Агрохимия, 2022, № 9, стр. 74-83

СОЦИАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ

Деятельность человека в природе осуществляется в рамках сложной социально-экологической системы [1]. Особый интерес представляет связь сельскохозяйственных территорий (агроценозов – биогеоценозов, созданных человеком (искусственных экосистем), обладающих определенным видовым составом и определенными взаимоотношениями между компонентами окружающей среды. Их высокая продуктивность обеспечивается интенсивной технологией подбора высокоурожайных сортов растений, удобрений) и природных экосистем [2]. При изучении антропогенно-созданного ландшафта (агроценоза) стоит учитывать его характеристику по сравнению с незатронутой эффективной деятельностью человека территорией [3]. Экологические законы, поддерживающие биоразнообразие и сохранение, ограничивают расширение сельскохозяйственных площадей, что является одной из причин интенсификации сельского хозяйства и, на сегодня, поиска инновационных стратегий устойчивого (сбалансированного) аграрного природопользования [4]. Технологии интенсификации аграрного природопользования, увеличивающие эффективность и объемы сельскохозяйственного производства, истощают агроэкосистему и актуализируют в ней необходимость контроля и нормирования. Особое внимание общественности приурочено к качеству окружающей среды и безопасности пищевых продуктов [5], что является лимитирующим фактором в увеличении интенсификации аграрного природопользования.

На сегодняшний день особенности рыночных отношений в процессе землепользования привели к тому, что основное внимание уделяется социально-экономической ориентации, а экологические проблемы имеют второстепенное значение. Поэтому важность экологической составляющей в системе устойчивого использования земель агроценозов с каждым годом становится все более значимой. Оптимизация использования сельскохозяйственных земель предполагает как достижение параметров плодородия и продуктивности, так и нормализацию экологических аспектов, представленных конкретными качественными и количественными показателями, в частности, уровнем экологической устойчивости территории [6].

Для устойчивого функционирования агроценоза необходимо анализировать процессы, происходящие в каждой локальной экосистеме [7]. Такая сепарация продиктована разнообразием природных систем, которая может оптимально регулировать платежную политику, связанную с нормативными гигиеническими показателями агроценоза [8].

Экологическое равновесие и устойчивость агроценоза складываются из баланса противоположно направленных процессов: продукционного и деструкционного, гумификации и минерализации, выноса и поступления питательных веществ, уплотнения и разуплотнения почвы, формирования структуры и разрушения, эрозионных процессов и почвообразования и т.п. Причем все эти процессы может регулировать человек. В сельскохозяйственных ландшафтах необходимо задать такие параметры, в которых нагрузки, нарушающие экологические параметры, находились бы в рамках защитной емкости среды. Необходимо подчеркнуть, что для агроценоза основной принцип определения предельно-допустимых концентраций (ПДК) для почв, связанный с установлением способности почвы в зависимости от вида землепользования сохранять устойчивость при антропогенной нагрузке, декларируемый в ст. 3 ФЗ “Об охране окружающей среды” (Федеральный закон от 10.01.2002 № 7 (ред. от 05.02.2007) “Об охране окружающей среды”), не является единственно действующим. ПДК – такое содержание химических элементов в среде, которое в течение длительного времени не вызывает прямого или косвенного негативного влияния на здоровье человека, включая отдаленные последствия.

В качестве критерия в данном случае выступает и предел поступления этого вещества в растение (МДУ) – максимально допустимые уровни (или ДОК – допустимые остаточные концентрации) пестицида в пищевых и фуражных продуктах, в почве и других объектах, устанавливаемые на основании результатов изучения токсичности препаратов для различных организмов.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Основные поллютанты, существующие в природе, определяются, нормируются и контролируются, что является общепланетарным исследовательским направлением в целях сохранения окружающей среды и здорового образа жизни на нашей планете. Регулированию качества почв посвящено много работ как отечественных, так и зарубежных авторов [9–13]. Изучение вопросов нормирования поллютантов в рамках контроля за почвенными свойствами сельскохозяйственных объектов можно отнести к целевому направлению в этих исследованиях, которое нуждается в индивидуальном подходе.

