, но и в ряде случаев оказывает значительное влияние на процесс эксплуатации технических средств. Взвешенная
в воздухе пыль адсорбирует ядовитые газы, образуя плотный, токсичный туман (смог), который увеличивает количество осадков. Насыщенные серни19
стыми, азотистыми и другими веществами, эти осадки образуют агрессивные
кислоты. По этой причине скорость коррозионного разрушения машин и
оборудования во много раз увеличивается. Атмосферные загрязнения ускоряют разрушение строительных материалов, резиновых, металлических, тканевых и других изделий. При соответствующем составе и концентрации они
могут явиться причиной гибели растений и животных.
Поскольку при поступлении в окружающую среду вредных компонентов в составе газопылевых выбросов растительный покров является барьером, задерживающим техногенные потоки поступающие в почву, выделяют
зоны загрязнения и для растительного покрова. Экстремальные воздействия
газопылевых выбросов в конечном счете ведут не только к гибели растений,
но и эрозии и дефляции почв. В гумидных зонах в результате загрязнения
значительно повышается кислотность почв, увеличивается концентрация
токсичных веществ в почвенно-грунтовых водах, водах подчиненных ландшафтов, реках, пруда, озерах. Зона максимального загрязнения почвенного
покрова, угнетения и гибели растений за счет газопылевых выбросов имеет
протяженность до 5-10 км от источника выбросов, а нередко до нескольких
десятков километров. Под влиянием атмосферного загрязнения в значительной степени изменяется также флористический состав разных типов растительности: лиственных и хвойных лесов, болот, луговых угодий.
Конкретным примером изменения природной среды в зонах воздействия газопылевых выбросов предприятий цветной металлургии могут служить
медеплавильный завод (Средний Урал) и Норильский горнометаллургический комбинат. Визуальная оценка состояния растительности
показывает, что по степени деградации растительного покрова вокруг медеплавильного завода выделяются четыре зоны: с отсутствием или сильным
угнетением растительности (зона «техногенной пустыни»); средне угнетенная с наличием травянистого покрова; слабо угнетенная, характеризующаяся
суховершинностью хвойных пород деревьев; неповрежденная (фоновая). Исследования по определению содержания элементов-поллютантов в растениях
показали, что площадь первой зоны составляет в среднем 1,7 тыс. га. На территории «техногенной пустыни» естественный растительный покров отсутствует. Протяженность переходной к фоновой зоне значительно варьирует
для разных элементов и почти в 10 раз превышает площадь первой зоны.
Общая площадь загрязненных почв и растений составляет около 19 тыс. га.
При газопылевых выбросах поступление тяжелых металлов в растения
может происходить как воздушным путем с пылью, оседающей на листья и
стебли, так и за счет поглощения из почвы вследствие повышения в ней содержания доступных растениям соединений тяжелых металлов. По опубликованным данным, вместе с пылью на поверхности листьев вблизи источника может оседать около 30 % от общего количества тяжелых металлов. В понижениях рельефа и с наветренной стороны это количество может возрастать до 60 %. По мере удаления от источника роль атмосферного загрязнения
заметно уменьшается.
Растения неодинаково накапливают тяжелые металлы и обладают определенными защитными функциями от неблагоприятных воздействий, в
том числе от газопылевых выбросов, содержащих токсичные для растений
компоненты. Об этом свидетельствуют соотношения накопления меди в почвах и растениях. Если содержание меди в загрязненных почвах вблизи завода
увеличивается в 25-40 раз по сравнению с фоном, то возрастание содержания
меди в растениях не столь значительно: от 4-х кратного (хвоя сосны) до 9-ти
20
кратного (в хвоще). Хвоя сосны и ели на загрязненной территории накапливает меньше меди, чем кора.
Наиболее устойчивы к загрязнению травянистые рудеральные фитоценозы (т.е. растущие на мусорных свалках, пустырях), образованные сорными видами разнотравья (мать-и-мачеха, хвощ, латук, пырей). Из древесных пород в
насаждениях наиболее устойчивы к загрязнению береза, ива, осина; из хвойных
– сосна. Из естественных фитоценозов наиболее устойчивы к загрязнению сосново-березовые, злаковые и разнотравные ассоциации. Наиболее активными
накопителями тяжелых металлов являются мхи, лишайники, грибы.
Таким образом, при загрязнении атмосферы газопылевыми выбросами
промышленных предприятий на величину концентрации вредных примесей
влияют скорость и направление ветра, влажность и температура воздуха,
особенности рельефа и характер поверхности. Растительность же может
служить индикатором загрязнения окружающей среды.
Устойчивость природных систем
Характер и степень влияния загрязняющих веществ на общую экологическую обстановку, отдельные биогеоценозы и компоненты биосферы неодинаковы в различных природных зонах. Природные экосистемы обладают способностью противостоять как колебаниям обычных природных факторов, так и изменениям условий существования под влиянием антропогенных воздействий.
При экологических исследованиях широко используется понятие
«устойчивость»: устойчивость вида, устойчивость сообщества или ландшафта. В наиболее общем понимании устойчивость – способность системы сохранять свои свойства при внешних воздействиях. Под одним термином
«устойчивость» часто понимают два явления: 1) нечувствительность объекта
к внешнему воздействию (или резистентность) и 2) способность системы
возвращаться в исходное состояние после прекращения воздействия.
Равновесие в живой природе существует как между организмами сообщества, так и между организмами и окружающей их средой. Равновесие
между организмами и окружающей их неживой средой называется естественным, при этом экосистема сохраняет свое стабильное состояние и некоторые параметры неизменными, несмотря на внешнее воздействие. Это равновесие не статично, а динамично, представляя движение вокруг точки устойчивости. Если эта точка не меняется, то такое состояние называется гомеостазом (“гомео” – тот же, “стасис” – состояние). Гомеостаз – механизм,
посредством которого живой организм, противодействуя внешним воздействиям, поддерживает параметры своей внутренней среды на таком постоянном уровне, который обеспечивает нормальную жизнь. Переход от одного
устойчивого равновесия к другому через неравновесные точки, т.е. под воздействием внешних изменений называется устойчивым развитием.
В природе менее устойчивые экосистеме сменяются на более устойчивые.
Их смена определяется тремя факторами: 1) упорядоченным процессом развития экосистемы – установлением в ней стабильных взаимоотношений между
видами; 2) изменением климатических условий; 3) изменением физической среды под влиянием жизнедеятельности организмов, составляющих экосистему.
Последовательная смена во времени одних экосистем другими на определенном участке земной поверхности называется сукцессией (от лат.
“преемственность”). Сукцессии подразделяются на первичные и вторичные.
Первичные сукцессии развиваются на лишенном жизни месте, где условия су21
ществования поначалу не являются благоприятными. Вторичные сукцессии
проходят на участке, в предшествующее время уже занятом хорошо развитым
сообществом (под влиянием внутренних факторов – жизнедеятельности организмов), или под воздействие внешних причин (стихийных бедствий – пожаров,
наводнений, или в результате деятельности человека). Если сукцессия происходит вследствие внутренних взаимодействий, то ее называют аутогенной, если
она является результатом внешнего воздействия – аллогенной.
Примером первичной сукцессии является зарастание песчаных дюн
или лавовых потоков. Сначала на голых дюнах появляются самые неприхотливые растения, которые мы обычно называем сорняками. Это растенияпионеры. Затем появляются кустарники, потом – сосна, а после этого лиственные породы деревьев. Вместе с первыми растениями появляются и первые насекомые (например, кузнечики, как растительноядные) и пауки (как
хищники). Потом к первым поселенцам прибавляются муравьи, жуки, бабочки и т.д. Вслед за насекомыми появляются птицы и мелкие млекопитающие,
а затем и крупные животные. Развитие, начавшееся в сухом и бесплодном
месте, заканчивается образованием стабильной лесной экосистемы с мощной, богатой гумусом почвой, с разнообразным животным миром. Главную
роль в развитии экосистемы играют растения. Вызываемые ими изменения в
почве служат основой для смены видового состава сообщества.
Примером вторичной сукцессии под влиянием внутренних факторов может служить процесс зарастания озера. Под воздействием жизнедеятельности
населяющих его организмов озеро медленно наполняется мертвым органическим веществом. Кроме того, в озеро могут поступать осадочные материалы.
Постепенно глубина озера уменьшается и, в конце концов, оно превращается в
болото, а затем и в сушу. Скорость процесса зарастания зависит от начальной
глубины озера и от скорости образования органического вещества.
Таким образом, сукцессии проходят через фазу обнажения (появления
незаселенного пространства), миграции (заселения ее первыми поселенцами
– пионерами), колонизации и приспособления к конкретным условиям обитания, соревнования (конкуренции с вытеснением ряда видов-пионеров) и
реакции (обратного воздействия сообществ на биотоп и условия среды) к
стабилизации. Стабильное, устойчивое состояние сообщества, адаптированного к внешним условиям, называется климаксом. Последовательность сообществ, сменяющих друг друга в данном пространстве, называется серией; переходные сообщества – сериальными стадиями или стадиями развития.
Для развития сообществ необходим длительный период времени. Так
для зарастания песчаной дюны – около 1000 лет, для возобновления леса на
месте вырубленного – от 100 до 200 лет, для восстановления нарушенного
растительного покрова степи – более 50 лет, т.е. скорость изменений в природных экосистемах очень мала.
Сукцессия представляет собой естественный процесс развития экосистемы.
В современных условиях происходит постоянный рост антропогенной нагрузки на
природные экосистемы, что приводит к относительно быстрым изменениям их
структуры, которые принято называть экологическими модификациями.
Анализ изменений в отдельных элементах биоценоза не может дать представлений об адаптационных реакциях биоценоза в целом. Это позволяет сделать оценка комплекса целенаправленных, высокоорганизованных процессов
непрерывного обмена веществом и энергией между биоценозом и его средой,
которая носит название метаболизма биоценоза. Увеличение интенсивности
22
метаболизма может рассматриваться как прогресс в развитии биоценоза и соответствует состоянию так называемого метаболического прогресса; напротив,
снижение интенсивности метаболизма – метаболическому регрессу. На основании анализа изменений в биоценозах выделяют три общих направления метаболического прогресса, относящихся к экологическим модификациям:
экологический прогресс;
экологический регресс;
экологические модуляции.
Экологический прогресс характеризуется увеличением видового разнообразия, повышением устойчивости к внешним воздействиям, усложнением
межвидовых отношений, усложнением временной структуры, удлинением
жизненного цикла организмов.
Экологический регресс также характеризуется увеличением скорости обмена биогенных веществ с окружающей средой, увеличением продукции. Однако видовое разнообразие уменьшается, падает устойчивость биоценоза к
внешним воздействиям, межвидовые отношения, пищевые сети, временная
структура упрощаются, снижается продолжительность жизни организмов. Примером может быть загрязнение водной экосистемы органическими веществами.
Экологические модуляции, представляют собой такие перестройки организации биоценоза, которые не изменяют метаболического уровня его организации. В этом случае происходит смена доминирующих видов, состав
руководящих комплексов, общая смена видов.
Выделение этих направлений метаболического прогресса позволяет определить, как влияют на биоценозы антропогенные воздействия, прежде всего
загрязнение окружающей среды. Хотя экологические модификации носят приспособительный характер, под влиянием антропогенного воздействия возникают и развиваются экосистемы, существенно отличающиеся от природных нарушением сбалансированности основных экологических групп. Они могут быть
преимущественно консументными, продуцентными или редуцентными. Примером консументных экосистем могут быть городские экосистемы, продуцентных
– посевы высокопродуктивных сельскохозяйственных культур, редуцентных –
водные экосистемы, загрязненные органическим веществом.
Эффект воздействия существенно зависит от того, какие техногенные
вещества поступают в биоценоз, мигрируют в нем либо сразу исключаются
из ценоза. В соответствии с этой схемой техногенные вещества разделяют на
геохимически активные и геохимически пассивные. Геохимически активные могут быть токсичными или не токсичными, а геохимически неактивные могут быть практически инертными (не ухудшать состояние среды).
При оценке устойчивости экосистем к химическому загрязнению особое значение имеет устойчивость почв. Это связано с тем, что почвы являются практически невосполнимым ресурсом жизнеобеспечения на планете,
кроме того, именно почвы могут выполнять протекторную роль по отношению к природным водам, атмосфере и растительности. Но в то же самое время, выполняя защитные функции, почвы могут стать основным источником
многих химических веществ, загрязняющих природные воды и опасные для
растений. В их числе избыточные концентрации нитратов и фосфатов, пестициды, тяжелые металлы, фториды.
Почвы существенно различаются по устойчивости к химическому загрязнению. Аккумуляция поступающих в них химических веществ зависит
от таких свойств почвы, как содержание гумуса, механический состав, карбонатность, реакция среды, емкость поглощения. Очень большое влияние
23
оказывает водный режим. Устойчивость к загрязнению существенно зависит
от строения почвенного профиля, от наличия почвенно-геохимических барьеров, способных задерживать загрязняющие вещества.
При оценке возможности самоочищения почв необходимо знать процессы, способствующие выносу техногенных веществ за пределы почвенного профиля. Способность к самоочищению существенно зависит от водного
и теплового режимов, сорбционных свойств, биохимической активности гумусового горизонта. Значительное влияние оказывает степень дренированности территории, величина поверхностного и грунтового стока, соотношение количества осадков и испарения.
В число важнейших процессов, обусловливающих распределение различных элементов в почвах, входят: 1) выщелачивание из почвы; 2) осаждение; 3)
включение в минералы; 4) адсорбция компонентами почвы; 5) сорбция органическим веществом. В почвенной среде одновременно протекают разнообразные
процессы взаимодействия между твердыми и газообразной фазами почвы, живым веществом и почвенным раствором, от которых зависят доминирующая
форма соединения элемента и характер его распределения между фазами.
Допустимая антропогенная нагрузка на окружающую среду
Выделяют два различных понятия: «допустимые антропогенные воздействия» и «допустимые антропогенные нагрузки» на природные экосистемы, окружающую среду и биосферу.
Любая возникающая за счет какого-либо воздействия нагрузка в экологической системе, способная вывести ее из естественного (нормального) состояния, определяется как экологическая нагрузка. Если экологическая нагрузка не вызовет
нежелательных последствий, изменений у обитающих на земле организмов, и в
первую очередь у человека, а также не приведет к ухудшению (слабому или существенному) качества природной среды, ее можно считать допустимой.
Под допустимым антропогенным воздействием на окружающую природную среду следует понимать воздействие, складывающееся из отдельных
однородных и разнородных воздействий, которое не влияет на качество окружающей среды или изменяет природную среду в допустимых пределах, т.е. не
разрушает существующую экосистему и не вызывает неблагоприятных последствий у важнейших популяций, в первую очередь у человека.
Понятие допустимого воздействия связано со следующими представлениями:
• о высоком и приемлемом качестве природной среды;
• о допустимых и критических реакциях экосистем, других элементов биосферы на воздействия и о состоянии экосистем в интервалах, ограниченных такими реакциями;
• о допустимых и критических величинах факторов воздействия, соответствующих допустимым или критическим состояниям систем в любой точке,
а также усредненных по пространству – для отдельного организма, популяции, сообщества, экосистемы, биосферы в целом;
• о допустимых колебаниях качества природной среды;
• о допустимых и критических нагрузках на организм, популяции, сообщества, экосистемы, биосферы в целом.
Следует принимать во внимание два уровня воздействия вредных факторов на природные системы:
24
• уровень критического воздействия (начиная с которого может иметь место гибель или необратимая деградация данной системы, например, выпадение каких-либо видов);
• уровень допустимого воздействия, существенно отличающийся от критического. В этом случае речь идет о сравнительно небольших изменениях
качества природной среды, не влияющих на нормальное функционирование экосистем и отдельных популяций, об оценке интенсивности
(величины) факторов воздействия, не приводящих к значительным изменениям в пределах границ, называемых допустимыми.
Для того чтобы поддерживать состояние экологического благополучия,
необходимо, чтобы допустимое воздействие соответствовало допустимой
нагрузке. Следовательно, нужно знать количественные характеристики, т.е.
величины как антропогенных воздействий, так и антропогенных нагрузок.
Величина воздействия зависит от того, какие пределы считать допустимыми. Последнее определяется целями, которыми задается человек при сознательном и неравномерном воздействии на окружающую природную среду.
Подходы при определении допустимых воздействий, а следовательно,
и допустимых нагрузок на сообщество, экостистему отличаются от санитарно-гигиенического подхода. При выработке нормативов ПДК для человека
предусматривается весьма жесткий критерий – отсутствие в настоящем и будущем каких-либо отклонений состояния здоровья человека от нормы и любых заметных реакций у него на воздействие. Задачей экологического нормирования, являющегося этапом стратегии регулирования качества окружающей природной среды, является защита природных экологических систем и биологических сообществ в целом.
Нормы допустимого воздействия, как и другие экологические нормы,
не являются едиными для любого типа экосистем, а также для любых климато-географических условий.
Определение пределов допустимого воздействия тесно связано со многими областями экологии, прежде всего с экологическим нормированием, с
оценкой риска, с экотоксикологией.
Разработка нормативов допустимых уровней загрязнения окружающей
среды она требует знания путей распространения, трансформации, возможного накопления ингредиента, характера его взаимодействия с биотической
и абиотической составляющими биосферы, соотношения между концентрациями загрязнений различных сред и возможными скоростями поступления
этого ингредиента из различных сред в организмы животных и человека –
при установившемся равновесии или при отсутствии его. Таким образом, для
разработки нормативов допустимого воздействия необходимо провести комплекс работ по изучению характера и закономерности распространения, накопления, деструкции, биоаккумуляции, трофических превращений загрязняющих веществ, их трансформации в экосистемах, перехода из одной среды
в другую в локальном, региональном и глобальном масштабах.
Понятие о ПДК
Проблема сохранения окружающей среды в каждой стране решается в
соответствии с особенностями ее социального устройства и уровня развития
производства. Даже в экономически развитых странах в подавляющем большинстве современных производственных процессов пока еще используют
открытые технологические циклы, которые не исключают выбросов вредных
25
веществ в окружающую среду. Если в стратегическом плане максимальное
внимание отраслевой науки должно быть уделено разработке безотходных
технологий с комплексной переработкой сырья в замкнутых производственных циклах, то сохранение качества окружающей среды при использовании
технологий сегодняшнего дня требует разработки эффективных сооружений
для очистки и обезвреживания промышленных стоков, выбросов и отходов и
строгого нормирования поступления в биосферу тех или иных токсикантов .
В России оценка качества окружающей среды основана на системе природоохранных норм и правил роль которых сводится, с одной стороны, к оценке ее качества, с другой стороны – к установлению лимитов на источники вредного воздействия. Чем меньше пороговая величина экологических нормативов,
тем выше качество окружающей природной среды. Однако более высокое качество требует соответственно более высоких затрат, эффективных технологий и
высокочувствительных средств контроля. Поэтому нормативы качества можно
рассматривать как компромисс, достигнутый между экономикой и экологией и
позволяющий развивать хозяйственную деятельность и охранять природную
среду, жизнь и здоровье людей. По мере подъема уровня развития общества
нормативы качества имеют тенденцию к ужесточению.
Нормативы качества подразделяются на:
1. Медицинский показатель, который определяет пороговый уровень угрозы
здоровью человека, его генетической программе;
2. Технологический показатель, который характеризует способность экономики обеспечить выполнение установленных пределов воздействия на человека и среду его жизни;
3. Научно-технический показатель, который определяет возможность научно-технических средств контролировать соблюдение воздействия на компоненты природной среды и человека.
Все нормативы качества утверждаются компетентными органами, которыми в нашей стране являются Министерство здравоохранения и Государственный комитет РФ по охране окружающей среды.
Основными экологическими нормативами являются:
1. предельно допустимая концентрация (ПДК). ПДК – это такое содержание
вредного вещества в окружающей среде, которое при постоянном контакте или
при взаимодействии за определенный промежуток времени практически не
влияет на здоровье человека и не вызывает неблагоприятных последствий у его
потомства. При определении ПДК учитывается не только влияние загрязняющего вещества на здоровье человека, но и его воздействие на животных, растения, микроорганизмы, а также на природные сообщества в целом;
В настоящее время установлены ПДК загрязняющих веществ для воздуха, воды, для пищевых продуктов и кормов и сравнительно недавно начаты исследования по разработке ПДК загрязняющих веществ для почвы.
2. предельно допустимый уровень воздействия (ПДУ). Он относится к физическим видам загрязнения (тепло, электрические поля, шум, вибрация и т.д.)
3. Для обеспечения охраны воздушной среды установлена еще одна нормативная величина, характеризующая объем вредных веществ, выбрасываемых
в атмосферу отдельными источниками загрязнения – предельно допустимый выброс (ПДВ). ПДВ – это объем (количество) загрязняющего вещества,
выбрасываемого отдельным источником за единицу времени, превышение
которого ведет к превышению ПДК в среде, окружающей источник загряз26
нения, и, как следствие, к неблагоприятным последствиям в окружающей
среде и риску для здоровья людей.
ПДВ устанавливают для каждого предприятия, при этом принимается
во внимание перспектива развития промышленного производства в этом
районе, расположение уже действующих предприятий и жилой застройки,
географические и климатические условия местности, расположение санитарно-защитных и рекреационных зон.
Если в воздухе города концентрации вредных веществ превышают
ПДК, а их выбросы по причинам объективного характера не могут быть в
данный момент снижены до уровня ПДВ, в городе может быть введено поэтапное снижение выбросов вредных веществ действующими предприятиями до значений, обеспечивающих ПДК вредных веществ, или до полного
прекращения выбросов. На каждом этапе до обеспечения величин ПДВ устанавливают так называемые временно согласованные выбросы (ВСВ) по аналогии с предприятиями, близкими по мощности и типу производства, с наиболее прогрессивной технологией. Наряду с ПДК для контроля за промышленными выбросами пользуются рядом дополнительных характеристик, в
том
числе
ДОК
(допустимое
остаточное
количество),
ОБУВ
(ориентировочный
безопасный
уровень
воздействия),
ОДК
(ориентировочная допустимая концентрация).
Понятие об экологическом риске
Одним из приемов оценки качества окружающей природной среды является
оценка риска, создаваемого загрязнениями для окружающей среды и человека.
Под риском понимается вероятность возникновения определенного
повреждения, ущерба, наносимого окружающей среде и человеку в результате техногенного воздействия. Таким образом риск является вероятностной
характеристикой той угрозы, которая возникает для окружающей среды и
человека при возможных антропогенных воздействиях или других событиях.
Оценка риска подразумевает оценку вида и степени угрозы, понимание
опасности или возможного ущерба, связанного с воздействием.
Характеристика риска включает количественную оценку негативного
воздействия параметров среды на здоровье людей и качественную характеристику снижения благосостояния общества, обусловленного разрушением
материальных и природных условий.
Первым шагом при оценке уровня риска является определение реальной опасности (вреда) для человека и окружающей среды. Попытка определения опасности сводится к сбору и анализу информации о потенциальном
негативном воздействии параметров среды на здоровье человека и компоненты окружающей среды. На основе этих данных определяется вероятность
возникновения данного неблагоприятного явления и вероятность неблагоприятных последствий.
Вторым шагом при оценке риска является определение связи между
дозой воздействия и вероятной реакцией на это воздействие. Этот этап основывается на анализе потенциальной количественной информации о воздействии загрязняющих веществ на здоровье человека.
Оценка вредного воздействия химического вещества на человека, на
компоненты природной среды включает определение величины, частоты и
продолжительности воздействия. Результатом оценки вредного воздействия
является количественная оценка риска.
27
При оценке воздействия часто используется метод районирования, т.е.
условное деление территории на участки, характеризующиеся определенными показателями качества воды, воздуха, почвы, общей численности населения и определенных его категорий (дети, пожилые люди и т.п.). На этой стадии выявляются точки контакта с загрязняющими веществами, источники
загрязнения, пути поступления загрязняющих веществ в организм человека,
возможные виды и механизм неблагоприятного воздействия.
Экологическая обстановка может классифицироваться по возрастанию
степени экологического неблагополучия следующим образом: 1) относительно удовлетворительная; 2) напряженная; 3)критическая; 4) кризисная
(зона чрезвычайной экологической ситуации); 5) катастрофическая (зона
экологического бедствия).
В 1994 г выделены зоны со следующими степенями экологического
неблагополучия:
• кризисная обстановка – в городах Каменск-Уральский (Свердловская область), Магнитогорск (Челябинская область), Чапаевск (Самарская область), Новочеркасск (Ростовская область);
• экологическое бедствие – в г. Карабаше (Челябинская область), в районе
Чернобыльской АЭС и в регионе Черных земель Калмыкии.
В частности, в городе Карабаш выявлено наиболее высокое загрязнение
тяжелыми металлами под воздействием медеплавильного комбината – старейшего предприятия Урала. Отсутствует очистка выбросов в атмосферу. Наибольшее накопление тяжелых металлов происходит в почвенно-растительном
слое. На расстоянии 3 км от города содержание меди в нем выше, чем на контрольном участке (130 км от города) в 350 раз, свинца – в 85 раз, кадмия – в 25
раз, никеля и цинка – в 2 раза. Обнаружены значительные концентрации ртути.
Вокруг города выделены территории экологического бедствия площадью
2
30 км , экологического кризиса – около 90 км2 и экологического риска – около
200 км2. Картофель, выращиваемый жителями, имеет высокое содержание
свинца (0,6-1,0 мг/кг при допустимом уровне 0,5), мышьяка (0,06-0,3 мг/кг при
допустимом уровне – 0,2), меди (3,8-11,2 мг/кг при допустимом уровне –5,0).
В городе в 1,5-1,7 раза выше, чем в контрольной группе, мертворождаемость и другие патологии. В организме детей выявлено накопление токсичных металлов, в волосах содержание свинца выше допустимых в США и
других странах уровней (8-9 мг/г), что свидетельствует о возможном изменении психомоторных показателей здоровья у детей.
Приоритетность наблюдений за химическими загрязняющими
веществами
Нормативные материалы по опасным химическим веществам, помимо
ПДК, включают также классификацию в зависимости от их различных характеристик: токсичности, мутагенности и других.
Токсичность – это способность вещества оказывать вредное или даже
смертельное воздействие на живой организм. В последнее время принято
считать, что не существует токсичных веществ, а только токсичные концентрации, т.е. при определенной концентрации практически любое химическое
соединение и любой химический элемент становится токсичным.
Мутаген – любой фактор, вызывающий мутацию, т.е. резкое наследственное изменение организмов.
28
Канцерогены – физические, химические, биологические вещества или
агенты, способствующие развитию злокачественных новообразований или
их возникновению. В настоящее время в биосфере известно более 500 канцерогенных веществ. Среди химических компонентов наиболее экологически
опасными являются полициклические ароматические углеводороды
(бенз(а)пирен, диметил и др.), нитрозосоединения, эпоксиды, амины и пр.
Самым сильным канцерогеном среди известных веществ является
бенз(а)пирен. Синтез его происходит при перегонке угля, нефти, сланцев,
при сгорании их в отопительных системах, в двигателях внутреннего сгорания автомобилей, при сжигании бытовых отходов и .т.д.
На территории РФ в 1985-1990 гг. наиболее высокие концентрации
бенз(а)пирена (10-15 ПДК) фиксировались в городах, где имеются крупные
заводы по производству алюминия (Братск, Красноярск, Новокузнецк). Уровень загрязнения в 6-10 ПДК характерен для городов с предприятиями черной металлургии (Магнитогорск, Мариуполь, Челябинск). Оценка антропогенного выброса для всей территории страны составила 127 т/г, из них на
черную и цветную металлургию пришлось около 40 %, на бытовое отопление – 26 %, на химическую промышленность – 16 % и т.д.
