И.В. Мельник, Е.А. Яковлев, И.С. Шевченко
Украинский Государственный геологоразведочный институт; Киев, Украина
Геохимические свойства почв определяют геохимические параметры продовольственной цепи и биогеохимического баланса человека. Украина фактически на протяжении 70 лет была важной сельскохозяйственной областью Советского Союза, вследствие чего пахотные земли на ее территории составляют около 45 млн. гектаров или 70% от общей площади Украины. В течение полувека ежегодно в пахотные земли вносились в значительных количествах удобрения — до 17 млн. тонн и пестициды — 190 тыс. тонн. Реальный контроль изменений геохимического баланса загрязнения ландшафтов, поверхностных и грунтовых вод, сельскохозяйственных и дикорастущих растений фактически отсутствовал. В начале 80-х было отмечено региональное загрязнение грунтовых вод на территории Украины.
Это было признаком исчерпания защитных возможностей почв, подгрунтовых водоненасыщенных пород и ландшафтов. Использование удобрений и пестицидов привело к высокой техногенной нагрузке. Существенно изменяются природные геохимические поля, формируются техногенные поля, ускоряется водообмен из-за оросительной и осушительной мелиорации, подтопления. Еще перед чернобыльской катастрофой Украина была государством с высокой техногенной составляющей геохимических ландшафтов, что заметно изменяло геохимический баланс человека. Чернобыльская катастрофа привела к залповому появлению в воздухе и воде большого количества долгоживущих радионуклидов (цезий-137, стронций-90, плутоний-239, 240 и т.п.). После их депонирования на почвах и донных отложениях большая часть Украины превратилась в техногенную радиогеохимическую провинцию.
Теперь большинство ландшафтов Украины имеет преимущественно новые радиогеохимические свойства и биогеохимические параметры пищевой цепи. То есть, можно говорить о новых геохимических параметрах почв в различных регионах Украины. Этот фактор существенно влияет на стоимость земли, уровень урожайности и качество продовольствия.
Такой вывод основан на результатах нелинейного регрессионного анализа геохимического загрязнения почв и уровней характеристической заболеваемости населения. Широкий масштаб и глубокие геохимические преобразования биогеохимических условий жизни — основание для высокого экологического риска на уровне этногенеза.
Сейчас, когда поставлена задача приватизации земли, мы полагаем, что некоторые европейские модели оценки земли или их методические обоснования могли бы использоваться для Украины, но с учетом техногенных биогеохимических параметров почв, которые непосредственно влияют на экогеохимические и этногенные параметры жизнедеятельности.
Работы по комплексной оценке агрохимических и геохимических показателей территории ведутся в Украинском Государственном геологоразведочном институте. Для решения этих задач используется большое количество разнообразной информации о геохимическом и биогеохимическом опробовании пахотных почв, эколого-геохимических характеристиках территории. Тут требуются объемные преобразования информации, в том числе картографической. Эти работы проводятся с применением ArcView. ГИС позволяет создать информационно-аналитическую систему для оценки геохимического состояния геологической среды, обеспечивающую решение ряда важных задач:
- определение и картографическое отображение пространственного распределения элементов между сельскохозяйственными угодьями и территориями, не охваченными сельскохозяйственным производством. Такие данные позволяют определить характеристики природных и техногенных полей распределения химических элементов и их комплексов, степень их “техногенизации”, присущую агроландшафтам;
- прослеживание и картографическое отображение пространственно-временных изменений геохимических параметров агроландшафтов на протяжении последних 20-30 лет. Результаты таких сопоставлений помогают определить эколого-геохимические составные и динамику риска здоровья для населения страны различных возрастных групп в городе и на селе в зависимости от типов пищевых цепей; созданы модели, позволяющие прогнозировать состояние здоровья населения по крайней мере на ближайшее время.
- определение и картографическое отображение распределения химических элементов по сельхозугодьям от уровня отдельных хозяйств до уровня района, области и страны в целом. Такие материалы имеют медико-геохимическое значение и интересуют агрохимиков, поскольку позволяют оценить уровень геохимических преобразований аграрных ландшафтов, лучше координировать агрохимические мероприятия, особенно сейчас, в условиях напряженной экологической обстановки и дороговизны минеральных удобрений.