Общий подход предполагает установление экологических нормативов на основе поиска и раскрытия основных закономерностей между состоянием природной среды и антропогенным воздействием на среду, далее по установленным закономерностям в изменении системы “степень воздействия–состояние” в соответствии с областью исследования разрабатывают критерии и показатели норм качества.

Для изучения эколого-гигиенических характеристик почв в сельскохозяйственных ландшафтах используют все подходы, применяемые в области научно-методических изысканий экологического нормирования почв.

ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СУММАРНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ В АГРОЦЕНОЗАХ

На сельскохозяйственных площадях ведут мониторинговые эколого-гигиенические исследования, контролируют основные токсиканты. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) элементов и их соединений в среде являются санитарно-гигиеническим критерием качества окружающей среды. В основе принципа нормирования лежит методика, нацеленная не на выявление зон бедствия, а предупреждающая негативные антропогенные воздействия на окружающую среду и, таким образом, защищающая человека от их воздействия.

Существующие ПДК учитывают при расчете следующих коэффициентов загрязнения территории: коэффициент загрязнения Ко (Ко – фактическое содержание к ПДК) и коэффициент концентрации химического вещества, учитывающий фоновое содержание элемента в почве (Кc – фактическое содержание к фоновому содержанию), который впоследствии используют для расчета суммарного показателя загрязнения (Zc, МУ 2.1.7.730-99 Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест) [14]. При расчете суммарного показателя загрязнения (Zc) необходимо обратить внимание, что должны суммироваться только коэффициенты Кi, превышающие фоновое значение (Кi > 1). В ряде документов данная позиция не отражена, в связи с чем при расчете Zc может принимать отрицательные величины. Кроме того, увеличение количества коэффициентов может привести к снижению показателя Zc, тем самым снижая расчетный уровень загрязнения [15].

При сравнении 2-х описанных выше подходов к расчету коэффициентов загрязнения можно заметить, что в первом случае оценка загрязнения обусловлена превышением фактического содержания загрязняющих почву компонентов над полученными в лабораторных условиях и утвержденными показателями ПДК. Во втором случае оценка загрязнения определенным компонентом основывается на анализе сопряженных геохимических и агрохимических результатов исследования окружающей среды. Для исследований в агроландшафте второй вариант является более актуальным, т.к. при анализе агроценоза стоит сконцентрировать внимание не только лишь на абсолютных величинах концентраций загрязнителей, но и на свойствах почвы.

При исследованиях сельскохозяйственных земель выбор фона вызывает трудности в связи с тем, что почвы в результате постоянного воздействия трансформируются и существенно отличаются от естественных ненарушенных почв. Именно поэтому при его выборе необходимо учитывать не только тип почвы, распространенной на участке до ее сельскохозяйственного освоения, но и кислотность, содержание гумуса, гранулометрический состав и прочие агрохимические характеристики в соответствии с существующими стандартными анализами, основная часть которых представлена в табл. 1, 2.

Данная информация позволяет наиболее точно подобрать фон и провести корректный сравнительный анализ для изучаемой территории. Стоит иметь в виду, что использование фоновых показателей позволяет проследить изменения в накоплении загрязняющих веществ в почвах и оценить направленность данного процесса при оценке экологического состояния сельскохозяйственных земель. В это же время гигиенические нормативы, регламентирующие предельно допустимые уровни накопления в почвах загрязняющих веществ, позволяют определить степень опасности поступления избыточного количества поллютантов в почву и их негативное влияние на растения [16]. Опасность загрязнения тем больше, чем меньше буферная способность почвы, которая зависит от гранулометрического состава, содержания органического вещества, кислотности почвы и т.п. Но даже при продуманных учетных позициях в экологическом мониторинге не удается учесть многие факторы, регулирующие токсичность почвы.

