Вплив техногенного забруднення на стан сільськогосподарських угідь та прогноз їх якості

За А.І. Фатєєвим вибір і обґрунтування критеріїв оцінки стану земельних ресурсів відносно забруднення є складовою частиною більш глобальної проблеми — проблеми нормування антропогенних навантажень на екосистеми. За об'єктивними еколого-токсикологічними критеріями можна не тільки визначати екологічну ситуацію на конкретній території, але й оцінювати характер антропогенного впливу на навколишнє середовище. Наприклад, екологічно чисті території можна розглядати як еталон розумного впливу людини на ґрунтовий покрив, у той час як забруднені сільськогосподарські угіддя — це наслідок незбалансованого антропогенного впливу на довкілля.

Відомо, що в останній час процеси деградації ґрунтового покриву, обумовлені техногенним забрудненням, підсилились. Найбільшу небезпеку для навколишнього середовища являє собою забруднення ґрунтів радіонуклідами, важкими металами та пестицидами. Рівень забруднення ними ґрунтів може істотно різнитися. Наприклад, найбільш інтенсивне забруднення ґрунтів важкими металами відмічається поблизу джерела забруднення. З віддаленням від нього рівень забруднення ґрунтів зменшується. Рівень забруднення ґрунтів залишковими кількостями пестицидів та радіонуклідами у різних регіонах країни також має специфічні відмінності. Численними дослідженнями встановлено, що в ґрунтах діють механізми, які призводять до трансформації техногенних потоків, зв’язування ксенобіотиків в малорухомі і недоступні для рослин форми. Проте, діють ці механізми в певних межах. Тому екологічна ситуація, що обумовлена техногенним впливом на ґрунти, може змінюватися від сприятливої до катастрофічної.

Дослідниками ННЦ «ІГА ім. О.Н. Соколовського» НААН України (А.І. Фатеєвим, Н.І. Мірошниченком, В.І. Кисілем) пропонуються такі критерії оцінки екологічного стану земельних ресурсів:

• — вміст залишкової кількості пестицидів у ґрунтах, мг/кг;
• — вміст залишкової кількості пестицидів у рослинній масі, мг/кг;
• — вміст валових форм важких металів у ґрунтах, мг/кг;
• — вміст валових форм важких металів у рослинній масі, мг/кг;
• — вміст рухомих форм важких металів у ґрунтах, мг/кг;
• — щільність забруднення ґрунтів цезіем-137 і стронцієм-90, Кі/км2.

Як критерії оцінки радіаційного фону обрана щільність забруднення земель Cs13 та Sr90. Небезпечність пестицидного забруднення оцінюється величинами пестицидного навантаження та залишкових кількостей біоцидів в ґрунті й рослинах. Забруднення ґрунтів важкими металами контролюється за вмістом у ґрунті та рослинах валових форм важких металів. Крім цього, обов’язково треба визначати в ґрунті рухомі форми елементів-забруднювачів.

Слід мати на увазі, що оцінити екологічний стан ґрунтів, обумовлений техногенним впливом, досить складно. Особливо важко встановити початок техногенної деградації, тому що в цьому випадку у ґрунтах суттєвих зовнішніх змін не відбувається. Саме тому, що наслідки техногенного впливу у більшості випадків візуально не простежуються, пропонується, по-перше, використовувати для діагностики такого процесу переважно кількісні показники, і, по-друге, проводити разом з ґрунтовими дослідженнями аналіз хімічного складу рослин, які вирощуються на таких територіях. У даному випадку ці рослини розглядаються як тест-культури.

Найбільші складності виникають при інтерпретації даних щодо забруднення ґрунтів важкими металами. Справа в тому, що погіршення властивостей ґрунтів, забруднених важкими металами, відбувається не відразу, а після досить тривалого часу. В першу чергу це відноситься до чорноземних ґрунтів, які мають порівняно з дерново-підзолистими ґрунтами піщаного та супіщаного гранулометричного складу, значно більше органічної речовини і високу вбирну здатність. Експериментальне визначення коефіцієнтів дифузії важких металів у чорноземах показало, що вони у 2−3 рази нижчі, ніж у дерново-підзолистих ґрунтах.

На підставі цього А.І. Обухов дійшов висновку, що чорноземи страждають від наслідків забруднення значно менше, ніж підзолисті піщані та супіщані ґрунти. Отже, у зоні чорноземних ґрунтів під впливом важких металів значно менше знижується рівень продукції культур та погіршується її якість, ніж на інших ґрунтах. Водночас накопичення важких металів у ґрунтах безпечно лише до певного рівня, поки рослина має можливість протидіяти їм. Подальше збільшення вмісту у ґрунті того чи іншого елементу різко негативно (інколи — летально) впливає на розвиток рослини. Межу нетоксичної дії на рослини конкретного забруднювача встановити важко, оскільки у реальних умовах майже завжди має місце поліелементне забруднення ґрунтів. Такий характер забруднення ускладнює прогноз реакції різних сільськогосподарських культур на забруднення Ґрунтів важкими металами. Треба відмітити, що розробити єдиний критерій, за яким однозначно для конкретної культури можна було б оцінити токсичні або ні ґрунти, що забруднені важкими металами, на наш погляд, неможливо.