Большинство канцерогенных веществ одновременно является и мутагенными, т.е. вызывающими появление мутаций. К мутагенам относятся многие
пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды, вирусы, бактерии и пр. Причем
канцерогены и мутагены способны увеличивать свои концентрации при движении по трофическим цепям. Поэтому особое значение приобретает контроль за
состоянием канцерогенного загрязнения окружающей природной среды.
В различных сферах природопользования используют классы опасности, в которых учтены особенности влияния и поведения химических веществ в соответствующих средах.
Оценка опасности химических соединений проводится на основе
анализа и учета токсикологических параметров, величин ПДК, способности
к материальной кумуляции и характеристик «поведения» вещества.
Под поведением химического вещества в окружающей среде понимают способность вещества изменять свою структуру и химические характеристики, вступать во взаимодействие с различными компонентами окружающей среды, сохраняться в неизменном виде, а также сохранять стабильность
биологически активных метаболитов, мигрировать в данной среде на определенные расстояния или мигрировать в сопредельные среды.
По поведению вещества могут быть подразделены на:
• практически не трансформируемые;
• вещества, метаболиты которых, вступая в сложные соединения с природными компонентами, в основном органическими, меняют характер и интенсивность воздействия на биоту; токсичность при этом может возрастать;
• подвергающиеся деградации в природных средах до простых соединений;
их метаболиты могут быть более токсичны, чем исходные вещества, а конечные продукты распада могут выходить из круговорота веществ или
включаться в него.
Поведение вещества характеризуется также сроками его разрушения
(стабильностью).
Поведение химических веществ (их соединений) в биосфере
(содержание, распределение, а часто и форма нахождения в различных час-
29
тях ландшафтов) определяется в основном ландшафтно-геохимическими
особенностями данного участка биосферы.
Общая оценка состояния окружающей среды
По оценке Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), из более
чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до
500 тыс. соединений; из них около 40 тыс. обладают вредными для человека
свойствами, а 12 тыс. являются токсичными.
К концу ХХ в. загрязнение окружающей среды отходами, выбросами,
сточными водами всех видов промышленного производства, сельского хозяйства, коммунального хозяйства городов приобрело глобальный характер
и поставило человечество на грань экологической катастрофы.
Главную опасность представляет загрязнение атмосферы. На величину
концентрации вредных примесей в атмосфере влияют метеорологические
условия, определяющие перенос и рассеивание примесей в воздухе, например, смена направления и скорости ветра. Оборудование и технологии, применяемые для улавливания и обезвреживания выбросов вредных веществ в
атмосферу, совершенствуются крайне медленно, в связи с чем основная доля
улова приходится на менее опасные для здоровья населения твердые вещества, в то время как газообразные и жидкие улавливаются лишь на 25 %.
Потребление минеральных и органических сырьевых ресурсов за последние десятилетия резко возросло: в 1913 г. на одного жителя Земли ежегодно
расходовалось 5 т минерального сырья; в 1940 –7,4; в1960 –14,3; а в 2000 г. потребление может достичь 40-50 т. Соответственно возрастают и объемы отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения.
Так например, по совокупности техногенной и радиационной нагрузки
Уральский регион не имеет аналогов не только в нашей стране, но и в мире.
При том, что площадь его составляет всего 4,7 % общероссийской, а численность населения – 13,7%, “вклад” региона в загрязнение атмосферы стационарными источниками лишь на протяжении 1990-1996 гг. колебался от 23
до26 % (первое место в стране).
По данным государственного доклада РФ о состоянии окружающей
природной среды Уральский регион занимает первое место в России по валовым выбросам вредных веществ в атмосферу. Из 83 городов России, по
которым наблюдались максимальные концентрации загрязняющих веществ,
превышающие ПДК в 10 и более раз, 15 городов – уральские. Четыре города
– Екатеринбург, Курган, Магнитогорск, Нижний Тагил – включаются в общероссийский список городов с наибольшими уровнями загрязнения более 5
лет подряд. Наибольший вклад в суммарные выбросы вносят предприятия
Свердловской (30 %) и Челябинской (27 %) областей.
Большая часть территории Уральского региона испытывает недостаток в
водных ресурсах. Качество поверхностных водных источников, особенно тех,
что расположены ниже крупных промышленных центров – Екатеринбурга,
Перми, Челябинска и др., крайне неудовлетворительно и оценивается по системе, принятой в Госкомгидромете, наихудшими пятым и шестым классом (вода
“грязная” и “очень грязная”). Загрязнены и многие подземные источники.
Опасным источником загрязнения окружающей среды являются свалки промышленных и бытовых отходов, расположенные зачастую прямо в
черте городов и поселков. По данным Госкомстата РФ на 1 января 1997 г. в
Уральском регионе было размещено около 400 млн. т. различных токсичных
30
отходов всех классов опасности, из которых почти 40 % на территории
Свердловской области. Масса отходов только по Свердловской области составила 3,4 тыс. т/км2, по Челябинской и Оренбургской областям – 0,7 тыс., в
Башкортостане – 0,5 тыс. т/км2 (тот случай, когда масса отходов превышает
0,5 тыс. т/км2, считается критической ситуацией).
Особую тревогу вызывают отходы относящиеся к первому классу опасности (отходы гальванических производств, а также содержащие ртуть, хром,
хлорорганику и т.п.) Ежегодно на местных предприятиях их образуется 65,6 %
от общего количества по России. Вместе с тем в регионе эксплуатируется 146
шламонакопителей и прудов-отстойников с токсичными промышленными отходами суммарным объемом более 900 млн. м3. Многие из них расположены на
водоразделах и в верховьях рек, из-за чего в случае крупных аварий может произойти загрязнение окружающей среды за пределами Урала.
Таким образом, проблема утилизации промышленных отходов, среди которых много высокотоксичных, выдвигается на первый план. Другие неблагоприятные факторы – усиливающаяся эрозия и деградация земель, занятых сельскохозяйственными угодьями, загрязнение и истощение лесных массивов, недостаточный объем работ по лесовосстановлению и рекультивации земель.
Тема 3
Принципы и задачи почвенного мониторинга.
Источники и проблемы загрязнения почв.
Влияние загрязнения биосферы на загрязнение почв.
Миграция химических элементов в почвенном профиле
Принципы и задачи почвенного мониторинга
Почвенный покров представляет систему наименее динамичную и более
буферную, чем атмосферный воздух или водоемы, поэтому методы исследования его существенно отличаются от методов анализа других природных систем.
Одна из особенностей почвы состоит в том, что она накапливает информацию о
происходящих процессах и изменениях и поэтому может служить своеобразным свидетелем не только сиюминутного, мгновенного состояния среды, но и
отражать прошлые процессы. Поэтому, когда мы говорим о почвенном мониторинге, то должны ясно представлять ее особую роль в биосфере.
Почвенный покров практически незаменим, его восстановление в естественной природной среде требует сотен лет, а искусственное возобновление
стоит очень дорого. Вместе с тем тонкая почвенная оболочка Земли, геомембрана или геодерма, выполняет ряд важнейших экологических функций,
влияя на качество и атмосферного воздуха, и наземных и подземных вод.
Поэтому почвенный мониторинг имеет более общий характер и открывает
больше возможностей для решения прогностических задач.
Принято считать, что почвы и почвенный покров Земли выполняют, по
крайней мере, семь важнейших глобальных и экологических функций:
1. функция жизни на Земле, которая обусловлена тем, что почва аккумулирует в доступных формах элементы питания, запасы воды, создает оптимальные условия для укоренения растений, обитания микроорганизмов,
позвоночных и беспозвоночных животных;
2. обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговорота веществ. Сущность этой функции состоит в том, что биогеохимические циклы практически всех элементов, осо31
бенно биофилов, и циклы воды в биосфере осуществляются через почву,
которая выступает и как регулирующий механизм этих потоков, и как аккумулятор элементов и веществ на поверхности Земли;
3. регулирование состава атмосферы и природных вод. Почва поставляет в
атмосферу путем эмиссии многие газы: диоксид углерода, различные оксиды азота и др. Почва способна поглощать из атмосферы многие газы.
При сухой погоде почва может непосредственно адсорбировать до 40-60
% всего количества SO2, поступающего в почву из атмосферы. Вместе с
тем почвы задерживают миграцию тяжелых металлов, нитратов, пестицидов, других органических поллютантов в подземные воды, воды источников и ручьев, предохраняя их тем самым от загрязнения. Задерживаются в
почве и крупные механические примеси. Такое протекторное действие
почвенного покрова обусловлено поглотительной способностью почв;
4. регулирование интенсивности биосферных процессов, в частности плотности и продуктивности населяющих поверхность почвы организмов;
5. накопление на земной поверхности органического вещества – гумуса и
связанной с ним энергии;
6. защита литосферы от излишне интенсивного воздействия экзогенных факторов, вызывающих разрушение горных пород; благодаря этому обеспечиваются нормальные темпы геологической денудации суши, предупреждается (приостанавливается) слишком быстрый вынос продуктов выветривания горных пород в мировой океан;
7. почва – незаменимый природный ресурс, поскольку именно почва посредством живых организмов обеспечивает человека продовольствием, топливом,
строительными материалами, сырьем для многих видов промышленности.
Учитывая все эти многообразные функции, приходится говорить не
только о почвенно-химическом мониторинге, но и специально разрабатывать
основы экологического почвенного мониторинга. К сожалению, до сих пор
нет согласованных программ всех видов мониторинга.
В основе почвенного мониторинга в целом должны лежать следующие
принципы:
1. разработка методов контроля за наиболее уязвимыми свойствами почв,
изменение которых может вызвать потерю плодородия, ухудшение качества растительной продукции, деградацию почвенного покрова;
2. постоянный контроль за важнейшими показателями почвенного плодородия;
3. ранняя диагностика негативных изменений почвенных свойств;
4. разработка методов контроля за сезонной динамикой почвенных процессов с целью прогноза ожидаемых урожаев и оперативного регулирования
развития сельскохозяйственных культур, изменением свойств почвы при
длительных антропогенных нагрузках.
Наиболее уязвимых свойств почв и особо опасных процессов немного,
некоторые их них проявляются только в конкретных почвенно-климатических
зонах. Общими для многих почв является потеря гумуса, увеличение кислотности и щелочности, неблагоприятные изменения состава обменных катионов,
эрозия и дефляция, загрязнение почв пестицидами, детергентами и другими органическими соединениями, угнетение почвенной биоты.
Меньшее значение имеют засоление и осолонцевание, проявляющиеся
в степных и аридных условиях, загрязнение нефтепродуктами в районах
нефтепромыслов и нефтеперерабатывающих предприятий.
Эрозия и дефляция развиты практически повсеместно, но проявляются
в разных степенях. Контроль за этими явлениями необходим прежде всего
32
для того, чтобы своевременно предупредить недопустимые потери почвенной массы. Загрязнение нефтепродуктами проявляется локально, но чрезвычайно опасно, поскольку при высоких уровнях загрязнения почва превращается в бесплодную асфальтоподобную массу.
При почвенном мониторинге, в отличие от мониторинга атмосферы и
гидросферы, особенно важным становится ранняя диагностика неблагоприятных изменений свойств почвы. Почвы обладают довольно высокой буферностью по отношению к различным экзогенным нагрузкам, в том числе они
сопротивляются изменению реакции среды, изменению содержания доступных растениям элементов питания и токсичных компонентов, окислительновосстановительного потенциала, емкости поглощения и пр. Поэтому при
возникновении негативных процессов изменения свойств почв выявляются
не сразу, а лишь тогда, когда ухудшение показателей зашло уже слишком далеко. Так, при постепенном подъеме уровня засоленных почвенно-грунтовых
вод постепенно нарастает и степень засоления почв, но на урожае и качестве
сельскохозяйственной продукции это начинает сказываться только тогда, когда степень засоления превысила опасный предельный уровень. Одновременно могут возрасти щелочность, степень солонцеватости почвы, угнетение
почвенной биоты. Восстановление благоприятных свойств почвы в этом
случае потребует уже больших затрат и материальных ресурсов.
Источники и проблемы загрязнения почв, ПДК загрязняющих веществ в почве
От других компонентов биосферы почва отличается тем, что загрязняющие вещества поступают в нее не только с атмосферными выпадениями,
поливными водами, в составе балластных веществ и различных отходов, но и
вносятся преднамеренно, как удобрения или ядохимикаты. При этом в почвах сложно проследить тенденции изменения уровней загрязнения, так как
для этого требуются длительные наблюдения. Исключение составляют лишь
некоторые виды пестицидов, способные быстро разлагаться под воздействием внешних факторов.
Принципы нормирования химических загрязнений почвы несколько
отличаются от принятых для атмосферного воздуха и природных вод, поскольку поступление вредных веществ в организмы человека и животных
непосредственно из почвы происходит в исключительных случаях и в незначительных количествах. В основном химические соединения, находящиеся в
почве, поступают в организм через другие субстраты, контактирующие с
почвой – воду, воздух, растения. Поэтому при определении ПДК загрязняющих веществ в почве особое внимание уделяется тем соединениям, которые
могут мигрировать в атмосферу, грунтовые или поверхностные воды или накапливаться в растениях, снижая качество сельскохозяйственной продукции.
Загрязнение почв, как и других природных сред, является комбинированным (множественным), в связи с чем при химическом контроле загрязнения возникает необходимость выделить приоритетные загрязняющие вещества, подлежащие контролю в первую очередь. При определении приоритетных загрязняющих веществ учитывают классы их опасности.
Вопрос установления ПДК загрязняющих веществ в почвах весьма сложен. С одной стороны, почвенный покров – среда, гораздо менее подвижная,
чем поверхностные воды и атмосфера, аккумуляция поступающих в почву химических соединений может происходить в течение долгого времени, постепенно приближаясь к предельно допустимым концентрациям. Поэтому основ33
ным фактором определения предельно допустимых выбросов (ПДВ) для какого-либо предприятия или группы предприятий должно быть предполагаемое
время работы, в течение которого в почве прилегающих территорий накопится
количество выбрасываемого загрязняющего вещества, достигающее ПДК.
С другой стороны, активная микробиологическая жизнь почвы и протекающие в ней физико-химические процессы способствуют трансформации посторонних веществ, поступающих в почву, причем направление и глубина этого
процесса определяются многими факторами. В ряде случаев разрушение загрязняющих веществ и их миграция так малы, что ими можно пренебречь; в
других случаях результаты протекания процессов деградации и миграции посторонних химических соединений в почве сопоставимы с темпами их поступления, и предел их накопления в почве обусловливается равновесием между
процессом поступления загрязняющих веществ и их удалением в результате
разрушения или миграции. Таким образом, ПДК загрязняющих веществ в почвах определяются не только их химической природой и токсичностью, но и
особенностями самих почв. В отличие от воздуха и воды почвы зональногенетического ряда настолько разнятся друг от друга по химическому составу и
свойствам, что для них не могут быть установлены унифицированные уровни
ПДК. Эти уровни неизбежно должны варьировать в зависимости от конкретной
обстановки: биоклиматических особенностей природной зоны, свойств почвы,
возделываемых культур, системы удобрений и т.п.
Таким образом при разработке ПДК для почв используют следующие
показатели:
1. Общесанитарный показатель вредности. Для почвы характеризует
влияние вещества на самоочищающую способность почвы и почвенный
микробиоценоз в количествах, не изменяющих указанные процессы.
2. Транслокационный показатель вредности. Характеризует способность
вещества переходить из пахотного слоя почвы через корневую систему
растений и накапливаться в его зеленой массе и плодах в количестве, не
превышающем ПДК для данного вещества в пищевых продуктах.
3. Миграционный воздушный показатель вредности. Характеризует способность вещества переходить из пахотного слоя почвы в атмосферный воздух и
поверхностные водоисточники в количестве, при миграции которого не происходит превышения величины ПДК для атмосферного воздуха.
ПДК загрязняющих веществ в почвах – это максимальная концентрация загрязняющего вещества, которая не вызывает прямого или опосредованного негативного воздействия на здоровье человека и самоочищающую
способность почв.
Помимо ПДК в нормировании воздействий используют временный
норматив – предельное ориентировочно допустимое количество (ОДК), которое получают расчетным путем. ПДК и ОДК химических веществ для почвы разработаны и утверждены в РФ примерно для 200 веществ. Они служат
критерием для классификации почв по влиянию на них химических загрязняющих веществ, а также для ранжирования загрязняющих веществ на классы опасности для почв.
Много внимания уделяется разработке нормативов содержания в почве
тяжелых металлов (ТМ), негативно влияющих на почвенные процессы, плодородие почв и качество сельскохозяйственной продукции. Восстановление
биологической продуктивности почв, загрязненных тяжелыми металлами –
одна из наиболее сложных проблем охраны биоценозов.
34
В результате исследований было установлено, что опасные для растений
концентрации ТМ зависят от генетического типа почвы. Основными показателями, влияющими на накопление ТМ в почвах, являются кислотно-основные
свойства и содержание гумуса. В настоящее время для ряда тяжелых металлов
установлены ориентировочно-допустимые количества (ОДК) их содержания в
почвах, утвержденные приказами органов здравоохранения № 1968-79, 2554682, 3210-85 и 4433-87, которые используются вместо ПДК. При превышении
допустимых значений содержания ТМ в почвах эти элементы накапливаются в
растениях в количествах, превышающих их ПДК в кормах и продуктах питания.
В современных условиях сельскохозяйственного производства необходима оценка пестицидного загрязнения почв. Пестициды – ядохимикаты, применяемые для уничтожения вредных организмов, животных, растений, бактерий и болезнетворных грибов. Пестициды включают обширную группу химических веществ различных классов и химической природы. Почти 90 % этих
веществ в конечном итоге попадает в почву.
Применение пестицидов, наряду с соответствующим положительным
результатом, имеет ряд негативных последствий. Многие пестициды обладают кумулятивным эффектом, т.е. накапливаются в почве и в растениях, в
результате чего происходит отравление людей и животных. Полагают, что
прямой эффект пестицидов проявляется лишь в течение 1-2 % времени их
нахождения в окружающей среде, тогда как 98 % времени они вызывают негативную реакцию вследствие загрязнения.
Проявление токсического эффекта пестицидов в почве и процессы накопления зависят от ряда факторов: объемов и сроков внесения пестицидов,
сорбции, механического состава и структуры почвы, наличия органического
вещества, рН, влажности и др. Следует отметить, что величины ПДК для
пестицидов в РФ в большинстве случаев в несколько раз ниже, чем регламенты в других странах.
Радионуклиды, попадая в биосферу, вызывают многочисленные экологические последствия. В результате поверхностного стока радионуклиды могут скапливаться в понижениях и ложбинах. Нуклиды поступают в растения и активно мигрируют по пищевым цепям. Радиочувствительность живых организмов различна:
смертельная доза для бактерий составляет около 104 Гр, для насекомых – 103, для
млекопитающих – 10 Гр (один грей соответствует такой дозе излучения, при которой в 1 кг массы любого вещества выделяется энергия, равная 1 Дж, независимо от
вида и энергии ионизирующего излучения). Максимальная доза излучения, не причиняющая вреда организму человека при многократном действии, равна 0,003 Гр в
неделю, а при единовременном действии – 0,025 Гр.
Взаимодействие тяжелых металлов с химически активными
веществами почв
Атмосферные выбросы, сточные воды и твердые отходы промышленных
предприятий, содержащие высокие концентрации тяжелых металлов загрязняют почвы и способствуют увеличению эрозионных процессов в почвах и снижению их плодородия.
Практически все тяжелые металлы поливалентны, хорошо сорбируются биотой почвы и образуют с имеющимися в пахотном слое фосфатами и
гидроксидами плохо растворимые вещества, что способствует их накоплению в почвах. На состояние тяжелых металлов и характер их распределения
в почвах оказывают влияние следующие факторы: механический
35
(гранулометрический) и химический состав почв, содержание в них органических веществ, гидролитическая кислотность, катионно-обменная способность металлов, наличие геохимических барьеров и т.д.
Поглотительная способность почв увеличивается с повышением их дисперсности, ростом органических соединений (гумуса) и приближением реакции
почвенного раствора к нейтральной. В связи с этим верхние гумуссодержащие
тонкодисперсные слои почвы более подвержены техногенным воздействиям,
чем нижние грубодисперсные слои.
На поглотительную способность почв значительное влияние оказывает их
минералогический состав. Так, Si и Zn поглощаются в большей степени песчаными почвами; Al, Fe, Ba и K – глинистыми; Ca, Mg и углерод – известняками.
Важную роль играет реакция среды (рН) и значение окислительновосстановительного потенциала среды миграции. В условиях низких значений рН значительно возрастают растворимость и миграционная способность
металлов. В обычных незагрязненных почвенных растворах, имеющих нейтральную реакцию, содержание таких элементов невелико.
На адсорбционную способность тяжелых металлов в почвах оказывают
влияние также радиусы их ионов, что видно из приведенного ряда:
Элемент: Cd < Ni < Co < Zn < Cu < Pb < Hg
рН
10,1 9,9
9,7
9,7
7,7
7,7
3,4
Rиона
0.97 0.78 0.78 0.84 0.80 1.26 1.12
Значительное число реакций в зоне активной миграции химических
элементов происходит по типу окислительно-восстановительных реакций.
Важную роль в процессах адсорбции тяжелых металлов в почвах играют
алюмосиликатные и органические коллоиды, имеющие отрицательный заряд и обладающие значительной способностью к сорбции катионов калия, бария, никеля,
кобальта, меди, цинка, магния, золота, вольфрама, аммония, натрия. Коллоиды
гидроксидов железа сорбируют анионы фосфорной кислоты, ванадия, мышьяка.
На степень поглощения тяжелых металлов почвами существенно влияет и
энергия поглощения разновалентных ионов, которая возрастает с увеличением
валентности: Li+<Na+<K+<NH4+<Cs+<Mg2+<Ca2+<Al3+<Fe3+. В ряду ионов одной
валентности энергия поглощения возрастает с увеличением порядкового номера
в периодической таблице, например: Mg<Ca<Co<Cd. Катионы, обладающие
большей энергией поглощения, прочнее удерживаются в почвенном слое и
труднее замещаются другими, особенно катионами менее активных элементов.
Миграция химических элементов в почвенном профиле
Часть элементов, поступающих на поверхность почвы с техногенными
потоками, задерживается в верхнем горизонте. Состав и массы удерживаемых
элементов зависят от содержания и состава гумуса, карбонатно-щелочных и
окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения. Другая часть потока проникает внутрь
почвенной толщи при нисходящем токе почвенной влаги, а также механическим путем за счет лессиважа или переноса веществ почвенными животными.
Тяжелые металлы в зависимости от их физико-химических свойств находятся в почвах в разном состоянии и, следовательно, ведут себя поразному, т.е. химические свойства элементов играют ведущую роль при их
миграции в земной коре. Так химические соединения с ионными связями в
водных растворах диссоциируют и мигрируют в форме ионов. А осаждение
36
хорошо растворимых соединений и образование твердых фаз возможно
только при упаривании природных растворов в условиях малого количества
осадков и повышенной температуры.
Тяжелые металлы и другие потенциально токсичные элементы характеризуются также различной подвижностью в зависимости от кислотнощелочных и окислительно-восстановительных условий в почвах (табл. 3).
Типы почвенно-геохимических барьеров (по Глазовской)
Кислотноосновные
условия
Окислительно-восстановительные
условия
Тип
барьера
Кислые
Окислительные
Окислительный, кислый
Восстанови- Восстановите
тельные
льный, кислый
Нейтральные и щелочные
Таблица 3
Подвижность и накопление химических элементов *
слабо под- умеренно легко подвижны, ак- подвижны, вижны, вытивно нака- накаплвают
носятся
пливаются ся, частично
выносятся
–
Mn, Mo
As, Se
Mo, V
Pb, As, Se
Ni, Cr, V
Pb, Cd, Hg
Ni, Cr, Cu,
Zn, Co
Cd, Hg
Zn, Mo, Cu,
Co, Ni, Cr
Cd, Hg
Cu, Zn
_
ОкислительPb
As, Se
ный, ней–
–
тральный и
щелочной
Окислитель- ОкислительCd, Hg
(As, Se)**
Pb
ные с испари- ный, испари–
Zn, Mo, Cu,
–
тельной контельный
Co,
Ni,
Cr
центрацией
Восстанови- Восстановите
Pb, Cd
As, Se
Hg
тельные глее- льный, ней- Cu, Zn, Co Mo, V, U,
Ni
вые
тральный и
Ag
щелочной
Восстанови- Восстановите Pb, Cd, Hg,
–
тельные се- льный, серо–
As,
Se
V,
U,
Mo
роводородводородный Cu, Zn, Co,
ные
Окислительные
Ni, Ga, Ag
* Над чертой – очень токсичные, под чертой – менее токсичные.
** Накапливаются на испарительном барьере.
В кислых почвах с преобладанием окислительных условий (почвы
подзолистого ряда, хорошо дренированные) такие металлы, как Cd и Hg, образуют легкоподвижные формы. Напротив, Pb, As, Se образуют малоподвижные соединения, способные накапливаться в гумусовых и иллювиальных
горизонтах и негативно влиять на состояние почвенной биоты. Если в составе загрязняющих веществ присутствует S, в восстановительных условиях
создается вторичная сероводородная среда и многие металлы образуют нерастворимые или слаборастворимые сульфиды. В заболоченных почвах Mo,
V, As, Se присутствуют в малоподвижных формах. Значительная часть элементов в кислых заболоченных почвах присутствует в относительно под37
вижных и опасных для живого вещества формах; таковы соединения Pb, Cr,
Ni, Co, Cu, Zn, Cd и Hg.
В слабокислых и нейтральных почвах с хорошей аэрацией (дерновоподзолистые, серые, лесные, дерново-карбонатные) образуются труднорастворимые соединения свинца, особенно при известковании. В нейтральных
почвах подвижны соединения Zn, V, As, Se, а Cd и Hg могут задерживаться в
гумусовом и иллювиальных горизонтах. По мере уменьшения кислотности
опасность загрязнения почв перечисленными элементами увеличивается.
В слабокислых и нейтральных глеевых почвах (дерново-глеевых и перегнойно-глеевых южной части таежной зоны и зоны широколиственных лесов) значительная часть микроэлементов образует слабоподвижные соединения (As, Se, Cr). Свинец в этих условиях менее опасен, так как малоподвижен
и практически недоступен растениям и другим живым организмам. Накопление слабоподвижных соединений элементов, присутствующих в малых количествах, свойственно нейтральным почвам с высоким содержанием гумуса
– черноземам и лугово-черноземным почвам. Этому накоплению способствуют процессы изоморфного замещения в кристаллических решетках, сорбция, соосаждение с гидроксидами железа и марганца, которые обычно присутствуют в почвах, и образование слаборастворимых минеральных комплексов.
Присутствие в составе илистой фракции монтмориллонита, неокристаллизованных гидроксидов, гуминовых кислот усиливает сорбционные свойства
барьеров. Накопление подвижных соединений элементов, токсичных для организмов, существенно зависит от водного режима почв, показателем которого
может быть коэффициент увлажнения (отношение годовой нормы осадков к
испаряемости влаги): оно минимально в хорошо водопроницаемых почвах промывного режима, увеличивается в почвах с непромывным режимом и достигает
максимальных размеров при выпотном режиме. Этот показатель и степень загрязнения техногенными веществами взаимосвязаны с гранулометрическим составом (табл. 4). В почвах с щелочной реакцией при испарительной концентрации в легкодоступной форме накапливаются Se, As, V, а в восстановительных
условиях – ртуть в форме метилртути.
