Комплексная оценка состояния почв и последствий влияния на них горнодобывающих предприятий

Т.И. Долгова

Национальный горный университет, Днепропетровск

Розроблено комплексні критерії оцінки грунтів, які деградують під дією факторів техногенезу різної природи, що забезпечило створення системи їх моніторингу, яка дозволяє не тільки проводити об'єктивну оцінку стану грунтового покриву in situ та на перспективу, але й вибирати засоби його відновлення.

Разработаны комплексные критерии оценки почв, деградированных под воздействием факторов техногенеза различной природы, что обеспечило создание системы их мониторинга, которая позволяет не только проводить объективную оценку состояния почвенного покрова in situ и в перспективе, но и выбирать способы его восстановления.

Охрана окружающей среды при добыче и комплексном использовании минеральных и сырьевых ресурсов в Украине стоит наиболее остро и связана с необходимостью решения многих проблем, в том числе экологического характера. Это вызвано тем, что влияние горного производства сказывается практически на всех экосистемах в радиусе десятков и даже сотен километров.

Наиболее уязвимыми в этой ситуации оказываются почвы. И так как все разнообразие их изменений под влиянием предприятий горнодобывающего комплекса является следствием перестройки основных почвенных процессов геомеханических, гидрологических, физических, химических, биологических и т.д., последствия их реализации масштабны и разноплановы. Установлено, что в реальных условиях основными инициаторами такой дестабилизации почв служат техногенные факторы, которые являются следствием реализации ведущих технологических процессов при добыче и переработке полезных ископаемых. Это формирование зон депрессий водоносных горизонтов, газовыделение, пыление, комплексное пылегазовыделение при проведении буровзрывных работ, подтопление и затопление территории, фильтрационные потери из технических водоемов, кислотный сток с поверхности внешних отвалов и их выщелачивание, горение шахтных отвалов, а также сброс высокоминерализованных и сточных вод без очистки [1]. Доказано, что указанные факторы могут действовать как прямо, так и опосредовано, но всегда комплексно, а потому эффекты от их осуществления сложны и труднопредсказуемы. В результате такого техногенеза прилегающих к горнодобывающим предприятиям почв коренным образом изменяется равновесие гидрогеофильтрационных, гидрогеохимических и инженерно-геологических процессов и их основные характеристики на площадях, которые чаще всего превосходят земельные и горные отводы. Вследствие этого на почвенной поверхности таких территорий возникают безжизненные ландшафты в виде громадных отвалов горных пород и глубоких карьерных выемок, затопленных площадей, воронок, трещин, террасообразных уступов, смещений земной поверхности и прочих геомеханических нарушений. Более того, этот почвенный покров подвергается также техногенному загрязнению, что еще опаснее, нежели его разрушение, так как менее очевидно и поэтому сложнее устранимо [2].

Однако сложность данной экологической ситуации состоит не только в механической и химической трансформации почвенных систем негативного характера, но и возможной дестабилизации сопредельных сред, а также в падении продуктивности расположенных там сельскохозяйственных и лесных угодий. Снижение их продуктивности сопровождается резким ухудшением качества продуктов растениеводства за счет накопления в них (а затем и в продуктах животноводства) компонентов, многие из которых (тем более в таком сочетании и количестве) опасны для человека как потребителя такой продукции. Более того, становится реальной вероятность потери естественных ландшафтов, где полностью разрушаются создаваемые на протяжении тысячелетий природные комплексы. В этих условиях проблематичным становится также достижение оптимальных санитарно-гигиенических условий производственной деятельности человека и обеспечение комфортных условий его жизни.

Формируемая таким образом экологическая ситуация и вероятность ее дальнейшего ухудшения обуславливают необходимость поиска теоретического подхода к комплексной оценке состояния техногенно трансформируемых почвенных систем, а также показателей, с помощью которых можно выявить реальность возникновения этих изменений со временем с достаточной степенью достоверности, иными словами - с учетом прогнозных оценок. Конечно, набор традиционно используемых для этого критериев достаточно велик, однако их возможности ограничены, поскольку практически все они носят монооценочный характер или же констатируют ситуацию без учета ее ретроспективы и перспективы. Поэтому их адекватность природе и параметрам техногенной нагрузки до сих пор остается проблематичной, причем не только из-за многофакторности техногенеза, но и специфики почвенных систем как полигенетических структур.