Запропонований рядом авторів (Балюк С.А., Ладних В. Я., Фатєєв А.І., 1999) такий критерій, як показник сумарного накопичення у ґрунтах важких металів характеризує скоріше структуру забруднення, ніж небезпеку його для окремих сільськогосподарських культур. До того ж рослини засвоюють не абстрактну суму елементів, а кожний з них індивідуально. Ось чому використовувати цей показник щодо оцінки фітотоксичності ґрунту слід досить обережно. Неадекватно по відношенню до рослин оцінюють токсичність ґрунтів, що забруднені важкими металами, біохімічні і мікробіологічні показники. екологічний земельний пестицид антропогенний Щоб прогнозувати реакцію конкретної культури на забруднення Ґрунтів важкими металами, передусім, необхідно враховувати фізіолого-біохімічні особливості поглинання рослинами різних елементів. В.Б. Ільїн вказує, що дуже часто, коли ґрунт містить велику кількість важких металів, в рослини вони не надходять, або надходять в невеликих кількостях. Очевидно, що цьому перешкоджають захисні механізми кореневої системи рослин. Не дивно, що найбільша кількість важких металів в умовах техногенного впливу на ґрунт накопичується у коренях, менше в стеблах та листках і мало (або зовсім не накопичується) — в репродуктивних органах. До того ж, на останніх етапах онтогенезу рослин важкі метали, транспортуються з вегетативних органів у кореневу систему. Однак мають місце і факти негативного, і навіть летального впливу важких металів на рослини, тобто такого впливу, при якому захисний механізм рослин деформується або руйнується.

Зрозуміло, що основою негативного впливу на рослину того чи іншого елементу є не сам елемент, а його кількість. В.Б. Ільїн справедливо вважає, що в природі немає токсичних елементів, але є їх токсичні концентрації. Логічно припустити, що при поліелементному забрудненні ґрунтів найбільшу небезпеку для рослин буде викликати елемент, концентрація якого в ґрунтовому розчині буде найвищою. Як рівень продуктивності рослин обмежується елементом, що знаходиться в поживному розчині в мінімумі, так і рівень захисних можливостей рослин др дії токсикантів не може бути вище його «запасу міцності». по відношенню до елементу, який домінує серед забруднювачів. Ось чому, на думку акад. С.Ю. Булигіна (2006), параметри вектору впливу на рослину важких металів, як це не парадоксально, визначає не алгебраїчна сума впливу кожного, окремо взятого елементу, а рівень адаптивних можливостей культурної рослини до негативного пресу елемента-токсиканта, домінуючого в структурі забруднювачів. У відповідь на фізіологічний прес важких металів, рослини знижують до певної межі рівень адаптивного потенціалу, і, тим самим, можуть нормально функціонувати — нарощувати вегетативну масу та формувати генеративні органи. Це відбувається в тому разі, коли концентрації елементів-забруднювачів у ґрунтовому розчині незначні. У цьому випадку, на помірно забруднених ґрунтах отримують урожай або такого ж рівня, як і на незабруднених, або на 5−10% нижче. Якщо у ґрунтовому розчині концентрація важких металів (кожного з забруднювачів або одного — домінуючого) така, що рослини фізіологічно не можуть протидіяти їм — вони гинуть або розвиваються неповноцінно, що є наслідком деформації або руйнування адаптивного потенціалу рослини до важких металів. Рівень урожаю сільськогосподарських культур на середньоі сильно забруднених ґрунтах може бути нижче, ніж на незабруднених на 30- 35%.

Саме з урахуванням відповідних реакцій рослин на важкі метали пропонується Для оцінки стану земель відносно забруднення використовувати не тільки дані щодо вмісту у ґрунтах валових і рухомих форм елементів-забруднювачів, але і дані щодо їх вмісту у сільськогосподарських культурах.

Існуюча система регламентації антропогенного навантаження на екосистеми базується на санітарно-гігієнічних нормативах окремих показників. Проте така система неефективна відносно захисту продукційних функцій ґрунту. Багатокомпонентність викидів виробництва робить також неефективним контроль за дотриманням регламентів по кожному окремому інгредієнту. До того ж, при такому підході не можливо врахувати ефекти акумуляції забруднювачів в екосистемах, і дуже складно диференціювати нормативи за ґрунтово-кліматичними зонами. Все це визначає необхідність розробки інших підходів до регламентації техногенних навантажень на екосистеми.