Таблица 4
Относительная опасность загрязнения почв тяжелыми металлами
Коэфф Тип водного
ициент
режима
увлажнения
0,5
0,5-1
1-2
2
Гранулометрический состав и наличие мерзлоты
пески и
супеси
резко несильная
промывной
непромывной умеренная
преимущест
венно промывной
резко промывной
суглинки
глины
очень
сильная
сильная
слабая
умеренная
очень
сильная
очень
сильная
сильная
очень
сильная
слабая
умеренная
различный состав и наличие
мерзлоты
–
очень сильная
сильная
умеренная
38
Резкие изменения скорости миграции и темпов накопления химических элементов вызываются наличием так называемых геохимических барьеров. Выделяют следующие геохимические барьеры:
1) биогеохимические, вызванные интенсивным закреплением значительного
числа макро- и микроэлементов живыми организмами;
2) физико-химические, увеличивающие или уменьшающие подвижность
элементов за счет изменения степени окисления, адсорбции, образования
гидроксидов, сульфидов и т.п. Различают барьеры окислительные, восстановительные, глеевые, восстановительные сульфидные, сульфатнокарбонатные, щелочные, кислые, испарительные, адсорбционные, термодинамические;
3) механические, возникающие при изменении скорости воздушных или
водных потоков, и вследствие фильтрационных эффектов. Роль механического барьера могут исполнять пористые известняковые породы, песчаные
и глинистые прослои в толще породы и т.п.
Наличие барьерных функций в иллювиальных горизонтах, например
дерново-подзолистых почв или в глеевых горизонтах торфяно-глеевых почв,
подтверждается накоплением различных микроэлементов в условиях нормального геохимического фона в незагрязненных ландшафтах. Так, для иллювиальных горизонтов характерно накопление Cu, Ni, B, для глеевых –
также Cr и V.
Геохимические барьеры не остаются вечно неизменными; по мере накопления на геохимических барьерах различных веществ возможно разрушение исходных и образование новых барьеров. Например, первоначально
иллювиальный карбонатный горизонт формируется в результате миграции
Са или интенсивного поступления СО2; при этом образуется кальцит. Далее
горизонт кальцита выступает как щелочной карбонатный барьер для большой группы элементов: Sr, Pb, Zn, Cd, Co, Cu.
Ряд веществ при миграции теряет подвижность и задерживается на
геохимическом барьере. В случае кумулятивного накопления на геохимических барьерах тяжелых металлов нарушается геохимическая устойчивость
систем и они загрязняются, но при этом потоки вещества очищаются, что ограничивает сферу загрязнения.
Тема 4
Использование городского земельного фонда
Состояние окружающей среды в городах
В настоящее время в городах живет почти треть населения планеты, а в
промышленно развитых странах мира – США, Великобритании, Германии –
городское население составляет 75-80 % от всего населения страны. В городах активно протекают антропогенные процессы: промышленная и хозяйственная деятельность, строительство, движение транспорта – все это постоянно действующие факторы, вызывающие изменения как в окружающей среде,
так и в самой структуре городского ландшафта. Города, особенно крупные,
загрязняют атмосферу, изменяют микроклимат, состав подземных и поверхностных вод, понижают прочность пород геологического фундамента города. Климат большого города существенно отличается от климата окружающей местности. Индустриальная деятельность и бытовое отопление значи39
тельно повышают приходную часть теплового баланса: повышение температур приводит к увеличению продолжительности безморозного периода, к сокращению периода со снежным покровом по сравнению с загородными территориями. В атмосфере большого города всегда повышенное число дней с
туманами и больше количество осадков. Скорость ветра в городе в 1,5-2,0
раза ниже, чем в пригородах, и в то же время часто возникают «коридорные
ветры», не связанные с направлением воздушного потока.
Современные города выбрасывают в атмосферу и водную среду около
1000 химических соединений. Загрязненная атмосфера городов поглощает
около 20 % солнечного света, а при низком стоянии солнца – более 50 %.
Наиболее сильно задерживается ультрафиолетовое излучение.
Продолжительность жизни деревьев в городах значительно короче,
чем в лесу. Это объясняется как неблагоприятным составом воздуха, содержащего диоксид серы, хлор, углеводороды, так и характером городских почв
– маломощных, зачастую подстилаемых щебнем, дробленым асфальтом, городским мусором, а также отчуждением листвы, нарушающей круговорот
элементов питания.
В загрязнении атмосферы городов основная роль принадлежит энергетике, металлургической, химической и нефтеперерабатывающей промышленности. Еще недавно считались экологически безвредными предприятия
легкой промышленности. Однако сегодня получение и использование вискозных тканей, полимеров и пластмасс, искусственной кожи, внедрение
клеевых способов крепления деталей по количеству вредных выбросов сблизило предприятия этой отрасли с химической промышленностью.
В загрязнении воздуха городов одно из ведущих мест занимает автотранспорт. Во многих городах на выхлопные газы автомобилей приходится
30, а в некоторых – 50 % загрязнений воздуха. Газы автотранспорта остаются
в приземном слое атмосферы, что затрудняет их рассеивание. Узкие улицы и
высокие здания также способствуют задерживанию токсических соединений
выхлопных газов в зоне дыхания пешеходов. В состав выхлопных газов автотранспорта входит более 200 компонентов, тогда как нормируется из них
лишь немногие (дымность, оксиды углерода и азота, углеводороды). Отработанные газы автотранспорта содержат ряд продуктов полного и неполного
сгорания топлива, которые могут вступать в фотохимические реакции с оксидами азота, образуя смог – сложное сочетание пылевых частиц, капель тумана, токсичных газов.
Города являются также источником загрязнения поверхностных и подземных вод сточными водами. Объем коммунально-бытовых сточных вод в
мире достигает 450 км3/год. Средняя концентрация загрязняющих веществ в
них ∼ 1 кг/м3, причем 50 % загрязняющих веществ находится в растворенном
состоянии.
Кроме коммунально-бытовых стоков в городскую канализацию поступают и сточные воды промышленных предприятий, а также поверхностный
сток, т.е. дождевые или снеговые воды с территории жилого сектора и промышленных предприятий.
Огромные территории отводятся для складирования твердых бытовых
отходов городов. Только в России их объем составляет ежегодно около 130
млн. м3. Для захоронения 1 т твердых бытовых отходов требуется площадь 3
м2. Городские свалки являются источником загрязнения подземных вод, они
опасны в отношении пожаров и распространения инфекций. (В процессе
разложения 1 т отходов выделяется 11,4 тыс. м3 биогаза, состоящего из 54 %
40
метана и 46 % диоксида углерода.) Все эти факторы нужно учитывать при
проектировании промышленных предприятий и жилых районов городов.
Отведение земельных участков под промышленные объекты
Земля является межотраслевым ресурсом, который необходим для
размещения и деятельности всех отраслей народного хозяйства. В проектной
практике земли городов принято подразделять по их функциональному признаку на следующие структурные элементы: селитебные территории; участки
общественных зданий и сооружений; участки зеленых насаждений общего
пользования; земли под улицами, дорогами, проездами, площадями, стоянками автотранспорта; земли промышленных и сельскохозяйственных предприятий; коммунально-складские территории; земли санитарно-защитных
зон; территории железнодорожного, водного, воздушного, трубопроводного
транспорта; неиспользуемые и неудобные земли и прочие территории.
Земля является всеобщей территориальной базой. Факт закрепленности
на ней зданий и сооружений требует учета в процессе оценки земельных ресурсов. В 1991 г принят закон “О плате за землю”, которым установлены три формы оплаты: земельный налог, арендная плата, нормативная цена земли. Цель
введения платы – стимулирование рационального использования, охраны и освоения земель, повышения плодородия почв, обеспечение развития инфраструктуры в населенных пунктах, формирование специальных фондов финансирования этих мероприятий. В частности раздел III этого Закона регламентирует размеры платы за земли несельскохозяйственного назначения. Раздел V
предусматривает порядок установления и взимания платы за землю. А раздел
VII устанавливает нормативную цену земли – показатель характеризующий
стоимость участков определенного качества и местоположения.
Территории промышленных объектов имеют определенное фиксированное положение, площадь, границы и представляют собой землепользование (т.е. пользование землей в установленном законом порядке). Общим
правилом формирования промышленного землепользования является строжайшая экономия земель при строительстве и эксплуатации объектов
Разработка проектов размещения и строительства промышленных объектов выполняется на основе строительных норм и правил соответствующими организациями, но окончательное определение места расположения объекта в пределах городской черты производится городским кадастром. При
этом учитывается как площадь, необходимая для размещения объекта, так и
санитарно-гигиенические требования: качество земель, возможность их загрязнения и т.д., однако главным является принцип приоритета сельскохозяйственного землепользования, т.е. размещение промышленных объектов
проводится на землях непригодных для ведения сельского хозяйства или на
сельскохозяйственных угодьях худшего качества.
Для определения площади, необходимой для размещения промышленного объекта, могут быть использованы различные способы расчета.
Первый способ основан на использовании норм отвода земель для различных целей. Например, в Нормах отвода земель для автомобильных дорог
указана ширина полос отвода для дорог различных категорий, размещаемых
в различных условиях рельефа и на различных землях. Общая площадь такого объекта зависит прежде всего от протяженности дорог.
В Нормах отвода для аэропортов указана площадь земельного участка
в зависимости от класса аэропорта.
41
Кроме отводимых в постоянное пользование земель при строительстве
линейных сооружений обычно предоставляются земли во временное пользование на период строительства. Уменьшения площадей под эти объекты можно
добиться различными способами, в том числе совмещением возможно большего числа различных коммуникаций (трасс дорог с кабельными и проводными
линиями и т.д.). Временно предоставляемые участки подлежат возврату после
рекультивации, которая проводится силами строительных организаций, под наблюдением организаций, занимающихся мониторингом земель.
Второй способ предполагает использование показателей минимальной
плотности застройки промышленных предприятий. Этот способ применяется
для расчета площади землепользования промышленных предприятий различной специализации.
Минимальная плотность застройки Мп представляет собой процентное
отношение площади застройки Пз к общей площади всего участка По, занимаемого промышленным предприятием. Площадь застройки определяется как
сумма площадей, которые занимают здания и сооружения данного объекта:
МП =
100 П З
ПО
Чем больше данная величина, тем лучше и полнее используется территория. Так, например, для предприятий азотной промышленности МП=33 %, а
площадь застройки ПЗ=2 га; тогда площадь предоставляемого участка равна
ПО =
100 П З 100 ⋅ 2
=
= 6,06 га
МП
33
Площади участков, рассчитанные по нормам, в отличие от площадей
линейных объектов, как правило, не зависят от размещения.
Третий способ предполагает использование аналогов, т.е. данных о
действующих объектах равной мощности. Он используется при отсутствии
иных возможностей расчета. При этом выделяется участок той же площади,
что и у аналогичных объектов.
Размещение объекта проводится с соблюдением нормативных актов по
охране природы и использованию природных ресурсов, действующих санитарно-гигиенических, архитектурно-планировочных и других норм, правил и
указаний по размещению и строительству конкретных объектов.
Так например, предприятия, являющиеся источником вредных веществ и
излучений следует отделять от жилой застройки санитарно-защитными зонами.
Размер санитарно-защитных зон устанавливается:
• для предприятий, являющихся источниками загрязнения воздуха – непосредственно от источников загрязнения атмосферы (труб, зданий цехов,
открытых складов);
• для предприятий, являющихся источниками шума и излучений – от зданий, сооружений и площадок, где установлено оборудование, создающее
эти вредные факторы.
Санитарно-защитные зоны устанавливаются в зависимости от мощности источника, условий осуществления технологического процесса, характера и количества выделяемых в атмосферу вредных факторов и подразделяются на пять классов с различными размерами санитарно-защитных зон.
Классификации предприятий и размеры санитарно-защитных зон для них
устанавливаются на основании действующих СНиП.
42
Санитарно-защитная зона может быть увеличена, но не более чем в 3
раза по совместному решению Главного санитарно-эпидемиологического
управления Минздрава и Госстроя РФ, например:
• в случае отсутствия способов очистки выбросов;
• при необходимости размещения жилой застройки с подветренной стороны
по отношению к предприятию в зоне возможного загрязнения атмосферы;
• при строительстве новых, еще недостаточно изученных, вредных в санитарном отношении производств.
Размеры санитарно-защитной зоны могут быть уменьшены, если в
пределах жилой застройки концентрация вредных веществ, уровень шума
или излучений не превышает действующих СНиПов. Санитарно-защитная
зона не может рассматриваться как резервная территория предприятия и использоваться для расширения промышленных площадок.
Территория санитарно-защитной зоны должна быть благоустроена и
озеленена в соответствии с требованиями СНиП.
Значительная часть земель, отводимых под промышленные объекты
нарушается. Нарушенными называются земли, на которых в результате хозяйственной деятельности уничтожена растительность, изменены гидрологический режим и рельеф местности, разрушен и загрязнен почвенный покров. Вновь использовать такие земли в хозяйственных целях можно только
после их восстановления. Процесс восстановления нарушенных земель называется рекультивацией.
При отводе земель под объекты промышленности плодородие земель для
этих объектов не играет значительной роли, но так как эти объекты могут оказывать вредное влияние на окружающую среду существует необходимость:
• полного учета положительных и отрицательных последствий принятого
способа размещения объекта, а также его влияния на окружающую среду в
ближайшей и отдаленной перспективе;
• последовательной реализации принципа абсолютной экономии земли, ее
минимального расходования под промышленные объекты в пределах, соответствующих современному уровню развития производительных сил.
Тема 5
Мониторинг земель
Предмет мониторинга земель
Земля – важнейший ресурс города. проведение здесь эффективной земельной политики должно обеспечивать рациональное землепользование, охрану земель и сохранение нормального экологического состояния городской
среды. Для этого необходимо реально определить качество городских земель,
отражающее степень соответствия их фактического состояния требованиям освоения земель в интересах города. Качество земель характеризуют разнообразные сведения о степени пригодности земель для застройки, об инженерногеологических условиях, экологическом состоянии земель и городской среды и
т.п. Эти сведения формируются в процессе ведения мониторинга земель, т.е.
системы регулярных, непрерывных наблюдений за состоянием земельного
фонда для обновления и поддержания достоверности разнообразных сведений о
земле, своевременного выявления изменений и их оценки, прогноза, предупреждения и устранения последствий негативных процессов.
43
Мониторинг земель впервые получил самостоятельный юридический
статус в 1991 г. в связи с принятием Земельного кодекса РСФСР. Содержание и порядок мониторинга земель определяется "Положением о мониторинге земель", утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации № 491 от 15 июня1992 года, а с 1993 г. он выделен в качестве подсистемы в Единой государственной системе экологического мониторинга. Мониторинг земель ведется Государственным земельным комитетом РФ и Министерством природных ресурсов РФ по единой системе за счет ассигнований из республиканского бюджета РФ и средств, поступающих в местные
бюджеты от взимания земельного налога и других платежей за землю.
Объектом мониторинга земель являются все земли РФ, независимо от
форм собственности на землю, целевого назначения и характера использования.
Мониторинг земель имеет подсистемы, соответствующие категориям
земель:
• мониторинг земель сельскохозяйственного назначения;
• мониторинг земель населенных пунктов;
• мониторинг земель промышленности, транспорта, связи, энергетики, обороны и иного назначения;
• мониторинг земель природоохранного, оздоровительного, рекреационного
и историко-культурного назначения;
• мониторинг земель лесного и водного фонда;
• мониторинг земель запаса.
В зависимости от территориального охвата осуществляется федеральный, региональный и локальный мониторинг земель.
Федеральный мониторинг охватывает всю территорию РФ.
Региональный мониторинг – территории, имеющие физико-географические,
экономические, административные и иные границы.
Локальный – ведется на объектах ниже регионального уровня, вплоть до территорий отдельных землепользований и элементарных структур ландшафтно-экологических комплексов.
В основу осуществления мониторинга земель положена разработка нормативно-правовой, научно-методической, организационной базы, производственных технологий, обеспечивающих постоянно действующую систему контроля и слежения за состоянием земель и качественным их использованием.
Работы по мониторингу земель проводятся по следующим направлениям:
1.
Научно-методическое направление включает в себя:
1.1. разработку методик и технических заданий для картографирования
земель, выявление закономерностей деградационных процессов;
1.2. разработку порогов допустимой антропогенной нагрузки на почвы и растительность;
1.3. методическое обеспечение всех видов работ, связанных с мониторингом земель.
2.
Аналитическое направление составляют:
2.1. анализ, обобщение и систематизация результатов почвенных и
геоботанических обследований с последующей обработкой первичных данных;
2.2. составление тематических карт состояния и деградации земель.
3.
Информационно-техническое направление предусматривает:
3.1. создание автоматизированной информационной базы мониторинга и обслуживание пользователей информации;
44
3.2.
разработку программ мониторинга и рекомендаций для внедрения предложенных мероприятий;
3.3. обработку и систематизацию данных по мониторингу земель.
4.
Прикладное назначение:
4.1. обоснование прогноза развития негативных явлений и разработка
мероприятий по их предотвращению;
4.2. информационное обеспечение земельного кадастра результатами
контроля за качеством почвы и растительности;
4.3. разработка и выдача предложений местным органам власти,
Управлению сельского хозяйства, Госкомэкологии по предотвращению нарушений рационального пользования землей, а также по повышению ее плодородия.
При ведении мониторинга земель выявляются следующие процессы:
1. эволюционные (связанные с естественно-историческими процессами развития);
2. цикличные (связанные с суточными, сезонными, годовыми и иными периодами изменениями природного характера);
3. антропогенные (связанные с человеческой деятельностью);
4. чрезвычайные ситуации (связанные с авариями, катастрофами, стихийными и экологическими бедствиями и др.).
Содержание мониторинга земель составляют систематические наблюдения (съемки, обследования и изыскания) за состоянием земель, выявление
изменений и оценка:
1. состояния землепользований, угодий, полей, участков;
2. процессов, связанных с изменением плодородия почв (опустынивание,
развитие водной и ветровой эрозии, потери гумуса, ухудшение структуры
почв, заболачивание и засоление), зарастанием сельскохозяйственных угодий, загрязнением земель пестицидами, тяжелыми металлами, радионуклидами, другими токсичными веществами;
3. состояния береговых линий рек, озер, водохранилищ, гидротехнических
сооружений;
4. процессов, вызванных образованием оврагов, оползнями, землетрясениями, карстовыми, криогенными и другими явлениями;
5. состояния земель населенных пунктов, объектов нефте- и газодобычи,
очистных сооружений, свалок, складов топливо-смазочных материалов,
удобрений, стоянок автотранспорта, мест захоронения токсичных промышленных отходов и радиоактивных материалов.
Оценка состояния земель выполняется путем анализа ряда последовательных наблюдений (периодических, сезонных, суточных), направленности и интенсивности изменений и сравнения полученных показателей с нормативными.
Показатели состояния земель выражаются как в абсолютных, так и в
относительных значениях, отнесенных к определенному периоду или сроку.
По результатам оценки состояния земель составляются оперативные
сводки, доклады, научные прогнозы и рекомендации с приложением к ним тематических карт, диаграмм и таблиц, характеризующих динамику и направление развития изменений, в особенности имеющих негативный характер.
Мониторинг земель ведется с соблюдением принципа совместимости
разнородных данных, основанного на применении единых классификаторов,
кодов, системы единиц, стандартных форматов данных и нормативнотехнической базы, государственной системы координат и высот.
Техническое обеспечение мониторинга земель осуществляется автоматизированной информационной системой, имеющей пункты сбора, обработ45
ки и хранения информации в местных органах Госкомзема и в соответствующих государственных комитетах республик в составе РФ.
Для получения необходимой информации при мониторинге земель
применяются:
• дистанционное зондирование (съемки и наблюдения с космических аппаратов, высотных самолетов, с помощью средств малой авиации и др.);
• наземные съемки и наблюдения;
• фондовые данные.
Главное назначение съемок и наблюдений с космических аппаратов и
высотных самолетов – получение характеристик состояния земель на глобальном и региональном уровнях.
Съемки и наблюдения с помощью малой авиации проводятся для локального мониторинга земель и уточнения аэрокосмической информации.
Наземные наблюдения проводятся по всем категориям земель с использованием полигонов эталонных участков, стационарных и передвижных
лабораторий.
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 обобщаются по районам, городам, областям, краям, республикам в составе РФ и РФ в целом, а также по отдельным
природным комплексам.
Оперативный (дежурный) мониторинг земель ведется местными органами по земельным ресурсам районов, городов и областей с использованием
данных базового и периодического мониторинга.
Полученные данные накапливаются в архивах (фондах) и банках данных автоматизированной информационной системы.
К сожалению, в настоящее время еще не сложилось единообразного, устоявшегося понимания сущности мониторинга земель. Представляется правильным рассматривать его как комплексное явление – это и система научнопроизводственной деятельности по получению информационных ресурсов, и
сама информационная система по характеристике состояния земель. Информационные фонды мониторинга земель в совокупности с фондами государственного земельного кадастра являются основой для управления земельными ресурсами. Наконец, это активно развивающееся в современных условиях новое научное направление на стыке географии, технических и экономических наук.
Оно представляет собой сложный синтез определенных разделов, часто далеких
друг от друга дисциплин (архитектура и градостроительство, медицина, почвоведение, экология и др.), опирающийся на оригинальные методы исследований.
В мониторинге земель ключевой задачей является анализ и оценка негативных процессов на землях. Часто требуется оценить роль реальных и возможных в будущем ущербов от негативных процессов, снижающих качественные
характеристики рельефа, почв и других компонентов земель. Негативные процессы на городских землях могут сильно влиять на их состояние, существенно
снижая их качество. Оценка ущербов, вызываемых негативными процессами,
причиняемых городу отрицательным влиянием деятельности предприятий ор46
ганизаций и отдельных лиц, а также нарушениями земельного законодательства, занимает важное место в практике городского землепользования.
Базовой составляющей земель как важнейшего элемента городской
среды, обеспечивающего устойчивое функционирование целостной экологической системы, является почва. Средоформирующие и средозащитные
свойства имеют в основном открытые незастроенные земли, обладающие
определенным почвенным и растительным покровом. Они подвергаются отрицательным последствиям негативных процессов в первую очередь. Поэтому в условиях городов, а тем более крупных городских агломераций, жизненно необходимо принимать особые меры по обеспечению охраны почв.
Для земель города из наиболее серьезных негативных процессов экологического характера весьма характерны их захламление и химическое загрязнение, влияющие, в первую очередь, на состояние почв.
Захламление земель – это накопление (складирование) на земельных
участках коммунально-бытовых отходов, отходов производственной деятельности предприятий и транспорта, складирование строительных материалов, оборудования и т.п. в непредусмотренных для этих целей местах. Захламление физически отчуждает часть территории из хозяйственного использования, а также является источником химического загрязнения окружающих сред в результате преобразования токсичных веществ. Особенно
неблагоприятным является образование несанкционированных свалок, т. е.
стихийно формирующихся агрегаций из бытовых и производственных отходов площадью более 0,5 га при мощности техногенных отложений выше 1 м.
Эти свалки, как правило, носят локальный характер.
Химическое загрязнение земель - изменение химического состава
почвы в результате антропогенной деятельности, способное вызвать ухудшение ее качества. Степень загрязнения почв служит устойчивым индикатором экологической обстановки, а само загрязнение является одним из основных признаков урбогенеза, отрицательно влияющего на почвообразование.
Распространение загрязнения земель носит общегородской характер.
В соответствии с этими видами воздействия мониторинг земель разделяется на три составные части, в рамках которых производятся: мониторинг
почв – плодородной части поверхностного слоя; мониторинг поверхностного
слоя, в пределах которого имеет место «взаимодействие» литосферы и человеческой деятельности; мониторинг свалок, отвалов и т.п., как специфических образований результатов деятельности человека.
Мониторинг загрязнения почв
Мониторинг загрязнения почв (МЗП) представляет собой систему регулирующих действий, включающую в себя наблюдения за фактическими
параметрами их химических загрязнений и снижения плодородия, определение прогностических уровней загрязненности и деградации, выявление источников загрязнения.
Учитывая то, что негативному воздействию подвергается более половины земель, администрация Челябинской области в 1993 году начала работы по мониторингу земель. Тем не менее, степень загрязненности почв является наименее изученной частью окружающей среды. (ОС) в г. Челябинске,
хотя высокий уровень ее не вызывает сомнений.
Источниками загрязнения почв в г. Челябинске являются: промышленные выбросы в атмосферу; выбросы автотранспорта; накопление твердых
47
отходов; разлив нефти и нефтепродуктов; загрязнение сточными водами
промышленных и коммунальных предприятий в результате аварий; вторичные загрязнения вследствие переноса загрязняющих веществ в атмосферу.
Исследованиями предыдущих лет установлено, что территория г. Челябинска и окрестностей загрязнена веществами, относящимися ко всем
классам опасности. Степень загрязненности территории характеризуется неравномерностью, которая обусловлена местами размещений промышленных
предприятий, преобладающими направлениями ветров и наличием транспортных магистралей.
Для соблюдения принципа комплексности, уточнения и контроля данных
мониторинга атмосферы, оценки пылевой нагрузки и ее роли в процессах химического загрязнения почвы должна планироваться и осуществляться снеговая
съемка территории. При этом анализ результатов измерений следует проводить
с позиций выявления зон максимального воздействия на население и другие
объекты ОС эмиссий конкретных заводов-изготовителей и транспорта.
Одной из главных задач МЗП должна стать оценка уровней деградации
плодородного слоя – ухудшения агрохимических показателей, связанных с
загрязнениями.
Многокомпонентность, разнообразие химического (элементного) и фазового состава, а также аддитивный характер воздействия депонируемых
почвами токсичных поллютантов требуют высококвалифицированных кадров, материально-технического и аналитического обеспечения, отвечающего
поставленным перед МЗП задачам.
Мониторинг поверхностного слоя геологической среды
Система мониторинга поверхностного слоя геологической среды (ГС) в г.
Челябинске до настоящего времени не создана, хотя отдельные фрагменты его
реализуются в связи с решением конкретных задач. В принципе мониторинг
геологической среды (МГС) подразумевает систематические наблюдения для
получения данных о минеральных ресурсах, подземных водах, экзогенных и
эндогенных природных процессах, о загрязнениях горных пород и подземных
вод химическими компонентами, физических полях, биоте.
Полученные данные являются базой для оценки состояния геологической среды и прогнозирования возможных изменений среды, объемов использования ресурсов и т.п. Для г. Челябинска характерно интенсивное антропогенное воздействие на геологическую среду со стороны объектов горного производства, промышленности, стройиндустрии, гидротехнических и
транспортных сооружений, энергосети.
Актуальность создания системы МГС в г. Челябинске в настоящее
время недооценивается, в то время, как следует ожидать на различных участках территории проявления ряда процессов нарушений естественных параметров геологической среды, которые могут негативно повлиять на жизнедеятельность города. Поэтому проведение мониторинга поверхностного
слоя геологической среды является необходимым. По каждому из направлений МГС (см. выше) должны быть определены объекты наблюдений, определяемые параметры, периодичность и методика. Обработка предполагает
обобщение и анализ материалов, включая весь геологический комплекс и источники воздействия на ГС. Целями анализа должны быть выводы о современном состоянии ГС и прогнозирование возможных изменений среды с
учетом воздействия этих изменений на жизнедеятельность города.