Безусловно, на первых этапах мониторинговых исследований использование группы общепринятых аналитических методов различного уровня, применяемых в определенной последовательности, является оправданным, поскольку с их помощью можно не только определить специфику зональных почв, но и фоновое содержание элементов техногенеза, присущих данному региону. Однако получение адекватной оценки характера трансформации почв под воздействием техногенных факторов различной природы, а также прогноза последствий таких изменений возможно только на основе использования комплексных критериев. Эти показатели обеспечивают объективный характер монокритериального учета сложных экосистем, который ориентирован не только и не столько на анализ действующих факторов, сколько на отклик преобразуемой системы в ответ на это разноплановое воздействие.

Исходя из вышеизложенного следует отметить, что для комплексной оценки техногенно преобразованных почв мы рекомендуем: во-первых, выделить минимальную совокупность параметров, характеризующих качество почвы, для каждого параметра определить адекватные величины и диапазоны возможных колебаний, не приводящих к существенным изменениям биологической продуктивности почв; во-вторых, оценить степень воздействия (опасности) загрязнения на выбранные характеристики с целью определения тех минимальных нагрузок, которые вызывают начало необратимых изменений в свойствах почв или в почвообразовательных процессах; и, наконец, разработать обобщенные показатели качества почв и параметры, характеризующие их устойчивость к загрязнению. Следует также отметить, что мониторинг состояния (качества) почв должен включать не только контроль источников и уровней загрязнения, но и анализ воздействующих факторов, а также последствий воздействия на экопедоценозы различных загрязнителей.

Таким образом, в оптимальном варианте информация, получаемая в ходе мониторинговых исследований почв, должна в полном объеме обеспечивать характеристику как их естественно-природных, так и техногенных аналогов в границах исследуемого региона, а также полную картину всего комплекса процессов, происходящих в пределах исследуемого почвенного ценоза. Иными словами, обобщающая характеристика естественноприродных и техногенных особенностей почв предполагает инвентаризацию источников загрязнения, а также районирование территории по интенсивности техногенной нагрузки, что, в свою очередь, обеспечит оценку возникающих проблемных (критических) ситуаций. Такая информация даст представление не только о характере распространения техногенных загрязнений и о самоочищающей способности почвенных систем, но и позволит оценить их экологическую емкость по отношению к загрязняющим веществам, что весьма важно, в частности, для разработки критериев экологической нагрузки.

Реализация поставленных выше вопросов позволит перейти в дальнейшем к оптимизации последующих этапов мониторинга почв, что обеспечит адекватность принятия решений при выборе путей устойчивого развития конкретной территории.

Рекомендуемая нами специфика системы мониторинга почв при высоком уровне техногенной нагрузки (в том числе в районе деятельности предприятий горнодобывающего комплекса) состоит в этапности решения поставленных задач, причем на каждом таком этапе целесообразным представляется использование адекватных оценочных критериев, уровень интеграции которых увеличивается по мере решения проблемы. При переходе от системы наблюдений к следующему этапу мониторинга вся полученная информация начинает «работать» на единый критерий, ориентированный на реакцию экосистемы в ответ на весь комплекс факторов техногенеза, что позволит объективно оценить сложившуюся экологическую ситуацию. Использование этого критерия для оценки экологического потенциала почвенной экосистемы обеспечит в дальнейшем прогноз последствий ее развития с высокой степенью достоверности с тем, чтобы в итоге принять соответствующее решение с целью минимизации антропогенной трансформации не только почв, но и связанных с ними ценотических компонентов.