Индивидуальные условия (химическая и биологическая составляющие почвы, обеспечивающие плодородие и отражающие способность выполнять ее защитные функции), и особенности произрастания растений (физиологические особенности культуры, потребность влаги, питания, температурный режим и др.) усложняют решения вопросов унифицированного подхода в разработке ПДК.

РЯД ОСОБЕННОСТЕЙ, КОТОРЫЕ НЕОБХОДИМО УЧИТЫВАТЬ В НОРМИРОВАНИИ ПОЛЛЮТАНТОВ В АГРОЦЕНОЗЕ

Почвы сельскохозяйственных территорий нацелены на выращивание растений и, как следствие, внесения макро- и микроэлементов для поддержания и воспроизводства почвенного плодородия. Оптимальные показатели содержания элементов питания для растений в почве в ряде случаев могут достигать и превышать установленные величины ПДК. В перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяют меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды, вошли такие питательные макроэлементы, как азот (NO$_{3}^{ - }$) и фосфор (P₂O₅), нормативная величина которых находится на “нормальном” уровне обеспеченности грунта элементами питания [17–19].

Ограничение содержания микроэлементов (меди, цинка, бора, молибдена, марганца и др.) в соответствии с соблюдением ПДК их в почве не всегда может быть приемлемо для агроценоза, т.к. их дефицит может привести к повышению заболеваемости растений и снижению урожайности сельскохозяйственных культур [20, 21]. Растительные культуры могут испытывать как недостаток, так и избыток микроэлементов. Их доступность зависит не от валового содержания в почве, а от содержания подвижных форм – это то, на что следует обращать особое внимание при целевом для агроценоза гигиеническом нормировании [22, 23].

В ряде работ проведенная оценка содержания микроэлементов в почвах и растительной продукции с учетом качества продукции выявила отсутствие избытка тяжелых металлов в почвах и растениях и дефицит микроэлементов. Обнаружено, что вследствие буферности почв по отношению к тяжелым металлам и буферным механизмам растений поступление металлов в товарную часть растительной продукции, особенно в зерно и плоды, невелика, и она остается экологически безопасной даже на загрязненных почвах [20–28].

Во многих научных работах выполнен анализ нормирования элементов в почвах агроценозов. Например, А.И. Сысо (2008, 2017), рассматривая и сравнивая два подхода – биогеохимический и гигиенический, указывал на присутствующие противоречия. В основе медико-географического анализа территории лежит биогеохимический подход. Данный подход заключается в наблюдении за биогеохимическими провинциями, где избыток или недостаток определенных химических элементов обусловлен природными условиями. Благодаря наблюдению можно установить связь между качественной и количественной характеристикой почвы и состоянием живых организмов и здоровьем людей.

Санитарно-гигиенический подход основан на ограничении, связанном с содержанием в почве ряда элементов, однако для почв агроценоза наравне с опасностью избыточного поступления веществ в растительную и животную продукцию возникает проблема дефицита эссенциальных микроэлементов. Автор обращает внимание на прогрессирующее снижение плодородия почв и, в частности, связанного с обеспеченностью микроэлементами (B, Cu, Mo, Ni, Zn). В связи с этим существующий гигиенический подход по ограничению элементов, многие из которых являются микроэлементами для растений сельскохозяйственных угодий, ведет к снижению качества продукции. Автор также подчеркивает, что относительно высокий уровень валового содержания того или иного элемента может быть обусловлен природными металлогеническими особенностями территорий, а не техногенным загрязнением почв. Необходимо иметь в виду, что для агроценоза из-за нахождения данного элемента в химически прочных соединениях он не представляет опасности, т.к. не поступает в растительную продукцию в избыточном количестве [24, 26, 27].