48
Наиболее полными и достоверными материалами по современному состоянию приповерхностного слоя ГС и динамике подземных вод располагают Челябгеолком, Комитет по экологии, инженерно-геологические службы
строительных предприятий, в т.ч. метрополитена и др. В информационном
блоке можно отметить такие сведения, как:
1. результаты геолого-геофизических, геохимических и гидрогеологических
работ на территории города и примыкающих к нему площадях;
2. размещение районов высокой вероятности потенциального подтопления
грунтовыми водами;
3. перечень местоположения участков, опасных по химическим загрязнениям
бассейнов подземных вод;
4. источники «альтернативного» водоснабжения;
5. существующие и потенциальные угрозы деформаций земной поверхности
на территориях бывшей деятельности горных предприятий, проектируемых и строящихся объектов так называемого глубокого заложения, в т.ч. и
метрополитена.
Мониторинг территорий, занятых свалками твердых бытовых отходов
и отвалами промпредприятий
Город Челябинск относится к промышленным центрам с одним из
наибольших в России уровней занятости городской территории отвалами отходов промпредприятий и свалками бытовых отходов, так как его основные
предприятия относятся к металлургическому и химическому профилям, машиностроительной отрасли и расположены непосредствен но в черте города.
Несмотря на то, что общая площадь под свалками и отвалами занимает значительную территорию, а в составе этих отходов присутствуют высокотоксичные вещества, мониторинга указанных территорий не существует. Как
известно, отвалы и свалки являются источниками интенсивного загрязнения
атмосферы вследствие пылеобразования и вторичного переноса аэрозолей, а
также миграции грязных подземных и поверхностных вод, в результате смывов, фильтрации и других процессов.
Ввиду не изученности многих факторов, связанных с состоянием упомянутых территорий, организацию их мониторинга необходимо начинать с
проведения комплекса работ по исследованию вещественного состава загрязнений, динамики их миграции и др. Предметами исследований должны
стать свалки, отвалы и окружающие их территории, с точки зрения возможного распространения загрязнений, обеспечения их локализации и определения основных требований к создаваемой системе мониторинга.
Поскольку многие отвалы и свалки предприятий горной промышленности, металлургии, химии, крупного машиностроения и др. представлены отходами, являющимися источниками вторичного минерального, строительного и
химического сырья, параллельно с мониторингом следует продолжать работы
по созданию их сводного банка (кадастра) на принципиально иной, чем это
имеет место в настоящее время, основе. Такие методики разработаны институтом ресурсосбережения и институтом Минералогии УрО РАН. Исходными
данными для осуществления такой систематизации могут служить материалы
технологических служб предприятий, Челябгеолкома, Комэкологии и др
К настоящему времени работа по мониторингу промотходов и ТБО
практически не развернута, хотя оценка общего количества отходов по предприятиям и в целом по городу проводится. В частности, в 1996 году заскла49
дировано отходов 1, 2, 3, 4 классов опасности соответственно: 524 т, 763 т,
50131 т, 162384 т, в то время, как общее количество образовавшихся отходов
существенно больше. С учетом заскладированных отходов прежних лет, общее количество промотходов на территории г. Челябинска составляет цифру,
с трудом поддающуюся оценке. Очевидно, что мониторинг мест складирования промотходов является обязанностью предприятий, каждое из которых
должно создавать соответствующую системы мониторинга, с одной стороны
входящую в систему мониторинга эмиссий предприятий, а с другой – в состав системы мониторинга промотходов города.
При реализации мониторинга необходимо измерять загрязненность
атмосферы и почв в районе размещения конкретных свалок, а также создавать систему наблюдательных скважин за контролем загрязнения подземных
вод в данном районе. Количество скважин, их параметры определяются с
учетом конкретных условий: общей площади свалок, строения поверхностного слоя ГС, в том числе водоносных горизонтов. Перечень измеряемых
компонентов в атмосфере, почве, воде определяется, исходя из состава отходов конкретных свалок. Особое внимание должно уделяться отвалам, где
присутствуют вещества 1, 2 классов опасности.
Одной из важнейших задач мониторинга является, наряду с оценкой их
влияния на общую экологическую обстановку, паспортизация, включающая:
установление самого факта нахождения свалки; определение «хозяина»
свалки; наличие разрешения на складирование; регламентов эксплуатации
хранилищ, свалок и отвалов. По состоянию на 01.01.97 в городе насчитывалось 151 несанкционированная свалка, где только бытовых отходов заскладировано 1 363 403 тонны. Свалки содержат ТБО, промышленные отходы,
отходы стройматериалов и др. Естественно, чаще всего они располагаются
на случайно выбранных незастроенных территориях. В некоторых из них
были обнаружены остатки сельхозпродуктов, гниющие пищевые отходы,
токсичные химические вещества. В условиях густой заселенности такие
свалки являются источниками распространения заболеваний и отравлений.
Таким образом, создание системы мониторинга промотходов и ТБО
является первоочередной работой в процессе создания комплексного мониторинга города.
В соответствии с Законом Российской Федерации "Об охране окружающей природной среды" и Указом Президента России от 1апреля 1996 г. № 440
«О концепции перехода Российской Федерации к устойчивому развитию» администрацией области была разработана "Программа природоохранных мероприятий оздоровления экологической обстановки области на 1997-2000 годы",
которая содержит 15 целевых программ по внедрению природоохранных мероприятий, оздоровлению экологической обстановки и другим направлениям.
Программой предусмотрены разработка и внедрение малоотходных и
безотходных технологий, строительство нового, модернизация и реконструкция действующего оборудования, вовлечение в хозяйственный оборот
вторичных материальных ресурсов, упорядочение приема и размещения отходов производств, утилизация различных видов отходов, а также рекультивация 275 га нарушенных земель. В качестве главного нормативного, регламентирующего и, отчасти методического документа, при организации и реализации этого вида мониторинга, должен быть использован принятый Госдумой в 1999 г. Закон РФ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии
населения», в частности, – раздел 2.1.7.: «Почвы, очистка населенных мест.
Бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почв».
50
Основные принципы организации мониторинга земель
Мониторинг земель, включающий в себя почвенно-химический мониторинг, направлен главным образом на контроль загрязнений почвы вокруг
промышленных предприятий и крупных городов. В зависимости от источника загрязнения устанавливаются пространственные и временные критерии
системы контроля, определяется список приоритетных ингредиентов для наблюдения. Как уже говорилось ранее, основная зона загрязнения почв ограничивается 8-10 км от крупного промышленного предприятия.
При определении уровня загрязнения почв необходимо знать фоновое
содержание этих веществ в почвах, над уровнем которого и наблюдаются
локальные загрязнения антропогенного происхождения.
При оценке локального и регионального загрязнения в качестве фона
можно использовать почвы:
• принадлежащие к тому же типу биогеоценоза, что и исследуемые почвы;
• на которых не ведется хозяйственная деятельность;
• удаленные от источника загрязнения на 50-100 км.
Все эти условия должны быть соблюдены.
В индустриальных районах и в районах с литогенным обогащением
почв, где невозможно найти фоновую территорию даже на расстоянии 50100 км от источников загрязнения, используют кларки элементов.
Кларки – среднее природное содержание элементов в почвах, которое
зависит от их содержания в почвообразующих породах, являются общей характеристикой фона.
При проведении контрольных измерений загрязнения почв необходимо учитывать особенности распределения и миграции загрязняющих веществ в почвах. Исследования показывают, что в зонах интенсивного загрязнения содержание поллютантов резко уменьшается вниз от самого верхнего
(0-2,5 см) к более нижним слоям (2,5-5; 5-10; 10-20 см).
В зонах интенсивного загрязнения на аккумуляцию элементов слабо
влияет генезис почв, но прослеживается связь между накоплением загрязняющих веществ и положением почвы по рельефу, что создает высокую пестроту в содержании поллютантов в близко расположенных пунктах. Это
вносит некоторые трудности в полевые исследования и увеличивает число
анализов в камеральный период. Чем дальше расположена территория от источника, тем ярче проявляется значение генезиса и состава почв.
Важным принципом, который необходимо учитывать при контроле загрязнения почвенного покрова, является комплексность построения этого
контроля. Он включает, во-первых, обязательный учет источников загрязнения и их интенсивности, во-вторых, контроль за потоками поллютантов из
атмосферы в почву и из почвы в природные воды и растения, и в-третьих,
обязательную регистрацию гидрометеорологических факторов, влияющих на
загрязнение почв (количество осадков, талый и грунтовый сток и др.). Только учет указанных выше факторов позволит перейти от простой регистрации
уровней загрязнения к их прогнозу.
Критерием опасности загрязнения почв являются предельно допустимые концентрации (ПДК) токсичных веществ в этой природной среде, которые должны различаться для природных зон; разнообразия и состава почв;
динамики и направления процессов, протекающих в почвах; элементов, загрязняющих почву, и их сочетаний. К сожалению, в настоящее время ПДК в
почвах для большинства поллютантов не разработаны. Поэтому при оценке
51
загрязнения почв этими ингредиентами обычно пользуются сравнением с
местным фоном или кларковыми значениями.
Сделаем теперь несколько общих замечаний по организации системы
мониторинга почв.
Во-первых, в настоящее время основное внимание в системе мониторинга
почв отводится валовому содержанию металлов в почвах. Однако более важно
для контроля и оценки опасности загрязнения знать, в какой химической форме
они присутствуют в почве. Это позволит расшифровать многие стороны влияния загрязнения почв на процессы происходящие в них, круговороте элементов
в системе почва-растение, в оценке влияния загрязнений на растительность.
Во-вторых, лучшей формой представления материалов по контролю
загрязнения почв является карта этих загрязнений, хотя построение карт –
дело трудоемкое и требует большого количества анализов проб почвы.
В-третьих, для быстрой оценки временной тенденции изменения содержания загрязняющих веществ в почвах проводится анализ выпадения этих веществ из атмосферы. Но анализ выпадения поллютантов вместе с дождем и снегом не позволяет определить величину полного потока этих веществ, т.к. практически не существует методики определения сухих выпадений.
В-четвертых, значительную и очень трудоемкую часть исследований
составляют аналитические работы. Число образцов (почв, растений и др.)
для одного объекта достигает 1000-1200. Лабораторная обработка должна
проводится экспрессными, универсальными методами и аналитического определения, и в отношении подготовки проб к анализу (растворение, удаление
органических веществ и т.д.).
Из аналитических методов наиболее подходящими для определения
химических загрязнений являются: спектральные (эмиссионный спектральный и атомно-абсорбционный спектрофотометрический анализ) и ядерные
методы (нейтронно- и радиоактивационный, рентгенофлуоресцентный анализ с предварительным концентрированием. Нельзя пока отказаться и от химического (спектрофотометрического) определения загрязнений.
В основе почвенного мониторинга лежит биогеохимический подход к
проводимым исследованиям по изучению уровня химического загрязнения
почв. Задачей таких полевых исследований является выявление топографии
интенсивности (уровня) и динамики временных изменений загрязнения городских территорий и природного комплекса в результате деятельности
предприятий, установление последствий такого загрязнения, а также рекомендация мероприятий, устраняющих вредное воздействие токсикантов.
52
Тема 6
Отбор проб и методы анализа
Особенности выбора мест пробоотбора в населенных пунктах
Изучение экологической обстановки начинается с установления источников загрязнения окружающей среды; следующим этапом является отбор проб
для анализа степени химического загрязнения, по результатам которого составляются ситуационные карты загрязнения. Часто в городе, где существует множество источников загрязнения применяют отбор смешанных проб по сетке с
шагом от 100 до 1000 м, причем узлы сетки могут сдвигаться, если они попадают на место, где стоит здание или расположен какой-то другой объект. Чем
меньше шаг сетки тем более детальную информацию можно получить.
На территориях, прилегающих непосредственно к заводу, в результате
строительства и реконструкции предприятия, природный ландшафт, а часто и
рельеф, нарушен, водосток зарегулирован. Часто такие площади несут на поверхности насыпной материал, который может представлять собой пустую породу, хвосты, вынутый при строительстве или привезенный грунт. Морфология
и состав насыпного слоя отличаются от соответствующих признаков зональных
почв, растительный покров искусственный и, как правило, сильно угнетен.
Вокруг заводов расположены постройки бытового назначения и жилые
дома. Часто заводы размещаются в черте города. Если предприятие расположено в населенном пункте, то программа исследования и сбор образцов
для анализа загрязняющих веществ должны учитывать планировку населенного пункта, гипсометрию местности, высоту построек, густоту их расположения, влияние всех этих факторов на направление потоков воздуха, распределение атмосферных осадков и ливневого стока, долю участия в загрязнении территории города автотранспортом и местными предприятиями.
В городе может оказаться несколько источников загрязнений, неизбежно бытовое (локальное) загрязнение и наличие неорганизованных старых
и временных свалок, сжигание мусора. В этих условиях почву приходится
брать на посадках деревьев вдоль улиц, газонах, в садах и дворах. Там же собирать растительные образцы. Содержание поллютантов в собранных материалах, как правило имеет высокий разброс.
Пригородная зона имеет меньшую густоту застройки, но обычно в ней
расположено большее число промышленных и бытовых предприятий различной мощности и назначения, складов, мусорохранилищ, кладбищ. Природный комплекс, как и в городе, почти отсутствует. Условия сбора материала для анализа во многом аналогичны городским.
В городах и пригородах территория имеет искусственный рельеф, однако сохраняются повышенные участки, с которых во время обильного снеготаяния и ливней при отсутствии асфальтового или бетонного покрытия на
дорогах происходит смыв почвы и пыли и аккумуляция материала в нижних
частях улиц и площадей, что следует учитывать при сборе образцов для анализа и интерпретации получаемых данных.
В пределах города утрачивается влияние многих природных факторов
на накопление и распределение загрязняющих веществ в почвах. На территориях же, где почвы используются в сельском хозяйстве или они заняты естественным травянистым покровом или древесными насаждениями, в накоплении и распределении поллютантов в почвах проявляется влияние многих
природных факторов: геологии и литологии покровных и почвообразующих
53
пород, рельефа, климата и микроклимата, экспозиция склонов, перераспределение жидкого и твердого стоков по элементам мезо- и микрорельефа. На
направление и скорость ветра, перенос аэрозолей и пыли, на их выпадение из
атмосферы влияют рельеф территории, растительный покров, климат. Пробоотбор в таких ландшафтах ведут в соответствии с рельефом местности и
выделением сопряженных элементарных геохимических ландшафтов, связанных в единую систему пространственной миграции вещества.
Большую трудность представляет изучение и картирование загрязнения территории, окружающей предприятие. Сплошное картирование территории предусматривает, что каждый выделенный контур имеет подробную
характеристику почв: классификационное положение, морфология, механический и химический состав и т.д. Такое картирование обычно используют
при крупномасштабной съемке массивов земель, интенсивно используемых в
сельскохозяйственном производстве; недостатком его является большая трудоемкость и стоимость, хотя морфологические признаки почв позволяют в
полевой период составить почвенную карту. Для нанесения изолиний концентраций загрязняющих веществ в почвах требуется дорогостоящий анализ
большого числа образцов из разрезов и смешанных проб, взятых из верхнего
горизонта для уточнения границ контуров уровня загрязнения.
Исследования загрязнения почв должны иметь характер биохимических
исследований окружающей среды с детальным изучением миграции элемента в
конкретных почвах и ландшафтах. Все это требует большой ответственности
при сборе материалов для анализа, но в то же время позволяет правильнее истолковать полученный материал, построить модель загрязнения территории.
Методы отбора проб и условия их хранения
Если в населенном пункте исследования загрязнения земель ранее не
проводились, а также если в данном населенном пункте количество источников загрязнения невелико, или необходимо изучить влияние на загрязнение
окружающей среды конкретного источника, то применяется следующий метод отбора проб. Радиально от источника загрязнения в соответствии с розой
ветров намечается пять-восемь маршрутов протяженностью 25-30 км (в некоторых случаях до 50 км и более). В направлении этих маршрутов – лучей
шириной 200-300 м вблизи источника с постепенным расширением сектора
до 1-3 км при удалении от него располагают сеть ключевых участков, площадок взятия смешанных образцов, траншей и разрезов.
Ключевым участком называют небольшой по площади участок (1-10
га и более), размеры которого зависят от сложности почвенного покрова и
рельефа. Ключи размещают на обследуемой территории так, чтобы они характеризовали все возможные ландшафтно-геохимические условия, разнообразие состава почв, типичные биогеоценозы и, конечно, фоновые и техногенные участки региона.
Основную долю ключевых участков располагают в направлении двух
экстремальных лучей розы ветров. Общее число участков – 15-20, причем всю
первую зону загрязнения (до 1,5 км) можно рассматривать как один участок. В
пределах города для любой другой зоны достаточно иметь 2-3 участка.
Участок всесторонне исследуется, составляются или уточняются детальные тематические карты (почвенная, растительного покрова, грунтовых вод,
геохимическая). С ключевых участков берут индивидуальные пробы, для определения пестроты распределения загрязняющих веществ, и смешанные пробы; в
54
глубоких разрезах (глубина 2-2,5 м, ширина 2-5 м) и траншеях (глубина 2-2,5 м,
ширина 5-10 м) изучается морфология, отбирают по горизонтам образцы почв и
все то, что характеризует миграцию и биологический круговорот загрязнений в
ландшафте (горные и материнские породы, растения, поверхностные и грунтовые воды и т.д.). Впоследствии часть ключей используют в качестве площадок
стационарных наблюдений по динамике техногенного загрязнения почв.
Кроме того для определения степени загрязнения современными выпадениями и оценки скорости миграции загрязняющих веществ в почвенном
профиле отбирают пробы с глубины 0-2,5; 2,5-5,0; 5-10; 10-20 и 20-40 см.
Уровень и зоны загрязнения определяют по данным анализа смешанных образцов первого года исследований и корректируют их при вторичном
исследовании территории. Смешанные образцы отбираются с выбранных
площадок, часть которых располагается на ключевых участках. Размер площадки взятия смешанного образца в фоновой зоне определяется контуром
почвенной разновидности, которую образец должен представлять. Вблизи
источника загрязнения (зоны I-III) состав и свойства почвы практически не
влияют на аккумуляцию в них загрязняющих веществ. Площадка может быть
от нескольких гектаров (1-15 га) до 100 га. Расположение площадок приурочивается к наиболее распространенным элементам рельефа, породам, почвам, растительному покрову.
Смешанный образец получают из серии единичных образцов. Точки взятия единичных образцов охватывают весь почвенный контур, расположение их
случайное. Из каждой точки на площади 1-2 м2 берут 4-5 проб, располагая их по
конверту (по углам и из середины). Все пробы высыпают в пластмассовый таз и
тщательно перемешивают. Затем смешанную пробу собирают в конусообразную кучу и последовательным квартованием, отбрасывая каждый раз 3/4 взятой
земли, оставляют смешанную пробу в 100-150 г. После взятия проб во всех точках площадки (15-30 промежуточных смешанных образцов), многократным
квартованием получают конечный смешанный образец весом 200-500 г.
Все взятые образцы должны быть с этикетками, перечень их записывается. Сухие почвенные образцы помещаются в мешки из хлопчатобумажной
ткани, сырые образцы – в полиэтиленовые мешки. Для хранения сырые образцы почв должны быть высушены в сушильном шкафу при 60-80°С.
Контролируемые показатели почвенно-химического мониторинга, аппаратура и методы анализа
Как уже отмечалось, цели и задачи мониторинга не включают ни вопросы исследовательской работы, ни вмешательства в протекающие природные процессы. Система мониторинга – это система наблюдений, получения
информации о состоянии природной среды. Отсюда следует, что выбираемые для мониторинга показатели должны быть, по возможности, просты, а
методы доступны, в том числе для сравнительно небольших лабораторий, не
располагающих дорогостоящим оборудованием. Кроме того, необходимо
отметить, что если при контроле воздуха или вод основное внимание обращается на вредные или токсичные примеси, то при почвенном мониторинге
приходится контролировать многие параметры, характеризующие систему в
целом, выявлять признаки, указывающие на возникновение неблагоприятных тенденций или снижение почвенного плодородия. Рассмотрим конкретные важнейшие показатели почвенного мониторинга.
55
Кислотно-основные свойства. Важнейший и, как правило, достаточный для характеристики почв показатель – это значение рН в водных или солевых вытяжках. Величина рН свидетельствует только о степени кислотности или щелочности почв, но из-за достаточно высокой буферности почв она
не позволяет количественно оценить кислотность или щелочность. Возможны случаи, когда оценить содержание кислотных компонентов в почве нарастает, но рН практически не изменяется. Тогда кроме рН целесообразно
определять так называемую потенциальную кислотность, количество которой находят путем титрования щелочью вытяжек из почв, приготовленных
на 0,1 М растворе KCl. В агрохимических лабораториях обычно ограничиваются определением рН таких вытяжек, что в известной мере позволяет судить об уровне потенциальной кислотности почвы.
Для определения рН водных вытяжек используют стеклянные электроды. Навеску воздушно-сухой почвы массой 10 г, пропущенной через сито с
отверстиями в 1 мм, помещают в плоскодонную колбу, приливают 25 мл
дистиллированной воды (рН 6,0-6,5), взбалтывают в течение 1 ч. В приготовленную суспензию погружают комбинированный электрод или простой
Н-электрод и электрод сравнения (каломельный или хлорсеребряный) и измеряют ЭДС с помощью любого подходящего рН-метра, иономера или потенциометра. Затем по градуировочному графику, предварительно построенному с помощью стандартных буферных растворов, находят значение рН. На
рН-метрах имеется непосредственно шкала рН, настройку которой осуществляют также по стандартным растворам.
Промышленность выпускает стационарные лабораторные рН-метры и
переносные – полевые, портативные приборы, удобные для осуществления
контроля непосредственно в природной обстановке.
Оптимальный диапазон рН для растений – примерно от 5,0-5,5 до 7,07,5. Если кислотность увеличивается, прибегают к известкованию почв; при
рН более 7,5-8,0 используют химические средства для снижения рН. Возможно прямое кислование серной кислотой, чаще используемое на содовых
солонцах-солончаках, внесение гипса, сульфатов железа.
Аналогично получают солевые вытяжки, используя вместо дистиллированной воды 1,0 М раствор KCl. Все остальные операции идентичны. Величины рН следует контролировать 2-3 раза в год, поскольку нежелательные
сдвиги могут проявляться только в один из сезонов.
Динамика содержания гумуса. В настоящее время контроль за содержанием гумуса входит в число первоочередных задач, поскольку изменение количества органического вещества в почве не только прямо связано с изменениями
практически всех почвенных свойств и их плодородием. но отражает влияние
внешних негативных процессов, вызывающих деградацию почв.
Для определения содержания гумуса в почве чаще всего используют метод Тюрина – по окисляемости органического вещества. Принцип метода заключается в следующем. К навеске почвы приливают раствор K2Cr2O7 в серной
кислоте и кипятят точно 5 мин (в некоторых модификациях метода реакцию
проводят при комнатной температуре в течение суток). При этом органические
вещества, входящие в состав гумуса, окисляются до СО2 и Н2О; для обеспечения полноты окисления используют в качестве катализатора Ag2SO4. По количеству израсходованного окислителя рассчитывают содержание в почве гумуса.
Применение этого метода стало возможным потому, что элементный
состав почвенного гумуса представлен преимущественно С, Н, О, N, но содержание азота мало (около 5 % от количества гумуса) и его практически не
56
принимают во внимание. Соотношение Н и О в гумусе почти такое же, как в
воде, т.е. атомное отношение Н:О=2:1; иными словами, окислитель не расходуется на окисление Н до воды. С некоторым приближением считают, что
весь окислитель расходуется только на окисление углерода:
C + K2Cr2O7 → CO2
При этом Cr6+ восстанавливается до Cr3+. Количество израсходованного окислителя находят либо путем обратного титрования солью Мора, либо
спектрофотометрически, определяя содержание образовавшегося Cr3+ в пробе по интенсивности довольно сильной полосы поглощения при 580 нм.
Недостаток этого метода заключается в том, что реально определяется
не содержание углерода, а окисляемость почвы, поэтому метод неприменим
для анализа оглеенных и заболоченных почв. Кроме того, результаты наблюдений обусловлены не только изменением количества гумуса в почве, но и
степенью его окисленности. При вспашке и длительном сельскохозяйственном использовании органическое вещество почвы дополнительно окисляется, отношение Н:О становится меньше, чем 2:1, и на окисление гумуса расходуется уже меньшее количество дихромата. Создается впечатление потерь
гумуса, хотя на самом деле возрастает степень его окисленности. Тем не менее метод широко используется в силу его простоты и доступности.
В последнее десятилетие стали применять анализаторы углерода, в которых производится сухое сжигание органического вещества в токе кислорода с последующим определением количества выделившегося CO2. Этот
метод быстр, дает истинное представление о содержании углерода, но не
всегда обеспечивает полное сжигание гумуса (это зависит от используемой в
анализаторе температуры, продолжительности сжигания и состава газовой
смеси); мешающее влияние могут оказать почвенные карбонаты. Анализаторы углерода и комбинированные анализаторы, позволяющие определять углерод, водород и азот, несомненно перспективны, хотя пока еще дороги и
доступны далеко не всем лабораториям.
Для контроля за качественной характеристикой почвенного гумуса целесообразно определять содержание водорастворимых органических веществ, формирующих в значительной мере запас элементов питания и являющихся показателем доступности гумусовых веществ микроорганизмам.
Вторичное засоление почв. Вторичное, точнее – антропогенное засоление почв проявляется при недостаточно научно обоснованном орошении,
строительстве каналов и водохранилищ, при развеивании солевых аккумуляций
и др. Химически оно проявляется в увеличении содержания в почвах и почвенных растворах легкорастворимых солей – таких как NaCl, Na2SO4, MgCl2,
MgSO4. Наиболее простой и быстрый метод обнаружения засоления основан на
измерении электрической проводимости. Применяют определение электрической проводимости почвенных суспензий, паст насыщения, водных вытяжек,
почвенных растворов и непосредственно почв. Быстро и достаточно точно
можно контролировать этот процесс путем определения удельной электрической проводимости водных суспензий с помощью специальных солемеров.
Осолонцевание почв. Химическим признаком осолонцевания обычно
служит увеличение содержания в почвах обменного натрия. Для определения его содержания навеску почвы заливают 1 М раствором MgCl2, взбалтывают в течение 1 ч и затем определяют количество натрия, вытесненного из
почвенного поглощающего комплекса по реакции:
57
ПNa2 + MgCl2 → ПMg + 2NaCl,
где П – символ почвенного поглощающего комплекса; коэффициенты уравнения в известной степени условны, поскольку основность П практически не
может быть определена.
Общее количество вытесненного Na+ может быть определено ионометрически или на пламенном фотометре. Для ионометрического определения
используют выпускаемые промышленностью Na-стеклянные электроды. В
ходе анализа непосредственно в суспензию погружают индикаторный стеклянный электрод и электрод сравнения; затем измеряют на потенциометре
(иономере) возникшую ЭДС и по градуировочному графику находят количество натрия. Градуировочный график строят по стандартным растворам, содержащим 1 М MgCl2 и переменные количества NaCl.
Для фотометрического определения Na+ полученную суспензию
фильтруют или центрифугируют, с тем чтобы получить прозрачный раствор,
а затем вводят последний в пламя горелки. Градуировочный график строят
так же, как и при ионометрическом определении.