Проблеми нормування навантажень на екосистеми обговорюються у нас в країні вже більше двох десятиріч. Незважаючи на значну різноманітність підходів і досить успішний досвід визначення екологічних нормативів забруднення, жодна з концепцій не дозволяє відповісти на основні питання, які виникають на практиці. Відсутня достатньо розроблена методологічна база, яка дає можливість коректно одержати екологічні нормативи. Така база, що необхідна для оцінки екологічного стану земель, повинна включати відомості про:

• 1) нормативи рівнів радіаційного фону;
• 2) екологобезпечні та критичні рівні пестицидного навантаження та ГДК пестицидів;
• 3) кларки важких металів, ГДК і гранично допустимі рівні у ґрунті забруднювачів.

Саме за такою комплексною системою і слід давати оцінку стану земель відносно забруднення. Наприклад, щодо пестицидів цілком придатну оцінку екологічного стану земель можна отримати за допомогою даних, що характеризують рівень пестицидного навантаження. Однак для більшої об'єктивності необхідно мати інформацію про залишкові кількості пестицидів у ґрунтах і рослинах. Рівень забруднення ґрунтів і рослинної маси залишками пестицидів визначають шляхом порівняння фактичного вмісту пестицидів у ґрунті або у сільськогосподарській продукції з гранично допустимими концентраціями. У таблиці 1 наведено ГДК деяких пестицидів.

Таблиця 1. ГДК пестицидів.

Перевищення фактичного вмісту залишкової кількості пестицидів відносно ГДК є показником небезпечної екологічної ситуації.

З урахуванням наведеного типи екологічної ситуації відносно пестицидного забруднення земель можна ранжувати так (табл. 2): сприятлива, задовільна, передкризова, кризова, катастрофічна.

Таблиця 2. Нормативи оцінок пестицидного забруднення ґрунтів

У таблиці 3 наведено нормативи оцінок екологічної ситуації щодо радіоактивного забруднення.

Таблиця 3. Нормативи оцінок щільності радіоактивного забруднення земель, Кі/км2.

Більш складним є визначення ситуації щодо забруднення ґрунтів важкими металами. Оскільки техногенне забруднення ґрунту майже завжди є поліелементним, дослідників цікавило питання щодо сукупної негативної дії на ґрунт надлишкових іонів. Однак, існуючі пропозиції носять загальний характер. У роботах співробітників ІМГРЕ використовується так званий сумарний показник концентрації важких металів (Zc), який являє собою сукупне перевищення вмісту досліджуваних хімічних елементів над їх фоновим рівнем. Виходячи із величини Zc, розроблена орієнтовна шкала оцінки рівня забруднення ґрунтового покриву, яка, на жаль, може знайти лише обмежене застосування. Теоретичні розробки і накопичений фактичний матеріал дозволяють запропонувати систему показників для екологічної оцінки накопичення важких металів в забруднених ґрунтах, засновану на відповідних реакціях рослин на дію важких металів.

Розроблено параметри вмісту в орному шарі важких металів, за яких умови для росту та розвитку сільськогосподарських культур можуть змінюватися від сприятливих (оптимальних) до незадовільних (недопустимих). У системі оцінки агроекологічних умов стосовно елементів-забруднювачів використано такі показники як кларки і ГДК важких металів (табл. 4, 5, 6).

Таблиця 4. Валовий фоновий вміст і ГДК важких металів у ґрунтах.

Таблиця 5. ГДК рухомих форм важких металів в ґрунтах.

Таблиця 6. ГДК важких металів у рослинницькій продукції.

Оскільки ГДК розроблено не для всіх елементів, запропонована система має подвійний характер.

Якщо для конкретного елемента показник ГДК розроблено, то він передусім і використовується, якщо ні - використовується кларк його вмісту в ґрунті (табл. 7).

Таблиця 7. Вплив вмісту в ґрунтах важких металів на врожай і якість сільськогосподарської продукції.

Нормативи оцінок екологічного стану земель відносно їх забруднення важкими металами наведено в таблиці 8.

Таблиця 8. Нормативи оцінок забруднення ґрунтів важкими металами.

Відомо, що протягом останніх років територія України постійно піддавалась різним видам забруднення. Це і атмосферні викиди радіонуклідів внаслідок випробовування ядерної зброї і відходи при переробці матеріалів на підприємствах ядерно-паливного циклу, викиди промислових підприємств і теплових електростанцій, застосування токсичних речовин у сільськогосподарському виробництві тощо.