Для понимания процессов, происходящих в агроценозе, необходимо учитывать валовое содержание элементов и подвижные их формы. Валовое содержание определяется непосредственно в почвенных пробах после их кислотного разложения, подвижные формы микроэлементов извлекают экстрагентами (индивидуальные – по методу Пейве–Ринькиса или групповые, например, ацетатно-аммонийным буфером с рН 4.8 [27]). Концентрации большинства микроэлементов в пробах измеряют атомно-эмиссионным и атомно-абсорбционным методами в соответствии с ГОСТами, представленными в табл. 1.

Важно отметить, что если при гигиенической оценке почв руководствоваться только превышениями ПДК, то как показали результаты исследований, чернозем может оказаться весьма неблагополучной почвой. Установлено, что концентрация подвижных форм кобальта и других элементов (Cu, Ni, Cd, Pb) в разы больше, чем в серых лесных почвах. Целинные черноземы, как отмечают авторы, обладают бóльшим запасом подвижных форм таких элементов, как свинец и марганец [23, 28].

Почвы агроценоза даже в рамках одного почвенного типа могут быть сформированы высокой и низкой культурой земледелия. В связи с чем они могут характеризоваться разной обеспеченностью элементами и при этом разной степенью устойчивости к загрязнителям разной этиологии (разная степень выраженности защитных функций, что отражает функционально-экологический подход) [29]. Для исследований по определению ПДК для агроценозов в стационарных опытах обязательно должны быть заложены варианты с высокой и низкой культурой земледелия. Нормируемая величина должна обеспечивать не превышение этого вещества в сельскохозяйственных культурах.

Учитываемый в санитарно-гигиеническом нормировании водно-миграционный показатель отражает массопоток элементов в системе почва–грунтовые воды. В связи с нестабильностью поведения поллютантов и зависимостью их миграции от многих факторов данный показатель не является превалирующим в подходах и принципах нормирования в агроценозе, однако может быть более актуален для сельскохозяйственных площадей, расположенных на низинных рельефах, пойменных почвах.

ТРАНСЛОКАЦИОННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ ВРЕДНОСТИ ПРИ ПОСТУПЛЕНИИ ПОЛЛЮТАНТОВ В РАСТЕНИЯ

Для нормирования веществ в почве агроценоза обязательным и лимитирующим показателем вредности выступает транслокационный (транслокационный показатель вредности – характеризует способность токсичных веществ переходить из почвы в растение), и лишь в отдельных случаях, в зависимости от источника загрязнения (максимальное загрязнение органическими веществами) – общесанитарный (общесанитарный показатель характеризует влияние химического вещества на самоочищающую способность почвы и ее биологическую активность).

В рамках ряда исследований установлены особенности поступления отдельных элементов в растения и их распределения по органам. Большинство микроэлементов характеризуется низкой доступностью для растений (за исключением бора) и тяжелых металлов (за исключением кадмия) [30]. В сельскохозяйственных растениях, зерне, овощной и плодово-ягодной продукции, кормовых культурах контролируют отсутствие превышения максимально допустимого уровня (МДУ) содержания тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, нитрозаминов и других ксенобиотиков. Для сельскохозяйственных растений, произрастающих в биогеохимических аномальных зонах, разработан комплекс технологических мероприятий с рекомендациями культур и севооборотов. Знание и учет физиологических особенностей растений применим к ряду биофильных макро- и микроэлементов. В растениях часто встречается недостаток молибдена, кобальта, йода, повсеместно происходит снижение содержания меди и цинка до уровня, критически недостаточного для нормального развития растительности, что может в ближайшем будущем негативно сказаться на продуктивности и качестве сельскохозяйственной продукции. Миграция тяжелых металлов по органам растений может быть представлена следующим рядом: корни – стебли – листья – плоды – клубни – семена. Причем содержание тяжелых металлов в тканях корня может увеличиваться в 100 и более раз, что свидетельствует о защитных возможностях растений, обусловленных присутствием физиологических барьеров в их органах [24, 27, 28, 30].