Угнетение почвенной биоты. Этот важный показатель, пригодный в том
числе и для ранней диагностики негативных процессов в почве, находят, как
правило, по косвенным признакам. Сравнительно простой прием, позволяющий
оценить суммарную активность почвенных организмов, разлагающих органическое вещество и выделяющих диоксид углерода, состоит в определении так называемого дыхания почвы, или эмиссии почвой СО2. В полевых условиях на
поверхность почвы устанавливают специальные камеры (предложен ряд систем), которые улавливают выделяющийся СО2, например, путем его поглощения раствором щелочи; затем количество поглощенного СО2 можно измерить
титрованием, по электрической проводимости. Разработаны методы определения СО2 в газовой фазе по поглощению энергии электромагнитных колебаний в
инфракрасной области. В этом случае СО2 не фиксируется раствором щелочи, а
непосредственно почвенный воздух прокачивают через кювету инфракрасного
спектрофотометра и по интенсивности полосы поглощения СО2 оценивают его
содержание в воздухе. Дыхание почвы – хороший показатель, но надо помнить,
что эмиссия СО2 весьма динамична и меняется не только по сезонам года, но и в
течение суток (суточная динамика), а также с изменением погодных условий.
Предложены также приемы оценки деятельности почвенных микроорганизмов по уровню азотфиксации, нитрификации. Однако среди других методов более привлекательны методы определения ферментативной активности почвы. Общий характер имеет величина каталазной активности, используют также полифенолоксидазную и дегидрогеназную активность.
Фитотоксичность почвы. Необходимость определения этого показателя особенно часто возникает при мониторинге химически загрязненных
почв или при оценке возможности использования в качестве мелиорантов
или удобрений различного рода отходов: осадков сточных вод, различного
рода компостов, гидролизного лигнина.
Для выяснения относительной фитотоксичности используют метод рулонной культуры, выращивая проростки тест-растений на рулоне фильтровальной бумаги из семян, замоченных в растворе с различными концентрациями тяжелых металлов.
Для определения фитотоксичности используют также метод определения депрессии гуттации или выделения влаги кончиками листьев растений
при опережающем росте корней по сравнению с листьями. Метод определе58
ния фитотоксичности, предложенный Реппо (1979), основан на торможении
ростовых процессов в условиях избыточного содержания тяжелых металлов
и снижения гуттации.
Фитотоксичность ионов можно определять по формуле Удовенко:
К Т = [(РК − РО )СК ] (РК СО ) ,
где КТ – коэффициент токсичности; РК – сухая масса растения на контроле;
РО – то же, в присутствии токсиканта; СК – содержание иона в сухой массе на
контроле; СО – то же, в варианте с токсичным элементом.
Просты и удобны экспериментальные методы определения фитотоксичности: метод проростков и метод угнетения микробных популяций по
Красильникову.
Определение фитотоксичности методом проростков. Принцип метода. Метод основан на реакции тест-культур при внесении в почву удобрений,
мелиорантов, загрязняющих веществ и т.п. По сути дела этот метод позволяет выявлять токсичное (ингибирующее действие тех или иных веществ) и
стимулирующее влияние, активизирующее развитие тест-культур. Семена
тест-культур высеваются в вегетационные сосуды или лабораторные стаканы, заполненные почвой с добавками изучаемых веществ, или загрязненной
и незагрязненной почвой. В ходе опыта фиксируют всхожесть, энергию прорастания, длину надземной и корневой системы, массу сухого вещества надземной и подземной части.
Выбор тест-культур. Желательно иметь быстро прорастающие культуры, которые обычно выращиваются в хозяйствах изучаемого региона. Так,
для изучения дерново-подзолистой почвы нередко использую овес, как представитель злаковых несимбиотрофных растений и горох – представитель бобовых, способных к азотфиксации. Для степных почв это могут быть пшеница, люцерна, бобы, фасоль. Важно, чтобы были использованы одновременно
азотфиксирующие и не фиксирующие азот растения.
Условия опыта. Опыт проводится на световых стеллажах или в вегетационных домиках при поддержании постоянной влажности почвы. Принятая
влажность, равна 70 % от полной влагоемкости (ПВ). С этой целью для изучаемых почв или смесей предварительно определяют полную влагоемкость стандартным методом, используя одинаковую подготовку проб (измельчение, растирание, перемешивание и пр.). Затем в начале опыта почву увлажняют расчетным количеством воды так, чтобы влажность была 70 % ПВ. Эту влажность
поддерживают постоянной, для чего сосуды взвешивают после первого увлажнения немедленно, а затем периодически повторяют взвешивание и потерю
массы компенсируют добавлением в сосуды недостающей воды.
Ход анализа. Возможны три варианта опытов. В первом варианте к
почве добавляют исследуемое на фитотоксичность вещество. Добавленные
дозы должны превышать в максимальных вариантах намечаемые для внесения в реальных условиях. Второй вариант: просто сравниваются две почвы
или более, попарно – незагрязненная и загрязненная. Третий вариант: загрязненная почва добавляется к незагрязненной в возрастающих количествах
(вплоть до 100 %). Все опыты ставят не менее чем в трехкратной повторности. Смеси (если они используются) тщательно перемешиваются.
В стеклянные стаканы помещают по 100 г субстрата (смеси или почвы), субстрат увлажняют до 70 % от ПВ (и такую влажность поддерживают в
течение всего опыта) и в каждый сосуд высевают по 13 семян тест-культуры.
На 4-е сутки стаканы помещают на световой стеллаж с освещением в течение
59
14 ч в сутки (с 6 до 20 ч). В этих условиях тест-культуры выращиваются в
течение двух недель.
В процессе опыта ведут наблюдения по следующим показателям: время появления всходов и их число на каждые сутки; общая всхожесть (к концу опыта); измеряют регулярно длину надземной массы (высоту растений);
по окончании опыта растения осторожно отделяют от земли, просушивают,
стряхивают остатки почвы и измеряют окончательную длину надземной части растений, длину корней, затем высушивают растения на воздухе и отдельно взвешивают надземные части и корни (все результаты рассчитывают на
сосуд или можно сделать пересчет на одно растение). Сопоставление этих
данных позволяет выявить факт фитотоксичности или стимулирующего действия. Обращают также внимание на окраску растений (раннее пожелтение),
характер корней, например более короткие, но густые.
Фитотоксический эффект может быть рассчитан по разным показателям. Если, например, опираться на массу растений, то фитотоксический эффект ФЭ (%) рассчитывают по формуле:
М − Мx
100 ,
ФЭ = о
Мо
где Мо – масса контрольного растения (или всех растений на сосуд); Мx –
масса растения (растений, выращенных на фитотоксичной среде).
Определение фитотоксичности по азотобактеру (метод Красильникова). Ход анализа. Свежеприготовленную агаровую среду разливают в стерильные чашки Петри и после застывания среды покрывают стерильными пластинками целлофана. На поверхность целлофана в центр чашки с агаром накладывают комочек испытуемой почвы диаметром 2 см, также увлажненной водой.
Можно расположить не один, а 4-5 комочков на равном расстоянии друг от друга, тогда диаметр их будет несколько меньше, около 1 см. После наложения комочков почвы чашки выдерживают в термостате в течение суток. Затем целлофан с почвой снимают с агара, а среду засевают суточной культурой.
При наличии в почве токсичных веществ на газоне азотобактера на поверхности агара образуются стерильные зоны. Количественной мерой фитотоксичности служит диаметр образующейся стерильной зоны. Опыт должен
проводить специалист, имеющий навык микробиологических работ.
Загрязнение почв нефтепродуктами. При контроле за загрязнением
почв нефтепродуктами решаются обычно три основные задачи: 1) определяются масштабы (площади) загрязнения; 2) оценивается степень загрязнения;
3) выявляется наличие токсичных и канцерогенных соединений.
Первые две задачи могут решаться дистанционными методами, к которым относится аэрокосмическое измерение спектральной отражательной
способности почв. По измеренным величинам спектральных коэффициентов
яркости (СКЯ) удается обнаружить территории, загрязненные нефтью, а по
уровням изменения окраски – примерно установить степень загрязнения.
Почвы селективно отражают электромагнитные колебания. В синей
области спектра – от 400 до 500 нм отражение невелико, чаще всего от 5-10
до 15-20 % интенсивности падающих на поверхность почвы световых потоков. В красной области – около 700-750 нм наблюдается максимальное отражение, которое для светло-окрашенных почв может достигать 40-60 %.
Значения СКЯ почв, загрязненных нефтью, резко снижаются, зависимость
между величиной спектральных коэффициентов отражения ρλ и содержанием в почве углеводородов нефти выражается уравнением
60
−α УВ
ρλ = ρ0 + k ⋅ 10 [ ]
где ρ0 – отражение от максимально загрязненной почвы; k и α – коэффициенты; [УВ] – содержание углеводородов нефти, %.
По изменению окраски или плотности почернения на аэрофотоснимках
можно определить размеры загрязненной территории, конфигурацию площади загрязнения, а по снижению коэффициента отражения в первом приближении оценить степень загрязнения. Так, например, для серо-бурых почв
Апшеронского полуострова установлены следующие уровни интегральных
коэффициентов отражения (СКО) (по Бочарниковой):
Почвы
СКО, %
Незагрязненные
>27
Слабозагрязненные
22-27
Среднезагрязненные 14-22
Сильнозагрязненные >14
В лабораторных условиях степень загрязнения находят также непосредственно по количеству содержащихся в почве углеводородов. Экстракцию почв, по Амосовой, проводят гексаном в аппарате Сокстек. Затем гексан
отгоняют, а количество извлеченных углеводородов определяют гравиметрически. Метод точен и быстр, но установлено, что гексан, как и другие растворители, не извлекает из почв полностью все углеводороды, источниками
которых являются нефть и нефтепродукты. Следует отметить, что иногда
общее количество загрязняющих почвы углеводородов определяют так же,
как и при определении гумуса по методу Тюрина, т.е. по окисляемости. Этот
метод в данном случае нельзя считать пригодным, поскольку при окислении
углеводородов дихромат расходуется как на реакцию С→СО2, так и на реакцию Н→Н2О, таким образом результаты получаются завышенными.
При мониторинге почв, загрязненных углеводородами, особое внимание уделяется определению полициклических ароматических углеводородов
(ПАУ) люминесцентными и газохроматографическими методами.
Загрязнение почв тяжелыми металлами. Определение степени загрязнения почв тяжелыми металлами является не простой задачей. Главная
причина заключается в том, что любые элементы в почве присутствуют в
форме различных соединений, только часть которых доступна растениям.
Эти соединения могут трансформироваться и переходить из одних форм в
другие. Поэтому для целей мониторинга выбирают в известной мере условно
две или три важнейшие группы. Обычно определяют общее (валовое) содержание элементов, их лабильные (подвижные) формы соединений, иногда отдельно определяют обменные формы и водорастворимые соединения.
Валовое содержание тяжелых металлов определяют методом эмиссионного спектрального анализа без предварительного разложения пробы почвы, или методами атомно-абсорбционной спектрометрии после переведения
пробы почвы в раствор путем сплавления или разложения кислотами.
В случае эмиссионного спектрального анализа навеску почвы в 5-10 г
растирают в агатовой ступке до состояния пудры. Из растертой пробы берут
навеску около 3 г и прокаливают ее в муфельной печи при 450-500°С в течение 2 ч для удаления воды и разложения органического вещества. Определяют потерю от прокаливания для пересчета результатов анализа на исходную массу почвы. В ходе анализа проба почвы сжигается в дуге переменного
тока и эмиссионные спектры регистрируются на фотопластинках. Для сжи-
61
гания пробы почвы ее набивают в канал (концентрическую выточку) нижнего электрода спектрографа; верхний электрод изготавливается в форме усеченного конуса с площадкой на торце диаметром около 1 мм. Электроды устанавливаются в держатели спектрографа; в момент включения дуги
(дуговые генераторы ДГ-1,ДГ-2) рекомендуется начинать сжигание при небольшой силе тока в 3-5 А, а затем повышают ее до 18-20 А и проводят сжигание в течение 2,5-3 мин до полного испарения пробы.
По окончании съемки спектров пластинку проявляют, фиксируют,
промывают, высушивают и содержание элементов находят по интенсивности
почернения соответствующих аналитических линий (нм): Be – 234,86; B –
249,77; Sc – 335,37; Ti – 295,61; V – 318,53; Cr – 301,47; Mn – 294,92; Co –
345,35; Ni – 341,47; Cu – 327,39; Zn –334,50; Ga – 294,36; Sr –346,44; I –
332,78; Zr –327,92; Mo – 317,03; Sn – 317,50; Ba – 233,52; Pb – 283,30.
Атомно-абсорбционная спектрометрия используется для определения
как валовых, так и подвижных соединений элементов. При валовом анализе
подготовка почвы заключается в сплавлении или кислотной обработке. Разложение сплавлением проводят по Дженроу, используя в качестве плавня метаборат стронция Sr(BO2)2. Плавень получают смешением тонкоизмельченных
SrCO3 и H3BO3 и нагреванием в муфеле до 300°С; затем смесь выдерживают
при 700°С в течение 1 ч. Тонкоизмельченную пробу почвы массой 0,1 и 0,5 г
плавня смешивают и помещают в графитовый тигель, который нагревают в высокочастотной индукционной печи при 1100°С в течение 15 мин до получения
полностью прозрачного плава. Затем плав выливают в разбавленную HNO3
(1:100), перемешивают с помощью магнитной мешалки и разбавляют до объема
200 мл. Этот раствор используют для определения элементов. Концентрацию Si,
Al, Ti, Fe, Ca, Mg определяют в пламени оксида азота (III) – ацетилен; элементы
Na, K, Mn, Cu и другие определяют в пламени ацетилен-воздух.
При кислотном разложении пробы растертой почвы прокаливают, а
затем в чашках из фторопласта обрабатывают 5 мл царской водки и 15 мл
48%-ной HF, выпаривая на этернитовой плитке. По окончании обработки сухой остаток растворяют в разбавленной HCl (1:1) и в аликвотах раствора определяют отдельные элементы.
Для определения подвижных соединений тяжелых металлов используют кислотные, солевые и водные вытяжки из почв.
Вместо сплавления или полного разложения почв для определения Zn,
Cu, Ni, Co, Mn, Pb, Cd используют вытяжку 1 М HCl или HNO3. Считается,
что в сильно загрязненных почвах вытяжка 1 М HNO3 извлекает 90-95 % тяжелых металлов. Вытяжку готовят при отношении почва:раствор=1:10, смесь
настаивают сутки или взбалтывают в течение 1 ч.
Собственно подвижные, доступные растениям элементы нередко определяют в вытяжках ацетатно-аммонийного буферного раствора с рН 4,8
при отношении почва:раствор=1:10. Водорастворимые соединения элементов определяют в водных вытяжках из почв.
При атомно-абсорбционном определении тяжелых металлов и ряда
других элементов используют следующие аналитические линии (нм): Si –
251,6; Al – 309,3; Ti – 364,3; Fe – 248,3; Ca – 422,7; Mg – 285,21; Mn – 279,5;
K – 766,5; Na – 589,0; Sr – 460,7; Ba – 553,5; Cu – 324,7; Zn – 213,9; Co –
240,7; Ni – 232,0; Pb – 217,0; Cd – 228,8; As – 193,7.
62
Тема 7
Основные направления охраны земель
Развитие несельскохозяйственных отраслей экономики сопровождается
ростом площадей, занятых промышленными, транспортными и др. предприятиями, усилением их отрицательного воздействия на земельные ресурсы. Это
проявляется в загрязнении окружающих территорий, изменении качественного
состояния и нарушении земель. Охрана земель представляет систему организационных, экономических, правовых, инженерных и других мероприятий, направленных на защиту земель от расхищения, необоснованных изъятий из сельскохозяйственного оборота, нерационального использования, вредных антропогенных и природных воздействий в целях повышения эффективности природопользования и создания благоприятной экологической обстановки. Главными
целями охраны городских земель являются экономия продуктивных земель, защита от захламления, загрязнения и эрозии и рекультивация земель. Основная
задача в проблеме охраны городских земель – их защита от механического, химического и бактериального загрязнения. Рассмотрим эти направления.
Рациональное использование территорий
Важное направление охраны земель – экономия промышленных городских территорий при размещении промышленных объектов. Повышение эффективности размещения промышленных предприятий с точки зрения охраны
окружающей среды может быть достигнуто разными путями с учетом конкретных территориальных, социально-экономических, природно-климатических и
других условий. Этого можно добиться уплотнением застройки, увеличением
этажности, строительством новых типов зданий компактного вертикального
развития, более широким использованием подземных сооружений. Важнейшим
из них является групповое размещение промышленных предприятий. Экологический и экономический эффект здесь достигается в результате создания единой системы технических и технологических мероприятий, направленных на
охрану окружающей среды и наиболее экономное использование территорий, в
частности более рационального зонирования промышленных, коммунальноскладских и транспортных территорий, размещения санитарно-защитных зон и
повышения уровня их озеленения и благоустройства.
При размещении промышленных узлов следует создавать многопроводные транспортно-технические коридоры совмещающие транспортные
пути с размещением инженерно-технических сооружений с использованием
подземного пространства и многоярусного их размещения. Целесообразность создания единых транспортных и инженерных инфраструктур определяется не только с позиций планировочных и технико-экономических, но и
экологических требований. Участки технических коридоров в пределах городских территорий требуют компактного решения и удаления от жилой застройки из-за неблагоприятного воздействия на окружающую среду
(вибрация, шум, загрязнение воздуха по трассам железных и автомобильных
дорог; образование магнитных полей вдоль трасс ЛЭП; наличие взрывоопасных участков вдоль газовых трубопроводов и пр.). Создание единой структуры транспортных и инженерных сетей позволяет более эффективно использовать территории их для размещения с учетом особенностей ландшафтов и экологических и санитарно-гигиенических требований.
63
Рекультивация нарушенных земель
Нарушенными называются земли, утратившие свою хозяйственную
ценность или являющиеся источником отрицательного воздействия на окружающую среду в связи с нарушением почвенного покрова, гидрогеологического режима и образования техногенного рельефа в результате производственной деятельности человека. Вновь использовать такие земли в хозяйственных целях можно только после рекультивации. Рекультивация – это
комплекс работ, проводимых с целью восстановления нарушенных территорий и приведения земельных участков в безопасное состояние. Решение проблемы рекультивации в значительной мере зависит от конкретных экологических условий нарушенных территорий. Для проектирования рекультивационных работ нужны данные о физико-химическом составе грунта, особенностях гидрологического режима, форме отвалов, крутизне откосов и т.д.
Объектами рекультивации являются:
• земли, нарушенные при строительстве;
• карьерные выемки, провальные воронки, терриконы, отвалы и т.п.;
• территории полигонов твердых отходов;
• земли, нарушенные в результате их загрязнения жидкими и газообразными
отходами (нефтезагрязненные земли, газогенные пустыни и др.).
Предприятия и организации, в результате деятельности которых произошло нарушение земель (например, при строительстве), обязаны проводить рекультивацию за свой счет. При этом они должны соблюдать требования по снятию, хранению и возврату или перемещению верхнего гумусированного слоя почвы на рекультивируемые земли или на малопродуктивные
угодья. Снятие плодородного слоя почвы осуществляется в соответствии с
ГОСТ 17.5.3.06-85 “Охрана природы. Требования к определению норм снятия плодородного слоя почвы при производстве земляных работ”. Для разных типов почв толщина плодородного слоя колеблется от 0,2 (дерновоподзолистые) до 1,2 м (черноземы). Плодородный слой складируется в специальных временных отвалах (буртах) или вывозится для нанесения на нарушенные земли. Нанесение почвы на нарушенные земли производится не
позднее одного года с момента окончания земляных работ.
Рекультивация осуществляется последовательно, по этапам. Различают
техническую, биологическую и строительную рекультивации.
Техническая рекультивация означает предварительную подготовку
нарушенных территорий для различных видов использования.
На этапе технической рекультивации засыпают карьерные, строительные и другие выемки, в глубоких карьерах устраивают водоемы, полностью
или частично разбирают терриконы, отвалы, хвостохранилища, формируют
откосы выемок, закладывают “пустыми” породами выработанные подземные
пространства. После завершения процесса осадки поверхность земли выравнивают. Кроме того, проводят инженерную подготовку восстанавливаемых
площадей (отвод поверхностных вод и защита от подтопления, размыва и заболачивания; борьба с эрозией; устройство дорог); проводят гидротехнические работы по строительству водохозяйственных объектов (устройство ложа водоема, производство береговых укрепительных работ, устройство водозаборных и сбросных сооружений) и т.д.
Биологическая рекультивация проводится после технической для
создания растительного покрова на подготовленных участках. С ее помощью
восстанавливают продуктивность нарушенных земель, формирую зеленый
64
ландшафт, создают условия для обитания животных, растений, микроорганизмов, укрепляют насыпные грунты, предохраняя их от водной и ветровой
эрозии и т.д. Работы по биологической рекультивации ведут на основе знания развития сукцессионных процессов. Эти работы выполняются сельско- и
лесохозяйственными организациями.
При благоприятных условиях рекультивацию осуществляют не по всем
этапам, а выбирают какое-либо одно преимущественное направление рекультивации: водохозяйственное, рекреационное, строительное и др. Например, на территориях, подверженных влиянию газо-дымовых выбросов промышленных предприятий, рекомендуется санитарно-гигиеническое направление рекультивации с использованием газоустойчивых растений.
Важную проблему представляет рекультивация отвалов золы электростанций и шлаковых полей металлургических заводов и обогатительных фабрик. Они изымают землю из оборота, а также представляют опасность в санитарно-гигиеническом отношении. Поэтому их нужно закреплять и озеленять.
Очень сложной является рекультивация нефтезагрязненных земель, т.к.
они имеют обедненную биоту и содержат канцерогенные углеводороды типа
бенз(а)пирена. Для этого необходимы рыхление и аэрация почвы, использование бактерий, разрушающих нефть, посев специально подобранных трав и
другие методы.
При необходимости выполняют также строительный этап рекультивации, в ходе которого на подготовленных территориях возводят различные сооружения.
Наибольшая часть рекультивируемых в настоящее время земель приходится на площади, нарушенные при строительстве линейных сооружений
(дорог, трубопроводов, электролиний). Технология защиты земель предусматривает размещение защитных лесополос вдоль дорог. Применяются также технические средства: защитные валы и дамбы, водоотводящие устройства.
Работы по рекультивации нарушенных территорий обеспечиваются
нормативными материалами и ГОСТ. Например, действует ГОСТ 17.5.3.0483 “Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель”.
Кроме того, сокращение площади нарушенных земель осуществляют
рациональной организацией территории и технологических процессов добычи и переработки полезных ископаемых; увеличением высоты действующих
отвалов; использованием для размещения отвалов и шлакохранилищ отработанных карьеров, деформированных поверхностей; комплексной переработкой добываемого сырья и пород вскрыши. Расход земельных площадей при
этом сократится на 18-20 %.
Защита почв от подтопления и эрозии
Экологически рациональное использование городских земель должно
обеспечивать минимум антропогенных изменений окружающей среды. Хозяйственная деятельность на территории города часто приводит к таким явлениям как подтопление, эрозионный размыв, оползание и оплывание береговых склонов, развитием карстово-суффизионных процессов. При градостроительстве происходит выравнивание рельефа, что приводит к уменьшению поверхностного стока и, в свою очередь, может привести к увеличению
влажности грунта, к подъему уровня грунтовых вод и подтоплению. Нарушения режима подземных вод непосредственно связаны с опасностью техногенного загрязнения и ухудшения качества питьевой воды.
65
Основными причинами подтопления территорий и связанных с ним увеличением пучинности грунтов и заболачиванием являются уничтожение естественных дрен (планировка местности, засыпка оврагов, возведение насыпей и
т.д.), утечки из коммуникаций, а в отдельных случаях создание искусственных
водоемов. Морозное пучение грунтов – распространенный процесс, проявляющийся в местах залегания пород песчано-суглинистого состава. В результате
локализованных утечек промышленных вод часто возникают участки размыва
поверхности земли, образуются промоины, активизируется овражная эрозия.
Эрозия почв, или водная эрозия, – это процессы разрушения и сноса
почв под воздействием размыва водой. Дефляция, или ветровая эрозия, –
разрушение и перенос почв под воздействием ветра.
Различают эрозию почв нормальную, или геологическую, и ускоренную, или антропогенную. Первая свойственна нераспаханным территориям с
сохранившимся естественным растительным покровом, где она протекает
медленнее, чем формирование почвенного профиля. Вторая развивается в
результате нерациональной хозяйственной деятельности человека. В таком
случае процессы водной и ветровой эрозии ускоряются, опережают процессы восстановления почвенного профиля.
При ветровой эрозии происходит выдувание почвы, снос ее мелких сухих частиц ветром. Сухие почвы поддаются действию ветра легче, чем влажные, поэтому ветровая эрозия чаще всего наблюдается в засушливых районах. Но при нарушении поверхности почв и особенно при нарушении травяного покрова, при формировании отвалов, снятии плодородных почв ветровая эрозия проявляется более успешно.
Смыв почв приводит к заиливанию водоемов и обмелению рек, что наносит большой урон сельскому хозяйству, энергетике и транспорту.
При проектировании противоэрозионных мероприятий должно быть
предусмотрено выполнение следующих главных требований:
• в зонах водной эрозии – создание водоустойчивой поверхности почвы, регулирование стока талых и ливневых вод;
• в зонах ветровой эрозии – создание ветроустойчивой поверхности почвы,
уменьшение скорости ветра в приземном слое и сокращение размеров пылесборных площадей.
Создание эрозионно-устойчивой поверхности зависит от формирования ее рельефа и эффективности метода рекультивации (восстановление
почвенного и растительного покрова). Рельеф и растительный покров, в
свою очередь, определяют величину стока талых и ливневых вод, а также
скорость ветра в приземном слое и размеры пылесборных площадей.
Важнейшими элементами системы мероприятий по защите рекультивируемых земель от водной эрозии являются:
• противоэрозионная агротехника, обеспечивающая повседневную защиту
почвенного слоя и повышение его плодородия при рекультивации земель
(почвозащитные севообороты, химические средства борьбы и т.д.);
• лесомелиоративные мероприятия по борьбе с эрозией почв на восстанавливаемых землях (полезащитные и водорегулирующие лесные полосы,
лесные насаждения на оврагах, балках и т.д.);
• гидротехнические сооружения, предотвращающие размыв рекультивационного слоя и откосов отвала (устройство каналов, валов, террас, сооружение водотоков, лотков и т.п.).
При этом учитывают, что гидротехнические мероприятия останавливают развитие эрозии на определенном участке сразу же после их устройст66
ва, агротехнические – через несколько лет, а лесомелиоративные – через 1020 лет после их внедрения.
Особо важную роль в защите почвы как от склонового стока, так и от
ливней играет растительный покров. Корни растений надежно закрепляют
почву, лесополосы снижают скорость ветра, кроме того растительность способствует усилению биологической активности почвы.
Для борьбы с заболачиванием почв в районах достаточного или избыточного увлажнения в результате нарушения природного водного режима применяют различные осушительные меры. В зависимости от причин заболачивания это может быть понижение уровня грунтовых вод с помощью закрытого
дренажа, открытых каналов или водозаборных сооружений, строительство
дамб, спрямление русла реки для защиты от затопления, перехват и сброс атмосферных склоновых вод и др. Однако чрезмерное осушение больших площадей
может вызвать нежелательные изменения в экосистемах – пересушку почв, их
дегумификацию и декальцинирование (приставка “де” означает устранение чего-либо), а также вызвать обмеление малых рек, усыхание лесов и т.д.