В качестве таких критериев мы предлагаем следующие комплексные показатели, которые характеризуют почвенные ценозы в условиях техногенеза и позволяют прогнозировать последствия этого воздействия: экологический бонитет почв, их адаптивный потенциал и коэффициент реакции на техногенное воздействие, а также экологический потенциал данных экосистем. Каждое из этих субстантивных выражений, базируемое на использовании минимального количества априорных данных при максимуме получаемой информации, автоматически генерирует практически все необходимые сведения, поскольку один информационный уровень обеспечивает данными другой, заменяя дорогостоящие натурные измерения.

При изучении экологических аспектов состояния почв, особенно почв агроландшафтов, ключевым моментом является не столько выявление уровня их загрязнения, сколько определение влияния различных техногенных факторов на почвенное плодородие, которое является наиболее интегральной среди всей совокупности ее анализируемых функций, тем более что спецификой его является резервность, долгосрочность и устойчивость 3.

Анализ литературных источников, посвященных разработке принципов и методов бонитировки почв 4-6, убедил нас в отсутствии выражения, способного охарактеризовать почвенное плодородие не только с позиций концепции устойчивого развития территории, но и просто с экологической точки зрения. Поэтому нами предложено собственное уравнение, которое учитывает все необходимые моменты и является оптимальным в данной ситуации:

 (1)

почва деградированный минеральный сырьевой

где БЭ - экологический бонитет почв; Хi - содержание гумуса в техногенных почвах; Хопт - содержание гумуса, оптимальное для данного типа почв; Yi - соотношение поглощенных оснований (Ca+Mg/Na) в техногенных почвах; Yопт - соотношение поглощенных оснований (Ca+Mg/Na), оптимальное для данного типа почв; Сi - содержание элементов питания (N, P, K) в техногенных почвах; Сф - содержание элементов питания (N, P, K) в почвах регионального фона; Пi - содержание приоритетных тяжелых металлов (ТМ) в техногенных почвах; Пф - содержание приоритетных ТМ в почвах регионального фона; Пк - содержание приоритетных ТМ в почвах фонового полигона (в контроле); n - количество исследуемых проб почв.

Данное выражение относится к типу так называемых субстантивных, так как оно построено с учетом внутренних свойств почвы, тесно коррелирующих с урожайностью, которую они в состоянии обеспечить. Следует также отметить, что представленное уравнение косвенно учитывает и другие факторы, влияющие на почвенное плодородие (внесение минеральных и органических удобрений, изменение плотности и механического состава почв, варьирование окислительно-восстановительные условия и т.д.). Иными словами, в выражении (1) автоматически генерируется практически вся необходимая информация, поскольку один уровень обеспечивает данными другой, заменяя дорогостоящие натурные измерения.

Анализируя далее степень изменчивости почв при загрязнении, мы остановились также на показателях почвообразовательных процессов, т.е. группе параметров, прямо или опосредовано отражающих практически все изменения, наступившие в почвенной массе. В число наиболее важных критериев этой группы входит качественный и количественный состав гумуса, окислительно-восстановительные условия, отражающие направленность процессов, происходящих в почвенных системах; степень минерализации почвенного раствора, а также его коллоидно-химические свойства состав и содержание обменных катионов почвенно-поглощающего комплекса. Сведя, таким образом, к минимуму анализируемые параметры, мы вышли на самые емкие в информационном плане критерии. Таким образом были обеспечены основные требования к выбору вектора мониторинга, а именно осуществимость и репрезентативность.

Обобщение полученных сведений позволило нам выйти на интегральную оценку качества почв с экологических позиций, что обеспечивает выявление прямой зависимости изменений почвенных характеристик от совокупного загрязнения. Таким показателем, с нашей точки зрения, является адаптивный потенциал почв (АПП), который можно также назвать величиной их способности к самоочищению. Этот показатель можно представить в виде функции:

(2)

где Oxакт суммарная активность основных окислительных ферментов почв - пероксидазы, полифенолоксидазы, каталазы и дегидрогеназ; СDNPК коэффициент дисбаланса элементов питания (N, P, K); ИПЭНТМ - интегральный показатель экологической напряженности почв по приоритетным тяжелым металлам.

Введя значения Oxакт, СD NPK и ИПЭНТМ в уравнение (2) и преобразуя его, мы получили следующее выражение:

 (3)