После детального знакомства с методиками агрохимической оценки сельскохозяйственных угодий, которые используются при мониторинговых исследованиях и эколого-агрохимической паспортизации полей, проводимых специалистами-агрохимиками, мы разработали методический подход к агрогеохимической оценке сельскохозяйственных угодий. Он учитывает воздействие геохимических факторов (состав материнских пород, условия гидрогеофильтрации и т.п.) на распределение поступающих химических элементов. Мы также использовали некоторые разработки из мирового опыта, которые стали доступными благодаря глобальной сети Internet. Такая оценка включает в себя как агрохимические, так и эколого-геохимические параметры:
- содержание гумуса, азота, фосфора, калия, бора, молибдена, марганца, кобальта, меди, цинка, мышьяка, ртути, кадмия, цезия-137, свинца, хрома;
- климатические условия, орошение, засоленность, кислотность и некоторые другие факторы, которые при региональном проявлении имеют заметную локальную значимость.
Для отображения дифференциации используется бальная оценка: увеличение значений отрицательных составляющих приводит к уменьшению общей суммы баллов. При оптимальных агрохимических и минимальных эколого-геохимических параметрах сумма балов приближается к эталону; его можно определить как для страны, так и для отдельных климатических зон и областей.
Основное методическое направление наших работ состоит в том, чтобы определить изменения геохимических параметров ландшафтов за последние 20-25 лет, когда эти изменения были самыми интенсивными. С этой целью мы провели исследования современных и ретроспективних данных по Дубровицкому и Зареченскому районам Ровенской области и привлекли литературные данные обследований сельхозугодий 1960-х годов, в частности, данные по балансу питательных веществ в почвах УССР.
Сопоставление полученных данных показало масштабы воздействия на геохимическое состояние агроландшафтов, когда ежегодно в почву вносились миллионов тонн удобрений. Поступление таких объемов химически активных веществ отражается на количестве и состоянии микроэлементов, которые необходимы растениям. В то же время, они воздействуют на биолого-экологическое состояние почв.
Также были проанализированы доступные данные об изменениях содержания микроэлементов в черноземе, который служит эталонной почвой нашей планеты, под воздействием сельскохозяйственной деятельности. Они показывают, что агрохимическая мелиорация почв, которая направлена на питание растений основными компонентами, не компенсирует потери микроэлементов в почве, так как их подвижные формы с избытком изымаются вместе с сельхозпродукцией.
Важной особенностью почв Полесья является то, что микроэлементы в них находятся, в большей части, в подвижных формах. С одной стороны, это облегчает их усвоение растениями, а с другой уменьшает резерв микроэлементов в малоподвижных формах, который присущ, к примеру, черноземам. В качестве ретрофона мы использовали оценки 60-х годов содержания микроэлементов в почвах сельхозугодий исследуемых районов и провели их сравнение с современным содержанием тех же элементов в почвах Зареченского и Дубровицкого районов Ровенской области. Оказалось, что содержание микроэлементов существенно снизилось, особенно по таким элементам как бор, цинк, медь, что осложняет экогеохимическое состояние почв, принимая во внимание природную ограниченность источников поступления этих элементов.
Рис. 1. Распределение содержания меди, нормированного на ретрофон по полям хозяйств Дубровицкого района Ровенской области (фрагмент).
Из анализа распределения содержания меди по полям Дубровицкого района видно, что абсолютное большинство полей имеет содержание на уровне 0.25 от ретрофона (рис. 1). Лишь на 4 полях в районе с. Селец содержание меди достигает 0.5-0.77. Около двух третей полей хозяйств Зареченского района имеют содержание марганца ниже ретрофонового (рис. 2). Незначительное повышение содержаний марганца в западной части связано с распространением на этой территории кислых глеевых ландшафтов, для которых характерно накопление некоторых элементов, в том числе марганца. Подобная картина наблюдается и по остальным микроэлементам. В течение последних 20-30 лет их концентрация в почвах агроландшафтов заметно уменьшилась, что не могло не повлиять на плодородие почв и его устойчивость. Важно, что уменьшение содержания даже одного микроэлемента относительно оптимума приведет к уменьшению продуктивности почвы, несмотря на оптимальное состояние остальных параметров.