Охрана почв от загрязнения тяжелыми металлами
Защита почв от загрязнения тяжелыми металлами заключается в основном на предупредительных мерах, т.е. на совершенствовании производства (создание безотходных производств и замкнутых производственных
схем), снижение загрязнений атмосферных выбросов и сточных вод. К мерам
борьбы с уже имеющимся загрязнением почвы тяжелыми металлами относятся известкование, внесение органических удобрений и химическое осаждение. Известкование снижает подвижность тяжелых металлов, способствует
закреплению их в малоподвижной, недоступной растениям форме. Органические удобрения выступают как хороший сорбент и способствуют снижению токсического действия тяжелых металлов. При химическом осаждении
происходит образование труднорастворимых соединений, но этот метод эффективен только при высоких концентрациях тяжелых металлов. Кроме того
можно выращивать растения, слабо реагирующие на высокие концентрации
в почве тяжелых металлов и не аккумулирующие их в опасных для животных и человека количествах, например технические культуры. Очень эффективна посадка на содержащих тяжелые металлы почвах лесных насаждений,
так как в этом случае исключаются какие-либо санитарные ограничения.
Создание системы озелененных пространств и сохранение крупных зеленых массивов при формировании системы населенных мест имеют большое оздоровительное значение. К важнейшим функциям зеленых зон городов относятся: оздоровление городского воздушного бассейна, смягчение
неблагоприятных природно-климатических условий, сохранение водных ресурсов и почв, охрана животного мира, организация комфортных условий
массового отдыха населения.
Оздоровительные функции зеленых зон заключаются в очистке воздуха от пыли (21-86 %) и газообразных токсических веществ (в 40-50 раз) до
уровня ниже ПДК, обогащении кислородом, а также обусловлены антимикробными и стерилизующими свойствами многих видов деревьев. Насаждения вдоль магистралей и дорог способствуют локализации тяжелых металлов
и других загрязнителей в пространстве перед полосами и в лесных полосах и
защищают почву за их пределами. Кроме того лесозащитные полосы вдоль
железных и автомобильных дорог защищают их от заносов зимой.
67
Тема 8
Ландшафты населенных пунктов
Общие сведения
Ландшафты населенных пунктов (селитебные ландшафты) – это населенные пункты с комплексами жилых зданий, приусадебных участков, городских промышленных предприятий, зон отдыха и рекреации (сады, скверы, парки и др.). Они обладают целым рядом присущих только им особенностей, которые определяют ход миграции элементов в этих ландшафтах. Так, количество
грунтовых вод на единицу площади в населенных пунктах выше, чем в окружающих ландшафтах. Это связано, во-первых, с техногенным поступлением
воды (полив улиц, приусадебных участков, парков; просачивание и аварийные
прорывы питьевых, промышленных и сточных вод), а во-вторых, – с резким
уменьшением площадей, с которых возможно непосредственное испарение.
Селитебные ландшафты отличаются от окружающих не только количеством подземных вод, но и их составом, причем характерной особенностью состава подземных вод является мозаичность. Так, в подземных водах,
отобранных в различных частях крупного промышленного центра, общая
минерализация изменяется в 3-5 раз, содержание сульфатов – в 100-160 раз,
количество суммарного Na и К – в 300 раз, а хлоридов – в 10 000 раз. Содержание большинства компонентов в водах в центральной части городов увеличивается. Это особенно характерно для старых населенных пунктов, начавших формирование вокруг промышленных предприятий.
Существенно отличаются и почвы городских ландшафтов от почв соседних с ними и ранее существовавших на их месте ландшафтов. Следует
отметить, что в старых городах первичных почв практически нет вообще
(они относятся к захороненным), а современные почвы в таких городах
представляют собой смесь привезенных почв с промышленным, бытовым и
строительным мусором. Содержание в них некоторых элементов (в том числе и токсичных тяжелых металлов) часто повышено; распределение элементов – мозаично. Концентрация определенных элементов в почвах различных
участков города зависит от количества и состава находящегося в них городского мусора (строительного, бытового, промышленного). Так увеличение в
почвах Ленинграда содержания свинца и цинка связано с наличием в них обломков кирпичей, а никеля – с присутствием шлаков.
Содержание загрязняющих веществ в почвах зависит от их количества
и состава, поступивших из подземных и поверхностных вод, из атмосферы
(прямое выпадение из дымов и поступление с атмосферными осадками) и
путем простого механического перемещения от зон их концентрации.
От соседних ландшафтов отличается и городская растительность, которую обычно подбирают по принципу максимальной выживаемости в новых ландшафтно-геохимических условиях. Так, во многих городах основными деревьями являются тополя, хотя среди соседних природных, биогенных
ландшафтов тополевые леса не встречаются. Городская растительность выделяется и по комплексу концентрирующихся в ней элементов. Например, в
золе листьев тополя, произрастающего вдоль улиц с интенсивным автомобильным движением и в зонах загрязнения предприятиями химической промышленности, содержание Рb в десятки раз превосходит обычное.
Характерными особенностями обладает и приземная атмосфера городов. Так в атмосферу г. Лос-Анджелеса в течение только одних суток посту68
пает, т: углеводородов – 1320,5; ацетальдегидов – 60,5; других органических
газов и паров – 127,5; оксидов азота – 634,5; оксидов серы – 496; угарного
газа – 5068; остальных неорганических газов – 5; аэрозолей – 89.
Таким образом, селитебный ландшафт как единое целое существенно
отличается от соседних или ранее существовавших на его месте биогенных
ландшафтов. Своеобразные условия миграции химических элементов в
ландшафтах населенных пунктов привели к образованию специфического,
характерного лишь для селитебных ландшафтов состава почв, вод, растений
и приземной атмосферы.
Разделение ландшафтов населенных пунктов производится в первую
очередь по особенностям техногенной миграции элементов. С учетом этого
признака среди них можно выделить ландшафты: промышленных центров
государственного значения; городов регионального (краевого, областного)
значения; городов местного значения, поселков, станиц, железнодорожных
станций; рудников, шахт, обогатительных фабрик; курортов; хуторов.
Рассмотрим основные отличительные особенности ведущего
(техногенного) вида миграции в некоторых выделенных ландшафтах.
Объем завозимых в населенные пункты продуктов питания, строительных материалов, промышленных товаров зависит от числа жителей, т.е. от размеров населенных пунктов. Этот же показатель обуславливает и развитие городского транспорта (как общественного, так и личного), являющегося постоянным источником поступления в ландшафт специфических соединений: пыли
от износа покрышек автомобилей и троллейбусов; колес и рельсов трамваев;
выхлопных газов автомобилей. От числа жителей зависит и количество отходов, вносимых в ландшафт в результате нормальной их жизнедеятельности. В
значительной мере этим же показателем контролируется и количество удаляемых из ландшафта отходов, степень их очистки и способы захоронения
(утилизации). Таким образом, размер населенного пункта (число жителей) во
многом определяет баланс техногенной миграции элементов в ландшафте.
Однако количество и состав ввозимого в населенный пункт сырья, способы его обработки, объем отходов, форма нахождения элементов обусловлены профилями предприятий, действующих в рассматриваемом пункте.
Профиль основных предприятий оказывает значительное влияние и на систему очистки и способ захоронения отходов со всего города или из его отдельных районов. Таким образом, вторым важным фактором, определяющим
особенности техногенной миграции элементов в ландшафтах населенных
пунктов, является профиль предприятий, действующих в этих пунктах.
Ландшафты промышленных центров государственного значения. К
ним относятся города с населением около миллиона жителей (и выше). Подсчеты показывают, что только в процессе обычной жизнедеятельности жители города с миллионным населением ежесуточно выделяют в атмосферу
около 0,5 млн. м3 углекислого газа и 1200 м3 водяного пара и секрета потовых желез. Завоз продуктов питания и различных промышленных товаров в
таких крупных городах примерно одинаков и зависит больше от числа жителей, чем от природных особенностей зоны, в которой расположен город. Все
более приближаются в крупных городах к типовым (стандартным) системы
очистки городских сточных вод и способы утилизации твердых городских
отходов. Таким образом, техногенная миграция элементов, связанная непосредственно с жизнеобеспечением жителей в крупных городах, имеет гораздо больше общего, чем специфических отличий.
69
Промышленность городов с населением более одного миллиона жителей
отличается разнообразием, но практически всегда включает в себя предприятия
пищевой, химической, легкой промышленности, предприятия, связанные с обработкой металлов, строительные организации. Приведенные данные позволяют ориентировочно считать, что в таких городах состав и количество элементов, попадающих как загрязняющие в городской ландшафт в результате производственной деятельности, примерно одинаковы при пересчете на одного жителя. Следовательно, объединение городов с населением свыше 1 млн. жителей в
отдельный тип ландшафтов имеет и определенное геохимическое обоснование.
Ландшафты населенных пунктов регионального значения. К ним относятся города с населением более 300–500 тыс. жителей. В этих городах развитие определенных предприятий может оказывать решающее влияние на собственно техногенное поступление соответствующего комплекса элементов, в связи с чем дальнейшее разделение населенных пунктов регионального значения
целесообразно проводить с учетом преобладающего профиля основных предприятий. Например, отдельно следует выделять города, где в основном распространены нефтеперерабатывающие или цементные предприятия.
Еще большее влияние на особенности техногенной миграции оказывают крупные предприятия в ландшафтах местного значения (поселках,
станицах, железнодорожных станциях и городах с населением примерно до
300 тыс. жителей). Поэтому при детальных ландшафтно-геохимических исследованиях (особенно связанных с решением проблем охраны окружающей
среды) рассматриваемые ландшафты целесообразно подразделять по тому
же принципу, что и ландшафты городов регионального значения.
В отдельные ландшафты выделяются небольшие населенные пункты,
существующие у рудников, шахт, обогатительных фабрик, в которых миграция определяется в значительно большей мере профилем предприятий,
чем числом жителей. Сырье, добываемое и перерабатываемое на этих предприятиях, является основным постоянным источником химических элементов, поступающих как в рассматриваемые, так и в соседние ландшафты. При
необходимости подразделения данных ландшафтов следует учитывать добываемое (перерабатываемое) сырье. Так, отдельно выделяются ландшафты населенных пунктов у редкометалльных рудников, у обогатительных фабрик,
перерабатывающих полиметаллические руды, и др.
Особо должны рассматриваться ландшафты населенных пунктов, относимых к курортам. В их пределах техногенная миграция определяется главным
образом процессами, обеспечивающими нормальную жизнедеятельность сравнительно ограниченного числа жителей, и особенностями развития транспорта.
Важной характеристикой этих ландшафтов является сравнительно большая
роль в миграции основных элементов биологического круговорота.
Ландшафты хуторов занимают среди остальных ландшафтов рассматриваемой группы наименьшую площадь. Они представляют собой как
бы переход от сельскохозяйственных и лесных ландшафтов к ландшафтам
населенных пунктов с довольно интенсивным биологическим круговоротом
элементов. От ландшафтов курортов они отличаются резко пониженным
числом жителей, меньшей ролью транспорта в техногенном привносе элементов и своеобразным развитием биологического круговорота элементов,
приближающегося к круговороту в сельскохозяйственных ландшафтах.
Природные факторы, влияющие на миграцию элементов (особенно
связанные с климатическими условиями), также необходимо учитывать при
разделении ландшафтов населенных пунктов. Например, ход миграций раз70
личных веществ, попавших, особенно в зимнее время года, в ландшафты
Ташкента и Иркутска, во многом будет отличаться. Учитывая это, необходимо после уже рассмотренной классификации селитебных ландшафтов разделять их (в случае необходимости) с учетом климатических условий.
Решение целого ряда важнейших экологических проблем связано с
улучшением внешних условий в местах наибольшей и продолжительной
концентрации людей, т.е. с улучшением экологической обстановки в населенных пунктах. Для решения этой задачи в пределах населенных пунктов
стали выделять в первую очередь зоны с высокой концентрацией загрязняющих веществ в почвах, поверхностных и подземных водах, атмосферном
воздухе, растениях. Выполнение этих работ (при наличии соответствующей
аналитической базы) не составляло особого труда: отбирались пробы почв,
снега, воздуха, пыли, растений и т.д., проводился их анализ, выделялись зоны с наибольшей концентрацией различных поллютантов. Такими исследованиями было быстро охвачено довольно большое количество населенных
пунктов. При этом говорилось, что человеку все равно, в каких ландшафтных
условиях в его организм попадает наибольшее количество поллютантов,
важно лишь знать, где расположены эти зоны.
Однако для решения целого ряда практических задач, необходимых
для улучшения экологической обстановки, этого оказалось недостаточно.
Во-первых, при таком подходе к оценке состояния населенных пунктов не
ясно, какие факторы способствуют накоплению тех или иных поллютантов.
Во-вторых, непонятно, как по полученным данным принимать обоснованные
решения (и какие) для улучшения уже сложившейся обстановки. В-третьих,
оказалось невозможным достоверное эколого-геохимическое районирование
населенных пунктов для их паспортизации, а также паспортизации предприятий. В-четвертых, после таких исследований было невозможно давать рекомендации по застройке новых районов.
Таким образом, появилась практическая необходимость разделить техногенный селитебный ландшафт (ранее выделяемый как единое целое) на отдельные составные части. Они должны отличаться друг от друга особенностями перемещения химических элементов (соединений), закономерностями их
(особенно токсичных соединений) концентрации, продолжительностью нахождения и родом занятий жителей в пределах таких участков населенных пунктов.
Эти участки получили название городских геохимических ландшафтов.
Классификацию в самих ландшафтах населенных пунктов рядом исследователей предлагается проводить, по отдельным таксономическим уровням, на
каждом из которых учитываются определенные ландшафтно-геохимические
особенности внешних факторов миграции элементов. К настоящему времени
выделилось пять основных таксономических уровней. Учитывая особо большое
значение селитебных ландшафтов, а также неравномерность распределения в
городах ландшафтов с определенными условиями миграции и концентрации
элементов, приведём отдельно классификацию городских ландшафтов.
Первый таксономический уровень
На этом уровне классификация городских геохимических ландшафтов
ведется с учетом особенностей ведущего в них вида миграции химических
элементов – техногенной. По этому признаку в первую очередь выделяются
ландшафты: предприятий; жилых зон; улиц; зон, занятых военными ведомствами; зон рекреации и отдыха; пустырей; кладбищ.
71
К ландшафтам предприятий относятся территории, расположенные
в пределах населенных пунктов и занятые различными промышленными
предприятиями (фабриками; заводами и их отдельными цехами; мастерскими; автомобильными, троллейбусными и трамвайными парками; электростанциями и т.п.), карьерами и шахтами. К этим же ландшафтам относятся
территории, занятые постройками, необходимыми для эксплуатации перечисленных предприятий.
С точки зрения миграции элементов городские ландшафты предприятий практически идентичны промышленным ландшафтам, расположенным
за пределами населенных пунктов. К числу основных экологических отличий
следует в первую очередь отнести большее влияние побочных продуктов
производства на всех жителей, а не только на рабочих предприятий. Кроме
того, в городах меньше рассеяние поллютантов, особенно аэрозолей, чем за
его пределами.
Рассматривая ландшафты предприятий, следует иметь в виду, что в результате работы многих из них может происходить и весьма своеобразное
«загрязнение» – электромагнитное, тепловое, шумовое, радиоактивное. Воздействию такого загрязнения люди могут подвергаться не только в рассматриваемых ландшафтах, но и в других ландшафтах во время как работы, так и
отдыха. В этом отношении оно приближается к геохимическому загрязнению, вызываемому изменением концентрации химических элементов.
При крупномасштабных исследованиях, проводимых на территории
населенных пунктов, а также при эколого-геохимической паспортизации
иногда требуется более дробное деление ландшафтов предприятий. Основой
деления продолжают оставаться особенности техногенной миграции и концентрации химических элементов.
В первую очередь целесообразно отдельно выделить ландшафты:
карьеров; шахт и рудников с подземной добычей; отвалов горных выработок; различных фабрик и заводов; электростанций; гаражей, трамвайных и
троллейбусных парков; автозаправочных станций; предприятий по переработке мусора; базаров, а также ландшафты авто- и железнодорожных вокзалов и станций; аэро-, речных и морских портов. Все они отличаются друг
от друга по составу, форме нахождения и количеству загрязняющих веществ,
как находящихся в их пределах и воздействующих на людей, работающих в
этих ландшафтах, так и выносимых в соседние ландшафты населенных
пунктов.
Для каждого их них характерны свои особенности теплового, электромагнитного, шумового и радиоактивного загрязнения.
Ландшафты жилых зон составляют основную часть населенных пунктов. Кроме того, значительная часть жителей проводит в них большую часть
своей жизни. Поэтому оценка эколого-геохимической обстановки таких зон и ее
улучшение относятся к числу важнейших экологических проблем.
Довольно часто в ландшафтах жилых зон существенную роль играет
биологический круговорот элементов (БИК). Особенно это касается небольших пунктов с одноэтажными домами и приусадебными участками. Однако
БИК в жилых зонах городов существенно отличается от круговорота в соседних городских ландшафтах. По своим особенностям ландшафт жилых зон
ближе всего стоит к техногенным сельскохозяйственным ландшафтам.
От этажности домов в жилых зонах прямо и косвенно во многом зависят особенности поступления, перемещения, накопления и выноса очень
многих химических элементов (соединений). Так, от этажности часто зависят
72
направление, скорость и соотношение в воздушном потоке турбулентного и
ламинарного перемещений. При прочих равных условиях эти показатели
становятся определяющими для содержания в воздухе, а следовательно, и
попадания из него в почвы, растительные и животные организмы (включая
человека) многих, в том числе и токсичных, веществ.
От этажности зависит плотность населения в жилой зоне, а с нею связаны
количество и способы утилизации различных отходов и продуктов жизнедеятельности. Этажностью во многом определяются водоснабжение и отопление,
которые в свою очередь контролируют привнос и вынос элементов не только в
форме растворов и газовых смесей, но и элементов, находящихся в других формах. От этого показателя также во многом зависят видовое разнообразие и количество домашних животных, а следовательно, особенности поступления, выноса и форм нахождения химических элементов в ландшафтах жилых зон.
Этажность жилых зон сказывается и на степени комфорта проживающих
в них жителей, а также на скорости и уровне распространения различных инфекций и даже специфических болезней (часто психических расстройств).
Таким образом, сочетание в ландшафтах жилых зон зданий различной
этажности может считаться для них основным эколого-геохимическим показателем. В соответствии с этим показателем следует разделять рассматриваемые
ландшафты при детальных и специальных исследованиях. Необходимо отметить, что в последние годы во многих городах застройка ведется по принципу
создания микрорайонов со специфическим сочетанием и взаимным расположением зданий разной этажности. Такие участки при детализации целесообразно
рассматривать как отдельные ландшафты. Их эколого-геохимические особенности при проектировании новых районов необходимо учитывать.
Ландшафты улиц наиболее близки по геохимическим особенностям к
дорожным ландшафтам, выделяемым за пределами населенных пунктов, и
так же, как и они, не имеют природных аналогов. К ним относятся проезжие
части дорог и тротуары (обычно с посадками) до жилых зданий, промпредприятий или заборов, отгораживающих приусадебные участки или другие
ландшафты населенного пункта. Несмотря на обычные насаждения вдоль
тротуаров, БИК в рассматриваемых ландшафтах обычно отсутствует, так как
весь опад и сухие ветви деревьев и кустарников, как правило, вывозятся за
пределы населенного пункта или сжигаются, а зола чаще всего рассеивается.
Как и в остальные ландшафты населенных пунктов, значительная часть
элементов поступает в них через атмосферу. При этом в отличие от соседних
ландшафтов в приземном воздухе улиц в настоящее время значительную
роль играют газы от автомобилей. Они же являются наиболее токсичными
соединениями, постоянно входящими в состав атмосферных газов на улицах.
Их концентрация связана с интенсивностью движения транспорта. От последнего во многом зависит запыленность и поступление в описываемые
ландшафты специфических соединений за счет износа покрышек, двигателей, рельсов трамвайных путей и т.д.
Косвенно интенсивность движения транспорта связана с типом дорожного покрытия (асфальтированные, грунтовые и т.д.). Особый случай
представляют собой улицы, по которым происходит движение железнодорожного транспорта; в такие ландшафты поступление химических элементов идет не прогнозируемо, в различных формах, хотя и в относительно небольших количествах (за счет просыпания из вагонов).
Существенного накопления веществ из соседних ландшафтов на улицах обычно не происходит. Сами же они являются источниками многих со73
единений, поступающих в окружающие их ландшафты через атмосферу.
Большое влияние на такое перемещение элементов оказывает высотность
зданий, ограничивающих улицы, а также насаждения и тип составляющих их
растений. Значительное количество различных веществ удаляется с улиц поверхностными и подземными водами. На отдельных геохимических барьерах
они могут концентрироваться, создавая техногенные аномалии, не связанные
с какими-либо предприятиями, что необходимо учитывать при экологогеохимических исследованиях, составляя специальные карты.
При специальных и детальных исследованиях ландшафты улиц целесообразно разделять с учетом интенсивности движения, преобладающего вида
транспорта и особенностей дорожного покрытия.
Ландшафты рекреации и отдыха располагаются как в центре, так и
на окраинах населенных пунктов. К ним относятся парки, стадионы, скверы
и спортивные площадки, парковые аллеи, зоны отдыха по берегам рек, водохранилищ, морей и т.д. Для части из них (парки, скверы и т.п.) характерен
БИК, и они близки к выделяемым за пределами населенных пунктов лесотехническим ландшафтам.
В рассматриваемые ландшафты какие-либо специфические соединения
не поступают, если не считать кислорода и различных биометаболитов –
твердых, жидких и газообразных продуктов жизнедеятельности организмов.
Среди поступающих в зоны отдыха веществ большая часть переносится по
воздуху от близко расположенных предприятий, улиц и т.д. В последние годы начало широко распространяться загрязнение данных ландшафтов выхлопными газами автомобилей и моторных лодок.
Для населенных пунктов, особенно крупных, весьма важными экологическими показателями являются процент городской территории, занятой
зонами рекреации и отдыха, и равномерность распределения последних по
всей площади города.
Ландшафты зон, занятых военными ведомствами, к настоящему
времени относятся к числу наименее изученных. О вызываемом ими специфическом загрязнении окружающей среды и необходимости их экологогеохимического изучения заговорили только в самое последнее время, в связи с выводом войск из стран Восточной Европы.
Кроме собственно эколого-геохимического загрязнения, они могут вызывать радиационное, электромагнитное, шумовое, тепловое и другие виды экологического загрязнения. Поэтому такие ландшафты необходимо выделять даже при незначительных размерах и невозможности их изучения. Их классификация при крупномасштабных и детальных исследованиях не разработана.
Ландшафты пустырей получили развитие во многих населенных
пунктах. Их появление обычно связано или со сносом старых зданий, или с
реконструкцией городов, или неравномерной застройкой отдельных районов, при которой остаются «пустые площади». В первом случае ландшафты
(особенно в старых городах) могут отличаться большим геохимическим разнообразием. Однако, как правило, основное эколого-геохимическое воздействие на соседние городские ландшафты оказывают не они, а свозимый с них
строительный мусор. Довольно часто сами пустыри становятся зонами временного складирования самого различного мусора — от бытового до строительного. В этом случае им следует уделять большое внимание, изучая их
как своеобразные социальные геохимические барьеры.
74
Ландшафты кладбищ несколько условно можно разделить на старые
и действующие. Старые кладбища обычно расположены ближе к центру населенных пунктов и по своим эколого-геохимическим особенностям близки
к ландшафтам зон рекреации. При проектировании новых кладбищ в первую
очередь следует обращать внимание на поверхностный и подземный сток
вод от них. Он не должен происходить в сторону существующих или проектируемых городских ландшафтов.
Среди городских ландшафтов практически всех населенных пунктов
встречаются различные образовательные заведения, детские сады, больницы, бани. Оценивая общую экологическую обстановку в населенных пунктах, необходимо уделять особое внимание как их числу, так и равномерности
распределения. На картах геохимических ландшафтов населенных пунктов
все эти учреждения должны обозначаться внемасштабными знаками.
Второй таксономический уровень
На этом уровне, несмотря на практическое отсутствие БИК в населенных
пунктах, объединение городских ландшафтов целесообразно осуществлять по
особенностям сообществ растений и их сохранности. Это объясняется двумя
основными причинами. Во-первых, растения чутко реагируют на изменения не
только комплекса эколого-геохимических условий, но и таких важнейших для
нормальной жизни человека показателей, как радиационная обстановка, тепловое загрязнение и т.д. По сохранности (выживаемости) тех или иных видов растений часто можно предварительно (без анализов, иногда очень дорогостоящих)
судить об изменениях в городской среде. Во-вторых, во многих населенных
пунктах значительная часть сельхозпродукции (фрукты, овощи, разнообразные
травы для растительных приправ) поставляется с приусадебных участков. Во
избежание отравлений (да и вообще для получения экологически чистой продукции) зоны с определенными сельскохозяйственными культурами необходимо выделять и детально изучать их геохимические особенности.
При детальных и специальных эколого-геохимических исследованиях
часто требуется более дробное деление ландшафтов. В этих случаях можно
выделять отдельно ландшафты с определенными сельскохозяйственными
культурами (как многолетними, так и однолетними), декоративными растениями или с их различными сочетаниями. Кроме того, для специальных
исследований обычно следует составлять отдельные карты санитарного состояния насаждений.
Третий таксономический уровень
На этом уровне ландшафты объединяются в зависимости от геохимических особенностей городских почв. Связь между содержанием большинства химических элементов и особенностями развития живых организмов и
концентрацией в них этих элементов рассмотрена во многих исследовательских работах. Поэтому нет необходимости в дополнительном рассмотрении
данного уровня классификации. Отметим только, что на этом уровне необходимо учитывать следующие факторы:
− окислительно-восстановительную обстановку (окислительная со свободным кислородом; восстановительная – глеевая и сероводородная);
− щелочно-кислотные условия, которые удобнее всего разделить на сильнокислые, кислые, нейтральные и сильнощелочные;
75
− набор типоморфных элементов и, как итог, класс водной миграции химических элементов.
Довольно часто, особенно при детальных работах, в условиях городских ландшафтов рассмотренного выделения бывает недостаточно. В таких
случаях на этом же уровне следует учитывать набор типоморфных элементов
в грунтовых водах. Целесообразно также отмечать щелочно-кислотные свойства грунтовых вод и режим кислорода и серы, так как эти показатели в водах и почвах населенных пунктов могут отличаться.
Четвертый таксономический уровень
На данном уровне городские ландшафты объединяются с учетом геоморфологических особенностей территории. В условиях населенных пунктов удобно объединять элювиальные, трансэлювиальные, трансаккумулятивные и транссупераквальные ландшафты. Друг от друга они в первую
очередь отличаются по особенностям механической миграции элементов (их
соединений). Кроме того, часто требуется составление дополнительных карт
поверхностного сноса материала.
Пятый таксономический уровень
В основу классификация на этом уровне взяты минералого-геохимические
особенности почвоподстилающих почвообразующих пород, являющихся постоянным источником химических элементов для расположенных выше ярусов
ландшафта. Объединение ландшафтов ведется в зависимости от состава пород.
Однако при составлении эколого-геохимических карт населенных
пунктов на рассматриваемом уровне приходится учитывать мощность рыхлых образований, располагающихся между коренными породами и почвами,
а также положение зон разрывных нарушений. Эти факторы могут стать решающими при строительстве жилых и производственных зданий, особенно в
сейсмоопасных районах.