Содержание химических веществ в почвах должно быть сведено к определению таких предельных концентраций, при которых гарантируется получение гигиенически пригодных и качественных растительных продуктов.

ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДЕГРАДАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЧВ

Важными этапами при оценке степени химического загрязнения с использованием нормативов в агроценозе являются определение степени деградации почв и потери их плодородия. Необходимо знать величину содержания органического вещества, биогенных элементов, реакцию среды, окислительно-восстановительных условий, структурного состояния, водного, воздушного и температурного режимов, биологической активности почвы, фитосанитарного состояния почв [31, 32]. Перечень показателей уровня плодородия и методы их определения, к которым следует обратиться, представлены в паспорте почвы (табл. 2), который оформляется для используемых (эксплуатируемых) площадей (Паспорт почв. ГОСТ 17.4.2.03–86. Охрана природы. Почвы). Паспортизация полей производится для установления мероприятий по их охране, повышению плодородия и рациональному использованию.

Санитарно-гигиенические нормативы, применяемые на сельскохозяйственных площадях, должны учитывать циклы биогенных элементов и трансформацию органических веществ в агроценозе. К диагностическим признакам плодородных сельскохозяйственных почв, наряду с химической характеристикой, относится определение ряда биологических показателей. Снижение ферментативной активности почвы является одним из критериев для установления уровня ее деградации. Изменение структурной составляющей микроорганизмов в почве также является хорошим диагностическим признаком негативных изменений в окультуренных сельскохозяйственных почвах. Санитарно-гигиенические нормативы должны работать в рамках сохранения качества сельскохозяйственной продукции с учетом соблюдения экологических законов, обеспечивающих супрессивность (показатель почвенного здоровья, проявляемый в подавлении и/или элиминировании из почвенной фитопатосистемы отдельных видов фитопатогенов, обусловленный совокупным действием биологических, физико-химических и агрохимических свойств почвы) почв [33].

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ПОДХОДЫ К НОРМИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ПОЧВ

В природоохранной практике Евросоюза, США и Канады в настоящее время широко распространен подход, основанный на оценке экологических рисков для объектов окружающей среды (ООС) [34–36]. Оценка экологического риска – это процесс по определению вероятности негативного экологического последствия, которое может наступить в результате одного или нескольких совокупных негативных воздействий. Данный подход используют прежде всего для построения системы прогнозирования и предупреждения возникновения необратимых процессов в ООС, в том числе влияющих на здоровье человека.

Установление степени химического загрязнения (воздуха, воды и почвы) проводят с учетом класса опасности и величин ПДК химических веществ. Таким образом, для количественного анализа опасности загрязнения (О) необходимо провести соответствующие измерения и оценку, включающую установленный перечень параметров:

где Ci – величина концентрации, Date – дата измерения, District – анализируемый объект, PDKi – величина ПДК, N – количество измеряемых параметров.

В данной оценке может использоваться как индивидуальное, так и совокупное влияние химических, физических и биологических показателей. Вероятность наступления негативных явлений может быть представлена качественной и количественной оценкой. Оценка экологического риска включает несколько подготовительных этапов: характеристика риска, стадия постановки вопроса и планирование оценки риска. В основе количественного определения экологического риска лежит анализ кривых “доза–эффект” с применением вероятностного подхода. Для описания таких кривых предложено применять математическое моделирование и вычисление критических точек. В соответствии с полученными величинами экологическое состояние (ЭС) природных объектов классифицируют по-разному. Один из примеров классификации представлен в табл. 3 [37, 38].