Рис. 2. Распределение содержания марганца, нормированного на ретрофон по полям хозяйств Зареченского района Ровенской области.
Интересные результаты можно получить, сравнивая содержания элементов в агроландшафтах и в ландшафтах, на которых не ведутся сельскохозяйственные и, соответственно, интенсивные агрохимические работы. На территориях, не затронутых сельскохозяйственным производством, геохимические параметры определяются природной спецификой ландшафтов с наложением техногенного загрязнения, которое носит глобальный характер.
После чернобыльской катастрофы 1986 г. был проведен ряд работ эколого-геологического направления, которые дали информацию о современных геохимических характеристиках ландшафтов. Сравнивая геохимические свойства агроландшафтов с характеристиками остальных ландшафтов, мы можем оценить масштаб и направление изменений химического состава почв, которые происходят в агроландшафтах под воздействием сельскохозяйственной деятельности.
Сравнение современных данных по почвам вне агроландшафтов и данных, использовавшихся как ретрофоны, выявило их близость. То есть, можно предполагать, что на таких участках существует природный фоновый уровень, который наблюдался и на сельхозугодьях около 30 лет назад. С другой стороны, это свидетельствует о том, что дефицит микроэлементов в почвах агроландшафтов, который мы сегодня наблюдаем, вызван сельскохозяйственной деятельностью.
Обнаруженный дефицит химических элементов и микроэлементов можно выразить в абсолютных количественных единицах по каждому полю. Этот параметр определяется как количество элемента в объеме, который вычисляется как произведение площади поля на толщину корнеобразующего слоя почвы (20см) и именуется запасами. Целесообразно работать со сверхфоновыми запасами, которые получаются вычитанием от общих запасов величины, которая вычислена как запасы при фоновой концентрации.
Рис. 3. Распределение запасов марганца относительно фона по полям Дубровицкого района Ровенской области.
Нами проведен анализ распределения сверхфоновых запасов марганца по полям Дубровицкого района Ровенской области (рис. 3). Запасы вычислены в 20-сантиметровом (пахотном) слое почвы с вычетом фоновых запасов. На большинстве полей (320) существует дефицит марганца. На 183 полях запасы приближаются к фоновым значениям. На 108 полях имеются незначительные надфоновые запасы марганца.
Таким образом, можно констатировать, что процесс геохимического изменения агроландшафтов Украины идет довольно стремительно и, прежде всего, в пределах комплексного воздействия химизации почв и их загрязнения выбросами промышленно-городских агломераций, которые очень часто имеют повышенную кислотность вследствие значительных поступлений кислотных окислов. С другой стороны, как оказалось, дефицит микроэлементов вызывает снижение урожайности.
Используя методики, которые применяются при эколого-агрохимической паспортизации полей, можно вычислить прямые потери сельхозпродукции, которые по двум районам достигают 12-15% зерновых единиц по различным хозяйствам. Значительную экологическую опасность представляет и возможность замещения в растениях микроэлементов изоморфно близкими токсичными металлами.
Выводы
1. При геохимическом мониторинге ландшафтов в составе государственного мониторинга геологической среды, а также при составлении Геолкарты-200, необходимо выполнять геохимические исследования природных и аграрных ландшафтов, поскольку геохимические условия агроландшафтов заметно отличаются от остальной территории. В то же время, геохимические характеристики ландшафтов, отражают свойства как почв, так и материнских пород и гидрокомпонентного состава грунтовых вод, которые исследуются в процессе съемочных и геологоразведочных работ. Следовательно, геохимический фон и другие параметры следует определять для них отдельно, выделяя их как геохимические объекты. При этом, геохимические изменения могут быть как в почвообразующих породах, так и в подземных водах всей зоны активного водообмена.
2. При ландшафтном мониторинге следует учитывать геохимические и биогеохимические свойства агроландшафтов и их специфические условия, в которых возможно замещение микроэлементов токсичными металлами техногенного происхождения, что существенно повышает экологический риск территории.
3. Использование современных информационных технологий, в частности ГИС, является необходимым условием эффективного функционирования системы мониторинга.