Тема 9
Оценка экологического состояния окружающей среды
Общие сведения
Первым шагом для разумного ведения хозяйства, согласующегося с
конкретными природными условиями и эколого-геохимической обстановкой, сложившейся под воздействием предыдущей антропогенной деятельности, должна быть оценка существующего в настоящее время состояния окружающей среды в интересующем нас районе. Объективная оценка состояния системы опирается на комплекс показателей, различных по своей физической природе и базирующихся на различных способах измерения и контроля. В настоящее время практически отсутствуют достаточно простые и
объективные методики объединения различных показателей и свойств в единую систему количественных оценок состояния объектов природы.
Широкое распространение получили следующие методы определения
показателей экологического состояния:
• экспериментальный (осуществляемый с помощью технических средств
измерений и контроля);
76
• расчетный (осуществляемый при помощи вычислений с использованием
значений параметров, найденных другими методами);
• экспертный (основанный на учете мнений группы специалистов);
• органолептический (не предусматривающий использования технических
средств измерений и контроля).
Необходимой основой всех существующих методов оценки состояния
экосистем является определение уровня экологического состояния, под которым понимается некоторая относительная характеристика, основанная на
сравнении совокупности фактических значений показателей экосистемы с
соответствующей совокупностью базовых показателей (регламентированных
действующими нормативными требованиями).
Обычно осуществляются дифференциальная и (или) интегральная
оценка. Дифференциальная оценка состояния характеризует состояние окружающей среды, определяемое техногенным воздействием на нее. При
оценке степени химического загрязнения окружающей среды такой оценкой
могут быть концентрации загрязняющих веществ в почвах. Интегральная
оценка, с одной стороны, может представлять собой синтез всех дифференциальных, а, с другой стороны, может быть получена по одному показателю,
характеризующему состояние системы в целом.
Одним из интегральных показателей уровня техногенного загрязнения
окружающей среды, который выражает степень накопления элементов (или
загрязняющих веществ) по сравнению с природным фоном (или ПДК) является коэффициент концентрации КС:
C
KC = Х ,
CФ
где СХ – концентрация элемента Х в экосистеме, а СФ – фоновая концентрация или значение ПДК.
Часто для полиэлементных аномалий используется показатель ZC, характеризующий суммарную степень загрязнения, т.е. характеризующий эффект воздействия группы элементов:
n
Z C = ∑ K C − (n − 1) , где n – число элементов-загрязнителей.
i =1
В зависимости от размеров изучаемого района выбирается масштаб исследований для такой оценки. Сама эколого-геохимическая оценка состояния окружающей среды может отражать тенденцию развития рассматриваемых процессов, быть качественной и количественной. Опыт ранее проводимых работ позволяет считать, что оценка состояния окружающей среды
должна проводится поэтапно в определенной последовательно.
Исследования целесообразно начинать с установления тенденций развития конкретных процессов и их качественной оценки, а затем перейти к
количественной оценке. После количественной оценки общего состояния
окружающей среды изучаемого региона можно приступать к экологогеохимической оценке последствий конкретных природных и техногенных
процессов. Эта работа также может быть подразделена на качественную (ее
следует проводить раньше) и количественную – завершающую.
Подходя к проблеме оценки изменений, происходящих в биосфере, с
позиций миграции-концентрации химических элементов можно объединить
все возможные изменения в четыре основных вида:
1. изменения концентрации химических элементов (их соединений) в пределах отдельных частей биосферы;
77
2. изменения формы нахождения химических элементов (и даже видов соединений элементов при одной и той же форме их нахождения) в пределах
отдельных частей биосферы;
3. появление на отдельных участках в больших количествах техногенных соединений, практически не имеющих природных аналогов или не характерных для данных природных условий;
4. механическое перемещение значительных масс химических элементов
(они могут находиться в различных формах и образовывать различные виды соединений) без существенного изменения формы нахождения составляющих их химических элементов.
Все четыре перечисленных вида изменений можно оценить не только
качественно, но и количественно. Следует отметить, что любая количественная оценка изменений, происходящих в окружающей среде, должна проводиться с учетом форм нахождения химических элементов. Это дает возможность охарактеризовать такие на первый взгляд различные явления, как загрязнение через атмосферу природных территорий, загрязнение рек в результате сброса сточных вод, вырубку лесов и т.д.
Основные требования к экологической оценке состояния биосферы
При оценке любого явления или процесса необходимо выполнение следующих общих требований: прежде всего оценка должна быть объективной.
Если оценка производится объективно, то при аналогичных внешних условиях
она должна быть воспроизводимой. С выполнением этого требования связан
мониторинг окружающей среды. Если не происходит никаких последующих
изменений, то результаты повторной оценки должны практически полностью
совпадать с результатами первой. Если же (с выполнением условия воспроизводимости) результаты различаются, то отличия можно считать изменениями,
происшедшими в окружающей среде за период между первой и последующими
оценками состояния одного и того же изучаемого участка биосферы.
При выполнении условий объективности и воспроизводимости оценку
состояния окружающей среды целесообразно осуществлять по единой методике. Эта методика должна обеспечить выражение оценки в единых общепринятых единицах измерения, а также возможность отражения полученной
информации в виде специального картографического материала.
Реализация трех предыдущих требований почти автоматически приводит
к выполнению еще одного: результаты проводимой оценки определенного участка биосферы должны быть конкретными, легко доступными для восприятия,
наглядными. Как правило, результатом исследований состояния окружающей
среды являются карты состояния природной среды, на которых проводятся изолинии, соответствующие одинаковому уровню загрязнения. Для большей наглядности на картах различными цветами или штриховкой можно выделить
аномальные области, например: <ПДК, =ПДК, >ПДК и >>ПДК.
По отношению к конкретным показателям состояния природных объектов базовыми показателями являются значения ПДК или в сравнении с
фоном, за который принято относительно удовлетворительное, благополучное экологическое состояние в регионе. Выбор базовых показателей определяется задачей исследования: фоновые концентрации должны использоваться для полного, точного изучения техногенных изменений, в то время как
ПДК используются при оценке качества природной среды. Экологическое
78
благополучие оценивается с двух позиций: качества среды обитания и здоровья населения и состояния окружающей природной среды.
При оценке экологической ситуации в городе могут быть выявлены локальные участки, ситуацию в которых можно определить как проблемную из-за
высокой концентрации загрязняющих веществ. Проблемная ситуация может
явиться следствием ошибок в результате нерационального выбора места, типа,
характера использования территориальных ресурсов; неудачного вписывания
объекта в природную среду; ошибок в управлении, а также непредвиденных
изменений природных компонентов (в т.ч. в результате стихийных бедствий).
Кроме общих требований при оценке состояния биосферы необходимо
соблюдение целого ряда специфических условий.
1. Оценка экологического состояния окружающей среды требует комплексности исследований, т.е. самостоятельному изучению должны подвергаться такие системы как почвы, подземные и поверхностные воды, снежный и растительный покров, атмосфера. Отсутствие комплексности исследований может
привести к ошибкам при оценке последствий недавно начавшихся техногенных
процессов. В этих случаях скорость проявления их последствий в различных
объектах окружающей среды может быть различной, а изучение только отдельных природных объектов даст информацию, по которой будут приняты неправильные решения. Рассмотрим это на самом простом примере.
На новом химическом предприятии в качестве отстойника использовался перегороженный дамбой овраг. Анализ почв и растительности в ландшафтах, окружающих отстойник, проведенный через два года после пуска первой очереди предприятия, не дал
оснований для беспокойства. После введения в эксплуатацию последующих частей
предприятия были заполнены подобные отстойники на соседних участках. Состав подземных вод из-за высокой стоимости работ, связанных с бурением скважин, не изучался.
Еще через три года в ландшафтах у первого отстойника была отмечена смена растительности. Повторно проведенные исследования показали чрезвычайную степень загрязнения почв и растений рядом токсичных соединений, связанных с накоплением отходов производства в отстойнике. За пять лет произошли: постепенный подъем уровня загрязненных грунтовых вод; их просачивание по капиллярам на поверхность; испарение
вод и концентрация на испарительном барьере токсичных веществ; накопление этих веществ растениями, в результате чего определенные их виды погибли.
По результатам вторичного изучения обстановки начались дорогостоящие работы
по переустройству отстойников-накопителей, а большая чрезвычайно загрязненная территория стала сама источником загрязняющих веществ для соседних ландшафтов. Если
бы в рассматриваемом случае была сразу проведена комплексная оценка изменений окружающей среды с анализом подземных вод, отмеченные отрицательные последствия
можно было бы предотвратить.
2. Методика работ по оценке состояния отдельных участков биосферы
должна обеспечивать возможность постепенного перехода от экспрессной качественной оценке к количественной и экономической. В случае необходимости
при тех же методических подходах должна быть дана эколого-геохимическая
оценка и результатов отдельных техногенных процессов. Только при выполнении этого условия появляются: преемственность работ, проведенных на разных
этапах исследований; возможность использования результатов исследований
прошлых лет; практическая основа для проведения мониторинга.
3. При оценке состояния окружающей среды должна соблюдаться определенная последовательность проведения исследований, обусловливающая исключение ошибок, связанных с неправильным выбором района работ
и масштаба исследований.
Можно выделить четыре основные стадии работ по оценке состояния
окружающей среды: 1) региональные работы в масштабе 1:500 000 – 1:200
000 (очень редко, при проведении оценки в больших биосферных структурах
масштаб региональных работ может уменьшаться до 1:1 000 000 – 1:2 000
79
000); 2) среднемасштабные работы (1:100 000 – 1:50 000); 3) крупномасштабные работы (1:25 000 – 1:10 000); 4) режимные наблюдения и оценка
состояния населенных пунктов с масштабом исследований крупнее 1:10 000.
Несколько обособленно, обобщая работы различных и, как правило,
исследований, можно проводить глобальную оценку состояния окружающей
среды как для всей биосферы в целом, так и для очень больших регионов,
например территории всей России. Масштаб таких исследований обычно
меньше 1:5 000 000.
При оценке состояния окружающей среды (особенно в новых регионах) начинать исследования следует с региональных работ, постепенно переходя от одной стадии к другой. В виде исключений возможны следующие
основные отклонения от рекомендуемой последовательности:
• среднемасштабные исследования можно проводить раньше региональных
в новых районах, на площадях, расположенных вблизи крупных городов
или территориально-промышленных комплексов;
• крупномасштабные исследования можно проводить непосредственно после региональных исследований на аномальных участках, выделенных по
результатам работ первой стадии;
• в отдельных случаях работы можно начинать с режимных наблюдений, а
также с оценки эколого-геохимического состояния населенных пунктов.
Нарушение требования стадийности выполнения работ может привести к существенным ошибкам. Так, на основании эколого-геохимических исследований было необходимо
дать оценку состояния заповедника, граничащего с рядом промышленных предприятий. Для
удешевления такой оценки проводились только крупномасштабные геохимические исследования с анализом почв. В результате обработки анализов почвенных проб определялось фоновое содержание поллютантов и выявлялись участки с их аномальным содержанием. Все
аномалии, выявленные при проведении описываемых исследований, находились за пределами заповедника. Это позволило сделать вывод о нормальной эколого-геохимической обстановке на его территории. Однако проведение только первых рекогносцировочных мелкомасштабных работ в регионе показало, что вся территория, охваченная крупномасштабными
исследованиями, попадает в конкретную аномалию, образованную весьма токсичными поллютантами. (ПДК для почв по большинству определяемых поллютантов отсутствовали). Таким образом, очень загрязненная территория первоначально была признана как нормальный
фон. Исправление этой ошибки было связано со значительными затратами, поскольку она
была выявлена через несколько лет после рекомендаций, сделанных по результатам работ,
проведенных без необходимой стадийности.
4. При ограничении площадей участков, на которых планируется прове-
дение экологической оценки состояния окружающей среды, необходимо в первую очередь учитывать особенности природной миграции элементов, определяемые ландшафтно-геохимическими факторами. При отсутствии карт геохимических ландшафтов соответствующего масштаба необходимо обращать внимание на рельеф местности и особенности воздушной миграции. Рельефом будет определяться основная часть поверхностного и подземного стоков. В связи
с этим наилучшими границами могут считаться водоразделы и области накопления осадков. В данном случае практически исключается “разрезание” аномалий, связанных с единым природным потоком мигрирующих элементов.
В областях с интенсивной антропогенной деятельностью границы районов работ (особенно при региональных исследованиях) можно ограничивать административными границами. Это связано с тем, что в таких регионах
техногенное поступление химических элементов (их соединений) в ландшафты и их миграция преобладают над аналогичными природными процессами. Развитие же техногенных процессов в нашей стране долгое время шло
только по административным указаниям без всякого учета природных условий и соответственно менялось на административных границах.
80
5. Основные принципы методики проведения эколого-геохимической
оценки территорий должны быть независимы от масштаба исследований, а
также от природных условий и техногенной нагрузки различных оцениваемых территорий.
Это требование должно, во-первых, полностью обеспечить при
оценке состояния окружающей среды использование материалов предыдущих исследований. Результаты работ, проведенных в более крупном масштабе на одной и той же территории, должны, как в матрешке, органически
“вкладываться в более мелкий масштаб”. Во-вторых, без всяких дополнительных работ (а очень часто их стоимость бывает сопоставимой со стоимостью оценки территорий) можно будет составлять карты и рассматривать совместно или сравнивать между собой результаты оценки экологогеохимического состояния различных территорий.
6. Наиболее удобной для использования и в то же время наглядной
формой анализа результатов оценки состояния окружающей среды является
представление соответствующих картографических материалов. Однако специальная нагрузка, позволяющая делать выводы и о распространении поллютантов, и об общей экологической ситуации, и о сохранности
(исчезновении) определенных видов животных и растительных организмов,
и об остальных показателях, должна выноситься на единую, общую для всех
экологических исследований основу.
Качественная оценка состояния территории и его изменений
Как уже говорилось ранее, начинать исследования по оценке состояния
окружающей среды следует с ее качественного анализа. Проведение этих работ должно дать общую оценку состояния отдельных участков биосферы.
Основой качественной оценки состояния окружающей среды является ландшафтно-геохимическое картирование. Карты геохимических ландшафтов
объективно и комплексно отражают состояние окружающей среды на период
их составления. Комплексность такой оценки гарантируется методикой работ, при проведении которых учитываются как особенности “техногенной
нагрузки”, так и биологические (ботанические), почвенные, геоморфологические, атмосферные и геологические особенности отдельных блоков биосферы. Объективность оценки заложена также в методику исследований, т.е.
на каждом классификационном уровне качественно отмечаются все изменения, способные вызываться антропогенной деятельностью.
Рассмотрим теперь последовательность качественной оценки состояния окружающей среды, проводимой на ландшафтно-геохимической основе.
1. Составив карту геохимических ландшафтов, следует переходить к
определению тенденции развития конкретных изменений в изучаемом регионе. Эти тенденции можно устанавливать, например, при определении результатов протекания какого-либо одного конкретного процесса.
Так, среди довольно большого числа разнообразных пойменных ландшафтов
на+
юге 2-европейской части России выявили ландшафты с типоморфными ионами Na , Cl ,
SO4 , т.е. ландшафты с засоленными почвами. Часть их расположена в зонах орошения.
Есть ли тенденция к засолению при развитии технического орошения? После подсчетов
получили следующую информацию: на неорошаемых пойменных землях 4 % ландшафтов подвержены засолению, а на орошаемых (при всех остальных неизменных ландшафтно-геохимических факторах) – свыше 50 %. Таким образом, можно говорить о тенденции развития засоления при современной системе орошения в регионе.
Установление тенденции в развитии определенных качественных изменений дает возможность обоснованно планировать проведение после81
дующих эколого-геохимических работ. В рассматриваемом случае нужно детально изучать особенности орошения пойменных земель.
2. Следующим этапом исследований является непосредственная качественная оценка состояния окружающей среды либо последствий каких-либо
техногенных или природных процессов. Для этого на картах геохимических
ландшафтов необходимо выделить геохимические ландшафты, необычные
для данных природных условий. Их называют аномальными. Выделение таких ландшафтов можно считать важнейшей задачей качественной оценки
территорий по результатам первых исследований.
Попутно с основной задачей может решаться целый ряд второстепенных задач. Опыт проводимых работ показал, что по результатам качественной оценки можно давать предварительную экономическую оценку планируемой деятельности, например, вырубке лесов. На основе карты геохимических ландшафтов можно планировать освоение новых территорий, обоснованно проводить расселение беженцев и т.д.
3. После проведения повторной оценки эколого-геохимического состояния территории (что является фактически началом мониторинговых исследований) полученные данные можно сравнивать с результатами первых
исследований, т.е. переходить к качественной оценке последствий природных и антропогенных процессов, происходивших в промежутке времени между двумя эколого-геохимическими исследованиями. Так, в подавляющем
большинстве случаев можно оценить последствия продолжительного (от начала действия до времени последней оценки состояния среды) воздействия
на окружающую среду отдельных предприятий или же каких-либо процессов, начавших свое воздействие в рассматриваемый промежуток времени.
Например, введение в действие в пойме реки новых отстойников химического завода привело к загрязнению тяжелыми металлами подземных и поверхностных вод. В
соответствии с законом развития геохимических изменений эти изменения постепенно
охватили почвы, а затем сказались и на растительности ближайших пойменных лесов. В
результате гибели от загрязнения в первую очередь тополей возникли ландшафты редколесий, а затем изменилось положение границ между лесами и степями за счет сокращения площадей, занятых лесами. Установление этих закономерностей и представляет
собой качественную оценку последствий введения в строй новых отстойников.
Качественно можно определить и последствия суммарного воздействия всех природных и антропогенных факторов, действовавших между двумя рассматриваемыми исследованиями. Для этого по данным сравнения карт
геохимических ландшафтов определяется появление в регионе в указанный
период новых геохимических ландшафтов, а также изменение границ между
ранее существовавшими ландшафтами. (Последнее характеризует развитие
одних ландшафтов за счет других). В рассматриваемом случае качественная
характеристика не позволяет конкретно оценить роль каждого из факторов в
происшедшем изменении состояния окружающей среды, хотя может быть
определено значение ведущих факторов.
Так, на Кавказе за 10 лет отмечается уменьшение площадей, занятых лесными
ландшафтами. Произошло это главным образом за счет возрастания площадей пашен,
садов, населенных пунктов, пожаров и вырубки лесов. Из-за вырубки внутри лесных
ландшафтов появились новые ландшафты лесов. Создание рисовых чеков резко сократило ландшафты плавней в Западном Предкавказье и т.д. Такая оценка изменений и называется качественной. Она конкретно (хотя и не количественно) указывает на последствия развития в пределах изучаемой территории природных и антропогенных факторов за
определенный промежуток времени.
Часто качественной оценки состояния окружающей среды и ее изменений за определенные промежутки времени бывает недостаточно и требуется количественная оценка этих явлений.
82
Количественная оценка состояния окружающей среды и его изменений
Современная количественная оценка состояния биосферы должна производиться не только с “мерой и весом”. Разнообразие последствий антропогенной деятельности требует кроме количественного учета происшедших изменений прогноза новых, ожидаемых, а также комплексного всестороннего подхода.
При этом необходимо учитывать сложную картину переплетения различных
видов миграции элементов. Для биосферы характерно теснейшее переплетение
процессов физико-химической и механической миграции химических элементов с биогенной миграцией. В настоящее время существенную роль начинает
играть техногенная социальная миграция элементов, причем она происходит не
обособленно, а переплетается с природными процессами миграции элементов.
Следовательно, оценить состояние окружающей среды можно только в результате проведения комплексных исследований.
Для этих исследований также требуется определенная последовательность. Начинаться они должны (как и при качественной оценке) с мелкомасштабных работ, дающих общую количественную характеристику больших территорий. Важным условием количественной оценки состояния окружающей среды является необходимость рассмотрения перемещения элементов на современном атомно-ионном уровне с учетом форм их нахождения, а также сложного изменчивого взаимоотношения между элементами в
различных участках биосферы.
Для количественной оценки состояния окружающей нас природной
среды и в особенности для принятия определенных мер, в том числе административных, по недопущению ее загрязнения конкретными поллютантами
или ее улучшению, необходимо знать контрольные значения содержания загрязняющих веществ в различных частях геохимических ландшафтов. Начиная с этих значений, дальнейшее увеличение концентрации поллютантов
должно считаться неприемлемым.
Изменение концентрации загрязняющих веществ в какой-либо части
биосферы, несомненно, отразиться на всех ее частях. Однако, учитывая природную консервативность таких объектов биосферы как почвы, этот процесс
может затянуться на годы. Загрязнение же такой части биосферы, как, например, атмосферный воздух, может сказаться на состоянии (и даже существовании) живых организмов, включая человека, гораздо раньше. Эта определенная консервативность биосферы и сделала необходимым установление
для различных ее частей контрольных значений, т.е. ПДК.
Для людей тяжелые, а главное – наиболее быстро сказывающиеся последствия загрязнения обычно связаны с аномальными концентрациями токсичных
веществ в воздухе и питьевой воде. Однако эти концентрации, как правило, в
рассматриваемых частях биосферы сохраняются непродолжительное время.
Кроме того, для многих природных и даже некоторых техногенных ландшафтов
часто характерен процесс самоочищения. Гораздо дольше сохраняется большинство загрязняющих веществ в почвах, которые в последующем сами могут
стать источниками загрязнения атмосферы, воды, растительных и животных организмов. Именно поэтому особое внимание всегда уделяется вопросам, связанным с возможностью использования ПДК для почв.
Однако надо учитывать, что ПДК стали устанавливаться только в последние десятилетия. А к настоящему времени достоверно известно, что последствия многих видов загрязнения (например, силикоз) проявляются через десятилетия после нахождения в загрязненной зоне. Естественно, что большинство
83
поздно сказывающихся последствий загрязнения не могло быть учтено. Положение усугубляется еще тем, что многих видов загрязнения несколько десятилетий назад не существовало, а на некоторые не обращалось внимания.
Кроме того, совершенно не ясны и практически не учтены в ПДК последствия совместного воздействия на человека разных химических элементов (а тем более их токсичных соединений), находящихся в самых различных концентрациях. С одной стороны, ассоциация основных антропогенных
загрязняющих веществ известна. С другой стороны, учесть все возможные
комбинации совместного воздействия этих поллютантов, к тому же находящихся в различных концентрациях, практически невозможно.
Токсичность химических элементов (их соединений) зависит не только
от концентрации, но и от формы, а часто и от вида их нахождения в биосфере. Так, в почвах большинство химических элементов находится в минеральной форме. При этом чем труднее минерал растворим, тем менее доступны
для организмов составляющие его химические элементы, а следовательно,
меньше их токсичное воздействие даже при высоких концентрациях.
Рассмотрим в качестве примера поведение натрия. Более доступным и токсичным
он будет при высоких концентрациях в почвенных растворах, а не в минералах. Однако и
в разных минералах степень его доступности будет различной: в галите (NaCl) – доступен, а в жадеите (NaAlSi2O6) – практически не доступен.
Учесть в ПДК все формы, а тем более конкретные виды, в которых находятся элементы, практически невозможно. Кроме того, растворимость
многих соединений определяется щелочностью среды, температурой и еще
целым рядом изменяющихся в биосфере факторов.
Особо следует учитывать, что для всех живых организмов, включая человека, нет химических элементов “полезных” или “вредных”. Для нормального
развития организма необходимы все элементы, но только при их определенных
концентрациях и формах нахождения в различных частях биосферы. Некоторые
элементы даже при незначительном повышении концентрации становятся токсичными. Другие вызывают болезни живых организмов при резком снижении
их концентрации. В первую очередь на развитии живых организмов сказывается изменение таких элементов как: Bi, Ag, W, I, Be, Au, Br, P, Zn. Таким образом, при определении нормирующих показателей для химических элементов
должны учитываться две цифры – максимальная и минимальная их концентрация. Они должны ограничивать величины содержаний, определяющих условия
наиболее оптимального развития организмов.
В последние десятилетия все большую роль в биосфере начинают играть
техногенные соединения, не имеющие природных аналогов. Токсичность и
время ее проявления для многих из них еще неизвестны. Пока ясно, что они
“чужды конкретным природным условиям”, что их количество поддается учету,
что особенности их разложения и свойства продуктов разложения следует изучать. Пока же для большинства техногенных соединений ПДК нет.
Сказанное позволяет рассматривать ПДК только как один и часто не самый важный показатель быстрого воздействия на человеческий организм некоторых (и далеко не самых опасных) загрязнителей окружающей среды. Дополнительными нормирующими показателями для отдельных крупных регионов
могут служить местные фоновые содержания химических элементов в почвах,
поверхностных и подземных водах, основных видах дикорастущих растений в
геохимических ландшафтах, аналогичных изучаемым, но практически не подвергшихся техногенному воздействию. Это должно исключить влияние техногенеза на изменение величины природных фоновых концентраций.
84
Принципы количественной оценки
Для качественной и количественной оценки в полевой период картографирования проводится отбор проб по сетке. Все пробы анализируются в обязательном порядке на комплекс элементов, образующих ассоциации в крупных
техногенных геохимических аномалиях. Элементарный состав всех аномалий
схож: Pb, Zn, Cu, Mo, Co, Cr, Ba, Ni, V, Ga, Ti. При этом составляющие их химические элементы могут находиться в различных формах. Кроме того, в тех случаях, когда на изучаемой территории ожидается появление новых приоритетных загрязняющих веществ, в пробах определяется и их содержание.
Если эколого-геохимические исследования для оценки состояния окружающей среды проводятся впервые, то при количественной оценке сначала следует сравнить местные фоновые содержания, устанавливаемые для
всех частей различных геохимических ландшафтов данного участка, с региональными фоновыми концентрациями (местными ПДК) или кларковыми
содержаниями. Можно сравнивать местные фоновые содержания с существующими в настоящее время ПДК, едиными для всей страны, но в данном
случае неизбежны все связанные с этим ошибки, рассмотренные ранее.
Проведенное сравнение позволяет установить, насколько местные фоновые содержания отличаются от региональных (кларковых). В случае существенного отличия ставится вопрос о выделении специфической геохимической провинции, что необходимо учитывать при административном делении
территорий, и о специфическом снабжении населения продуктами питания.
Однако такие случаи крайне редки.
Гораздо чаще местные фоновые содержания незначительно повышены
или понижены. В этих случаях полученную информацию следует рассматривать как количественное установление тенденции эколого-геохимических
изменений в районе под влиянием различных действующих факторов. Указанная информация крайне важна при планировании развития регионов. Так,
при пониженных содержаниях в почвах Cr и Mn развитие промышленных
предприятий, приоритетно загрязняющих биосферу этими элементами, в
данном регионе не только не будет опасным, но даже будет способствовать
улучшению эколого-геохимической обстановки. Повышенная же концентрация Pb в почвах должна рассматриваться как серьезное предупреждение о
последствиях, к которым может привести дальнейшее развитие в регионе автомобильного транспорта, являющегося порою основным источником Pb
при загрязнении окружающей среды.
Следующая работа, которую надо выполнить при первичной количественной оценке состояния окружающей среды, – это оценка выявленных геохимических аномалий. Для первичной оценки был предложен показатель
абсолютного накопления (ПАН) химических элементов, показывающий,
какая масса того или иного химического элемента (его соединений) накопилась в результате определенных процессов (как природных, так и техногенных) на единице площади в концентрациях, превышающих региональное
фоновое содержание. Вместо фонового содержания (при отсутствии данных)
можно брать кларковое или использовать величину ПДК. Показатель абсолютного накопления может рассчитываться (т/км2) для почв, вод, атмосферного воздуха, растений. Рассмотрим пример определения ПАН.