Моделирование как альтернативный подход к нормированию отдельных веществ с учетом характеристик качества почв широко используется, что отражено в работах многих авторов. В частности, в работах [39, 40] представлена модель поведения поллютантов с учетом основных почвенных характеристик. Авторы наряду с моделью предлагают свой классификатор качества почв, отражающий их состояние (фоновое, переходное, нарушенное), которое описывается суммарными показателями присутствующих в почве поллютантов, а совокупная характеристика приурочена к определенной категории (от I до IV). Критерием отнесения почвы к той или иной категории выступает параметр p,  учитывающий нагрузку и состояние почв, т.е. являющийся функцией почвенного отклика R на нагрузку c (p) =  f(R(c)).

Использование моделирования для определения категории загрязнения почв агроценоза, возможно, представляется целесообразным, особенно в условиях необходимости учета суммарного действия поллютантов.

В почвенном нормировании необходимо предусмотреть присутствие биологического загрязнения агроценоза. В действующем СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания” загрязнение почв поллютантами оценивается с учетом опасности присутствия органических и неорганических веществ по классам опасности, а также учитывается степень микробиологического загрязнения почвы [41]. Общесанитарная позиция, которая является составной частью методического руководства по определению ПДК органических и неорганических веществ, требует отдельного рассмотрения.

Несомненно, все вышеперечисленные подходы могут быть рассмотрены и учтены в рамках нормирования поллютантов в агроценозе, но с учетом специфических составляющих и особенностей функционирования данной системы.

Критерии нормирования агроценозов теснейшим образом связаны со сбалансированностью почвенных процессов, устойчивостью почвенных характеристик и плодородием. В связи с чем, кроме интегрального индекса экологического состояния почвы (комплексный критерий качества – комплекс химических, физических и биологических методов), как указывают ряд авторов, следует учитывать показатель устойчивости органического вещества (сбалансированность потерь и воспроизводства органического вещества почвы) [42, 43].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Технологии интенсификации аграрного природопользования, увеличивающие эффективность и объемы сельскохозяйственного производства, оказывают двустороннее влияние. С одной стороны, происходит истощение агроэкосистемы, что приводит к дефициту элементов, с другой стороны, – загрязнение, что влияет на качество и безопасность продукции. Все это актуализирует необходимость особого контроля и нормирования в агроценозах.

Подходы санитарно-гигиенического нормирования могут рассматриваться как с позиций масштабированности территорий (локальный, региональный, глобальный), так и с позиций вида химического/биологического воздействия.

Почвы сельскохозяйственных территорий нацелены на выращивание экологически безопасной растениеводческой и животноводческой продукции, на поддержание плодородия. Вместе с тем необходимо избежать загрязнения почв, которое может заставить прибегнуть к экстренным мерам для очистки территории и отказу от продукции. Экосистемный подход с гигиеническими предупреждающими мерами (нормирование и контроль), нацеленный на благополучие экосистем, их звеньев и компонентов, является основой благополучия и здоровья человека.

Содержание любого вещества в почвах не должно вызывать загрязнения выращиваемой на них растительной продукции выше установленного максимально допустимого уровня для растений (МДУ), что и служит критерием установления нормативов предельного содержания загрязняющих веществ в почвах сельскохозяйственных земель. Особый акцент следует сделать на формах нормируемых веществ.

При соблюдении условий потребностей растений для урожая и качества продукции должны быть учтены химические и биологические составляющие почвы, обеспечивающие плодородие, отражающие способность выполнять защитные функции, что важно как для экологического мониторинга, так и биогеохимической или гигиенической оценки. Почвы агроценоза даже в рамках одного почвенного типа могут быть сформированы высокой и низкой культурой земледелия. В связи с этим они могут характеризоваться разной степенью устойчивости к загрязнителям разной этиологии. В агроландшафте необходимо задать такие параметры сельскохозяйственному производству, в котором нагрузки, нарушающие экологические параметры, находились бы в рамках защитной емкости среды.

Гигиеническое нормирование агроценозов как функциональное зонирование территории имеет свою специфику и принципиальные различия, которые требуется рассмотреть, проанализировать и обязательно включить в методику нормирования.