В результате эколого-геохимических исследований в масштабе 1:500 000 вблизи
одного из промышленных центров, расположенного в степной части России, в почвах
были выявлены частично перекрывающие друг друга аномалии
Pb, Zn, Ti, Cu, V, Ga и Cr
2
(см табл. 5). Общая площадь аномалий составляет, км : Pb – 103, Zn – 200, Ti – 65, Cu –
85
105, V – 75, Ga – 450 и Cr –150. Аномальные содержания прослеживаются в среднем на
глубину 30 см. Расчеты показывают, что в пределах рассматриваемого участка за счет
техногенного загрязнения в почвах накопилось в основном в минеральной форме, т: Pb –
824, Zn – 2080, Ti – 1040,
Cu –840, V –600, Ga –2160 и Cr – 1200. Показатели абсолютного
2
накопления равны, т/км : Ti – 16, Zn –10,4, Pb, Cu, V и Cr – 8, а Ga – 4,8.
Чтобы узнать величину относительного накопления химического элемента (это важно для принятия последовательных мер быстрого реагирования и
предварительной оценки медико-экологического влияния загрязнения каждым
из поллютантов), следует вычислить значение показателя относительного накопления – ПОН. Он представляет собой частное от деления показателя абсолютного накопления на фоновое (кларковое) содержание в почвах:
ПОН=ПАН/Сф.
Для рассматриваемого примера вычисленные по этой формуле значения ПОН
приведены в таблице 5. Как видно из таблицы, по абсолютному накоплению металлов
существует следующий ряд: Ti → Zn → (Pb, Cr, V, Cu) → Ga. При этом на первом месте
стоит относительно инертный в зоне гипергенеза Ti. Однако если учитывать фоновое содержание и определять ПОН, то ряд загрязняющих веществ, составленный по мере
уменьшения его значений, примет следующий вид: Pb → Cu → Zn → Ga → V → Cr → Ti.
Следовательно, в изучаемом районе нужно обращать наибольшее внимание на загрязнение окружающей среды Pb, Cu, и Zn. На эти элементы и вызываемые ими заболевания
необходимо обращать особое внимание и при медико-экологических исследованиях, и
при разработке профилактических мероприятий.
Таблица 5
Содержание химических элементов в почвах в пределах техногенных химических аномалий вблизи крупного промышленного центра
Элемент Площадь Превышение концентрации Техногенная ПАН, ПОН
составляю- т/км2
аномалии, элементов в сравнении с
2
фоновым содержанием в щая элеменкм
тов, т
геохимических ландшафтах,
-3
n⋅10 %
Pb
103
1
824
8 8000
Zn
200
5
2080
10,4 2080
Ti
65
457
1040
16
35
Cu
105
2
840
8 4000
V
75
10
600
8
800
Ga
450
3
2160
4,8 1600
Cr
150
20
1200
8
400
86
Тема 10
Оценка экологического ущерба от загрязнения
окружающей среды
Общие сведения
Совокупность воздействий, приводящих к неблагоприятным изменениям качества окружающей среды определяют как вред, наносимый природной среде. Различают две формы вреда: ущерб (потери количества или качества природной среды, ресурсов, т.е. экологический ущерб) и убытки
(экономически невыгодные для природопользователя последствия потерь).
Ущербом от загрязнения окружающей среды называют отрицательное воздействие загрязнения и других нарушений природной среды на реципиентов. Под реципиентами (от англ. получатель) понимают население,
экосистемы, объекты государственной, кооперативной и частной собственности, находящиеся на загрязненной территории.
Характер техногенного воздействия на объекты природы или уровень
экологического ущерба, определяется как спецификой трудовой деятельности, так и тем, как реализуется такое воздействие, т.е. по двум возможным
режимам техногенных воздействий:
• в неявном виде (безаварийное производство, строительство, эксплуатация);
• в явном виде (наличие аварийных ситуаций в стадии формирования или
функционирования объекта).
Экологический ущерб определяется экологическими потерями. В первом случае потери характеризуются, как правило, долговременным процессом их накопления (изменением природного ландшафта, постепенным изменением гидрогеологических свойств среды и др.). Вторые (аварийные) потери носят скачкообразный характер и характеризуются высокой концентрацией изменений во время их развития (пожары, загрязнение почв и водоемов в результате утечек, механические повреждения почвеннорастительных комплексов и др.). В самом общем виде экологические потери
классифицируют на потери естественного и искусственного происхождения.
При этом важное значение приобретает масштабный фактор потерь. На планетарном уровне первый вид экологических потерь относят за счет стихийных бедствий, второй – за счет катастроф. Однако в связи с возрастающими
масштабами глобального техногенеза такое разделение становится все более
условным, а комплекс причин, инициирующих стихийные бедствия, – все
более связанным с факторами промышленного и строительного влияния. В
результате нередко стирается грань между катастрофическими последствиями, обусловленными исключительно действиями человека, и стихийными
бедствиями, косвенно причисляемыми к спонтанному процессу развития неуправляемых сил природы. Например, ландшафтные пожары, засухи и обмеления рек, оползни, обвалы и землетрясения и т.п. крупномасштабные
“стихийные бедствия” нередко обнаруживают отпечаток прямых действий
человека (вырубка лесов, бесконтрольный выброс в окружающую среду
вредных промышленных отходов, глубинные подповерхностные грунтовые
разработки, ошибки при изысканиях и проектировании и пр.).
Региональные масштабы экологических потерь, как правило, проявляются и связаны с комплексом возможных причин, обусловливающих экстремальную экологическую ситуацию:
87
1. проектно-производственные дефекты сооружений (ошибки при изысканиях и проектировании, низкое качество выполнения строительных работ,
плохое качество материалов и конструкций и др.);
2. воздействия технологических процессов промышленного производства
(нагрузки превышающие допустимые, высокие температурные перепады,
вибрации, действие окислителей, различных агрессивных сред и т.п.);
3. нарушения правил эксплуатации сооружений и технологических процессов производства и т.д.
Результатом техногенного воздействия на окружающую среду является
физическое, химическое и биологическое ее изменения, что обусловливает изменение экологических условий. Техногенное воздействие низкого, среднего
или высокого уровней определяет соответственно нормальное, удовлетворительное и неудовлетворительное состояние окружающей среды, например при
степени ее загрязнения <, = или > ПДК. В случае нормального состояния окружающей среды не требуется дополнительных мер для создания оптимальных
экологических условий. При удовлетворительном состоянии – мероприятия,
предназначенные для оптимизации экологических условий не выходят за рамки
обычных мероприятий, предназначенных для защиты окружающей среды от загрязнения. При неудовлетворительном состоянии окружающей среды требуются специальные мероприятия, разрабатываемые для каждого конкретного случая и определяемые видом и интенсивностью техногенного воздействия.
Окружающая среда включает как естественные (природные) объекты, так
и объекты искусственного происхождения, поэтому суммарный экологический
ущерб составляют: ущерб, нанесенный естественным объектам и ущерб, нанесенный искусственным объектам. Суммарная оценка ущерба возможна лишь с
помощью экономических единиц, которая необходима для целей планирования
и управления природоохранными процессами. Она должна учитываться для
учета техногенного воздействия и его последствий во всех природных средах.
В том случае, если ущерб произошел вследствие непринятия необходимых природоохранных мер или их недостаточности, то величина ущерба
будет соответствовать величине соответствующих затрат на защиту (при неизменном типе освоения). Экономическая сущность обусловленного ущерба
видна из формулы определения эффективности капитальных вложений:
У = (С2 – С1) + Е (К2 – К1),
где С1, С2 – приведенные эксплуатационные (текущие) расходы на защиту в
первоначальном и последующем варианте; К1, К2 – соответствующие капитальные вложения; Е – коэффициент капитальных вложений (в данном случае на защиту).
Таким образом, “У” является реальным ущербом, понесенным хозяйством вследствие порчи ресурса (например, почв). Для того, чтобы капитальные вложения в защиту были эффективны, “Е” должен быть больше или
равен некоторому нормативному коэффициенту экономической эффективности капитальных вложений Ен, принимаемому равным 0,12.
Разделение методов охраны природы в зависимости от характера возможных (или действительных) потерь (прямые, косвенные, обратимые, необратимые) оправданно с методической точки зрения, поскольку не всякие
потери могут быть объективно и достоверно переведены на экономическую
шкалу. Не всегда уровень ущерба может быть оценен по визуальным (или
единовременным) признакам. Возможны скрытые потери, последствия которых проявляются значительно позже рассматриваемой ситуации. Для дости88
жения наибольшей эффективности по охране окружающей среды эти методы
должны отвечать следующим основным требованиям:
• обладать наибольшей специфичностью по отношению к конкретным гидрогеологическим, климатологическим, почвенным и другим природным
условиям промышленного производства (или строительства);
• опираться на объективные методы контроля и оценки фактического состояния промышленной экосистемы с использованием специальных информационно-измерительных комплексов;
• предусматривать возможность их реализации для широкого класса однотипных конструктивно-технологических решений (по функциональному
назначению, способам производства и методам контроля, уровню нагрузок
и воздействий и т.д.).
Результаты природоохранной деятельности
При снижении негативного антропогенного воздействия на окружающую
среду достигаются экологические, социальные и экономические результаты.
Эти результаты тесно связаны. В зависимости от применяемых методов оценки
они могут рассматриваться как отдельно, так и сгруппированными, например
социально-экономические или социально-экологические.
Экологический результат природоохранной деятельности выражается в
уменьшении (или прекращении) выбросов вредных веществ в окружающую
среду и снижении уровня ее загрязнения, увеличении и улучшении качества
пригодных к использованию земельных, лесных и водных ресурсов и т.п.
Социальный результат проявляется в улучшении физиологических, культурных, творческих и рекреационных условий жизни человека: уменьшении заболеваемости, увеличении продолжительности жизни, повышении работоспособности и т.п. Социальный результат может быть частично выражен в стоимостных показателях (например, снижение затрат связанных с заболеваемостью).
Экономический результат выражается в экономии или предотвращении потерь природных ресурсов, живого и овеществленного труда во всех сферах народного хозяйства и личного потребления. Экономический результат может быть выражен в денежной форме и представляет собой сумму следующих величин:
• предотвращение экономического ущерба от загрязнения окружающей среды;
• прирост природных ресурсов, сберегаемых (улучшаемых) благодаря осуществлению природоохранного мероприятия;
• прирост реализуемой продукции, получаемый благодаря более полной
утилизации сырьевых, топливно-энергетических и других материальных
ресурсов в результате осуществления природоохранного мероприятия.
По назначению природоохранные затраты делятся на:
• затраты по предупреждению антропогенного воздействия на реципиентов
(природные и народнохозяйственные объекты);
• затраты на устранение причиненных потерь, в том числе вызываемых воздействием загрязненной среды на реципиентов (повышение заболеваемости населения, ухудшение условий и уровня жизни, снижение продуктивности природных
ресурсов, ускоренный износ основных фондов и увеличение аварий и т.п.).
При экономическом обосновании природоохранных мероприятий
должен соблюдаться общегосударственный подход, что предполагает:
• возможно более полный охват экономических, социальных и экологических
последствий различных вариантов природоохранных мероприятий в других
сферах народного хозяйства как в ближайшей, так и отдаленной перспективе;
89
• возможно более полный охват всех затрат, связанных с осуществлением
рассматриваемых мероприятий;
• учет фактора времени при оценке затрат и результатов;
• межотраслевой подход к обоснованию, т.е. обеспечение более эффективного
использования природных ресурсов за счет увеличения полноты и комплексности их утилизации в масштабах рассматриваемого региона в целом;
• учет неопределенности и неполноты информации о долгосрочных социально-экологических последствиях ухудшения состояния природной среды и
необходимость в связи с этим всесторонней социально-экологической экспертизы намечаемых масштабов природоохранных мероприятий.
Проектируемые и планируемые комплексы природоохранных мероприятий должны обеспечивать достижение следующих целей:
• соблюдение нормативных требований к качеству окружающей среды, отвечающих интересам охраны здоровья людей и охраны природы, с учетом
перспективных изменений, обусловленных развитием производства, демографическими сдвигами, расширением технических и экономических возможностей совершенствования природопользования;
• получение максимального народнохозяйственного экономического эффекта от улучшения состояния окружающей среды, сбережения и рационального использования природных ресурсов.
Экономическое обоснование природоохранных мероприятий проводится путем сопоставления результатов этих мероприятий с затратами, необходимыми для их осуществления. Сопоставление проводится отдельно по
видам результатов. При этом используются показатели абсолютной (общей)
и сравнительной эффективности.
Показатели абсолютной эффективности являются обобщающими, они
характеризуют величину результата на единицу затрат. Показатель сравнительной эффективности применяется для обоснования выбора различных
технических решений по охране природной среды.
После выбора наилучшего (предпочтительного) варианта природоохранных мероприятий определяется его народнохозяйственный экономический эффект. Народнохозяйственный экономический эффект определяется
разностью между народнохозяйственными результатами и затратами по избранному варианту.
Народнохозяйственный результат представляет собой сумму полезных
результатов природоохранных мероприятий в данном выражении. Для его денежной оценки могут быть использованы планово-перспективные цены, замыкающие кадастровые оценки природных ресурсов или аналогичные показатели
(нормативы затрат на освоение, вовлечения в хозяйственный оборот и т.п.).
Количественная оценка ущерба от захламления и загрязнения городских
территорий
Как уже говорилось ранее, в мониторинге земель ключевой задачей является анализ и оценка негативных процессов на землях, т.е. требуется оценить
роль реальных и возможных в будущем ущербов от негативных процессов,
снижающих качественные характеристики рельефа, почв и других компонентов
земель. Оценка ущербов, вызываемых негативными природными процессами,
причиняемых городу отрицательным влиянием в результате деятельности предприятий, организаций и отдельных лиц, а также нарушениями земельного законодательства, занимает важное место в практике городского землепользования.
90
Для количественной оценки размера нанесенного городу ущерба от захламления и загрязнения земель необходима соответствующая методическая
база. Существующие методики для расчета ущербов от загрязнения земель
химическими веществами и от деградации почв и земель малопригодны для
условий городов, так как ориентированы на земли сельскохозяйственного
назначения. Поэтому Московским земельным комитетом была создана методика вычисления размера ущерба пригодная для городских условий.
Принципиальный подход к исчислению размера ущерба от экологических правонарушений, касающихся состояния земель, основан на положениях: Гражданского Кодекса РФ, согласно ст. 15 которого под ущербом понимаются расходы, затрачиваемые для восстановления нарушенного права или
поврежденного имущества, а также неполученные от нарушения права или
повреждения имущества доходы. Исчисление в рублях совокупного размера
ущерба производится суммированием затрат на восстановление участка,
стоимости земельного участка за период вывода его из нормативного состояния и затрат на проведение обследования и аналитических работ:
У=ЗВ+СЗУ+3обсл.
где У- общий размер ущерба, руб.;
3В - затраты на восстановление участка, руб.;
СЗУ- стоимость земельного участка за период вывода его из состояния,
отвечающего нормативным требованиям, руб.;
3обсл - затраты на проведение обследования и аналитических работ, руб.
Затраты на восстановление участка до состояния, отвечающего нормативным требованиям, определяются стоимостью работ по очистке территории, восстановлению (замене) утраченного или испорченного почвенногрунтового слоя, проведению мероприятий по его оздоровлению и, при необходимости, утилизации испорченного слоя.
Капитализированная стоимость земельного участка (поврежденного
имущества) определяется методом капитализации земельных платежей за
период вывода его из состояния, отвечающего нормативным требованиям.
Затраты на проведение обследования и аналитических работ определяются сметной стоимостью фактически выполненных соответствующих работ.
Земли населенных пунктов различаются по функциональному назначению и цели использования и в своем составе имеют земли городской застройки (жилой, общественной и производственной), общего пользования,
природного комплекса и особо охраняемые территории. Одна и та же степень деградации на землях различного назначения приводит к разным ущербам для города ввиду их различной отзывчивости к разным природным, техногенным и социально-экономическим факторам градостроительства. К землям различного функционального назначения в городе требуется дифференцированный подход. Это находит отражение в ранжировании городских земель по их средоохранной и средовоспроизводящей ценности (табл. 6).
В данной методике за исходные стоимостные показатели при расчете
ущерба приняты нормативы затрат на замену, восстановление и утилизацию
почвенно-грунтового слоя и базовые ставки арендной платы за землепользование, которые с помощью поправочных коэффициентов корректируются для земель различного функционального назначения и различной степени деградации. Степень захламления оценивается на основании количества и качества
размещаемых отходов, выражаемых захламленной площадью, массой или объемом отходов, их видом и токсичностью. Степень загрязнения оценивается на
основании загрязненной площади, уровня и глубины загрязнения.
91
Поправочные коэффициенты на средоохранную и
средовоспроизводящую ценность городских земель
Тип функционального
назначения
Общественное
Таблица 6
Вид функционального назначения
Кц
Кроме учебно-воспитательного лечебно- 1,4
оздоровительного
Общественное
Учебно-воспитательное
и
лечебно- 1,8
оздоровительное
Жилое
1,6
Производственное
I
Природное
Кроме особо охраняемых территорий
1,7
Природное
Особо охраняемые территории
2
Территория инфраструктуры
1
Исчисление размера ущерба, вызываемого захламлением городских земель
1. Затраты на восстановление участка от последствий захламления земель рассчитываются как сумма средств, затраченных на транспортировку,
захоронение и размещение отходов в установленных местах:
ЗВзахл=М × Ттранс+ М× Тзахор+ М (или V)× Нразм× Кинф,
где ЗВзахл – затраты на восстановление участка от последствий захламления
земель, руб.;
М- масса отходов, т;
Ттранс – тариф на транспортировку, руб./т;
Тзахор – тариф на захоронение, руб./т;
V – объем отходов, м3;
Нразм – ставки платы за размещение единицы отходов различного вида,
руб/т, руб./м3;
Кинф – коэффициент инфляции.
2. Величина капитализированной стоимости земельного участка за период вывода его из состояния, отвечающего нормативным требованиям, вызванного захламлением земель, рассчитывается по формуле
СЗУзахл = S × Сб × Т/365 × Кч× Ктокс
где СЗУзахл – стоимость земельного участка за период вывода его из состояния, отвечающего нормативным требованиям, вызванного захламлением земель, руб.;
S - площадь, занятая размещенными отходами, га;
Сб – базовая ставка арендной платы за землю, руб./га;
Т – период времени нарушения земельного законодательства; выражается
в днях с момента допущения нарушения до момента его фактической
или планируемой ликвидации;
365 – коэффициент для перевода дней в годы;
Кч – коэффициент средоохранной и средовоспроизводящей ценности земель для городской среды;
Ктокс – коэффициент, учитывающий степень токсичности размещенных
отходов.
92
Исчисление размера ущерба, вызываемого загрязнением городских земель
1. Затраты на восстановление участка от последствий загрязнения земель рассчитываются как сумма затрат на полную замену загрязненного почвенно-грунтового слоя, на подготовку почвы под газоны и на утилизацию загрязненного почвенно-грунтового слоя:
ЗВзагр=Ззам+Зподг+Зутил
где ЗВзагр – затраты на восстановление участка от последствий загрязнения
земель, руб.;
Ззам – затраты на полную замену загрязненного почвенно-грунтового
слоя, руб.;
Зподг – затраты на подготовку почвы под газоны, руб.;
Зутил – затраты на утилизацию загрязненного почвенно-грунтового слоя,
руб.
Затраты на полную замену загрязненного почвенно-грунтового слоя
(Ззам ) и на его утилизацию (Зутил ) включаются в расчет затрат на восстановление участка от загрязнения (ЗВзагр ) в обязательном порядке при 5-м уровне
загрязнения. В иных случаях необходимость включения их в расчет величины ЗВзагр рассматривается и утверждается для каждого конкретного случая
уполномоченным органом госземконтроля, установившим загрязнение.
2. Величина капитализированной стоимости земельного участка за период вывода его из состояния, отвечающего нормативным требованиям, вызванного загрязнением земель, рассчитывается по формуле
СЗУзагр = S × Сб × Т/365 × Кч× Кзагр× Кглуб
где СЗУзагр – стоимость земельного участка за период вывода его из состояния, отвечающего нормативным требованиям, вызванного загрязнением земель, руб.;
S – площадь загрязненного контура, га;
Сб – базовая ставка арендной платы, руб/га;
Т – период времени нарушения земельного законодательства, дни;
365 – коэффициент для перевода дней в годы;
Кч – коэффициент средоохранной и сревовоспроизводящей ценности земель для городской среды;
Кзагр – коэффициент учета степени загрязнения;
Кглуб – коэффициент учета глубины загрязнения.
Величина Кзагр, устанавливается в соответствии с уровнем загрязнения
почв, определяемым по фактическому содержанию конкретного химического элемента (соединения) в почве, превышающему норматив допустимого
содержания (ПДК или ОДК), а при его отсутствии – по фоновому содержанию. В случае отсутствия нормативов допустимого содержания для расчета
комплексного загрязнения почв химическими элементами используется суммарный показатель концентрации (СПК).
Расчет ущерба от захламления земель проводили на срок в 1 год, исходя из средней приведенной массы отходов на несанкционированных свалках
– 1 т/кв. м и используя следующие значения нормативных величин и коэффициентов: Ттранс = 300 руб./т; Тзахор = 62,5 руб./т; Кинф = 62; Кч= 1 (земли
производственного назначения). Так как несанкционированные свалки
включают отходы различных видов, то расчет производится для двух случаев размещения наиболее типичных отходов: нетоксичных перерабатывающей промышленности (Ктокс= 1; Нразм = 0,18 руб/т) и малоопасных 4 класса
токсичности (Ктокс= 2; Нразм = 3,2 руб/т).
93
Абсолютные значения денежного выражения ущерба, вызываемого захламлением земель, колеблются для Москвы в целом – в диапазоне 130-200
млн. руб. По составляющим вклад затрат на восстановление в общий размер
ущерба от захламления выше вклада стоимости земельного участка более
чем на порядок (в 20-30 раз).
Размер ущерба от загрязнения земель рассчитывается для приоритетных загрязняющих элементов. Для Москвы расчет ущерба от загрязнения
земель проводился на срок в 1 год, используя следующие значения поправочных коэффициентов: Кч=1,6 (средневзвешенный для города); Кглуб=1.
По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:
Во-первых, абсолютные значения денежного выражения ущерба от
химического загрязнения земель оказываются весьма впечатляющими– миллиарды рублей, то есть на 2 порядка выше, чем от захламления.
Во-вторых, по своей ущербоформирующей роли в Москве химические
элементы выстраиваются в следующий ряд (в порядке ее убывания):
медь > цинк > свинец > кадмий > ртуть.
В-третьих, по составляющим в общий размер ущерба от загрязнения
отдельными элементами вклад затрат на восстановление в 1,5-3 раза выше,
чем вклад стоимости земельного участка.
94
Литература
1. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении: Учебное пособие для вузов. – М.:
Высш. шк. – 1998. – 287 с.
2. Никаноров А.М., Хоружая Т.А. Экология. – М.: Изд-во ПРИОР. – 1999. –
304 с.
3. Мазур И.И., Молдаванов О.И. Курс инженерной экологии: Учеб. для вузов
/ Под ред. И.И. Мазура.– М.: Высш. шк. – 1999. – 447 с.
4. Вронский В.А. Прикладная экология: учебное пособие. – Ростов-на-Дону:
Изд-во «Феникс». –1996. – 512 с.
5. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. – М.: Логос. – 2000. –
627 с.
6. Научные основы мониторинга, охраны и рекультивации земель / А.П. Козаченко, О.Р. Камеристова, И.П. Добровольский, А.Ю. Даванков. – Челябинск. – 2000. – 247 с.
95
ОГЛАВЛЕНИЕ
Тема 1. Введение. Понятие мониторинга. Цели и задачи мониторинга.
Классификация видов и направлений деятельности системы
мониторинга
Введение ................................................................................................... 3
Общие представления о мониторинге окружающей среды ............... 4
Классификация видов мониторинга ..................................................... 5
Тема 2. Основные понятия экологии
Экосистема, ее составные части ............................................................
Экологические факторы .........................................................................
Виды вредных воздействий на окружающую среду ...........................
Источники загрязнения биосферы ........................................................
Распределение загрязняющих веществ в биосфере и их влияние на
ее компоненты .........................................................................................
Устойчивость природных систем ..........................................................
Допустимая антропогенная нагрузка на окружающую среду ............
Понятие о ПДК ........................................................................................
Понятие об экологическом риске ..........................................................
Приоритетность наблюдений за химическими загрязняющими веществами ...............................................................................................................
Общая оценка состояния окружающей среды .....................................
Тема 3. Принципы и задачи почвенного мониторинга. Источники и
проблемы загрязнения почв. Влияние загрязнения биосферы на
загрязнение почв. Миграция химических элементов в почвенном профиле
Принципы и задачи почвенного мониторинга ....................................
Источники и проблемы загрязнения почв, ПДК загрязняющих веществ в
почве ...........................................................................................................................
Взаимодействие тяжелых металлов с химически активными веществами почв ..............................................................................................
Миграция химических элементов в почвенном профиле ...................
10
13
13
15
17
20
23
24
26
27
29
30
32
34
35
Тема 4. Использование городского земельного фонда
Состояние окружающей среды в городах ............................................ 38
Отведение земельных участков под промышленные объекты .......... 40
Тема 5. Мониторинг земель
Предмет мониторинга земель ................................................................
Мониторинг загрязнения почв ..............................................................
Мониторинг поверхностного слоя геологической среды ..................
Мониторинг территорий, занятых свалками твердых бытовых отходов и отвалами промпредприятий .....................................................
Основные принципы организации мониторинга земель ....................
42
46
47
48
50
96
Тема 6. Отбор проб и методы анализа
Особенности выбора мест пробоотбора в населенных пунктах ........ 52
Методы отбора проб и условия их хранения ....................................... 53
Контролируемые показатели почвенно-химического мониторинга,
аппаратура и методы анализа ................................................................ 54
Тема 7. Основные направления охраны земель ...........................................
Рациональное использование территорий ...........................................
Рекультивация нарушенных земель ......................................................
Защита почв от подтопления и эрозии .................................................
Охрана почв от загрязнения тяжелыми металлами .............................
62
62
63
64
66
Тема 8. Ландшафты населенных пунктов
Общие сведения .......................................................................................
Первый таксономический уровень ........................................................
Второй таксономический уровень ........................................................
Третий таксономический уровень .........................................................
Четвертый таксономический уровень ...................................................
Пятый таксономический уровень ..........................................................
67
70
74
74
75
75
Тема 9. Оценка экологического состояния окружающей среды
Общие сведения .......................................................................................
Основные требования к экологической оценке состояния биосферы ...
Качественная оценка состояния территории и его изменений ..........
Количественная оценка состояния окружающей среды и его изменений .........................................................................................................
Принципы количественной оценки ......................................................
Тема 10. Оценка экологического ущерба от загрязнения окружающей
среды
Общие сведения .......................................................................................
Результаты природоохранной деятельности ........................................
Количественная оценка ущерба от захламления и загрязнения городских территорий ................................................................................
Исчисление размера ущерба, вызываемого захламлением городских земель ...............................................................................................
Исчисление размера ущерба, вызываемого загрязнением городских земель ...............................................................................................
75
77
80
82
84
86
88
89
91
92
Литература ....................................................................................................... 94
Оглавление ....................................................................................................... 95
97