Миграция химических загрязняющих веществ в биогеоценозе

    В экстрааридной зоне значительная буферность почв способствует некоторому смягчению негативного воздействия, но лишь до известного предела. Почва служит мощным барьером для потока поллютантов, что обусловлено высокой почвенной емкостью поглощения. Расчеты показывают, что черноземы способны только в пахотном горизонте прочно фиксировать до 100—150 т свинца, подзолистые — до 25—35 т/га. Почва способна с течением времени активно трансформировать поступающие в нее соединения. В этих реакциях принимают участие минеральные и органические компоненты, возможна также трансформация биологическим путем. При этом водорастворимые соединения переходят в ионообменные, труднорастворимые (оксиды, гидроксиды, соли с низким произведением растворимости), органическое вещество образует с ионами тяжелых металлов комплексные соединения. Взаимодействие с почвой происходит по типу реакций сорбции, осаждения — растворения, комплексообразования, образования простых солей. Скорость процесса трансформации зависит от реакции среды, содержания тонкодисперсных частиц, количества гумуса.

    Для экологических исследований последствий  загрязнения почв тяжелыми металлами существенное значение приобретают концентрация и формы нахождения тяжелых металлов в почвенном растворе, так как подвижность тяжелых металлов тесно связана с составом жидкой фазы. Низкая растворимость оксидов и гидроксидов тяжелых металлов наблюдается в почвах с нейтральной или щелочной реакцией. Мобильность тяжелых металлов наиболее высока при сильнокислой реакции почвенного раствора, поэтому токсическое влияние тяжелых металлов в сильнокислых таежно-лесных ландшафтах может быть более существенным по сравнению с почвами нейтральных или щелочных ландшафтов.

    В общем виде, учитывая растворимость  соединений различных тяжелых металлов, можно расположить их по токсичности  в зависимости от степени кислотности в следующий убывающий ряд: кадмий > никель > цинк > марганец > медь > свинец > ртуть.

    На  токсичность влияют состав и свойства почвы, от которых зависит прочность фиксации поступающих в нее соединений тяжелых металлов. Помимо перечисленных факторов на токсичность оказывает влияние совместное действие элементов: в каких соотношениях и в какой форме они поступают в почву.

    Среди предприятий цветной металлургии  наиболее сильное экологическое воздействие на окружающую среду оказывают комбинаты, расположенные в тундровой подзоне. Специфические природно-климатические условия (суровая почвенно-гидрологическая обстановка при наличии вечной мерзлоты) резко сокращают продолжительность периода, в течение которого возможна водная миграция минеральных и органоминеральных соединений элементов-поллютантов. Глееобра-зование способствует переходу ряда элементов в закисные формы, образующие более легкорастворимые соединения.

    Наблюдается также резко выраженное перераспределение  загрязняющих веществ между трансэлювиальными и аккумулятивными ландшафтами: содержание меди в аккумулятивных ландшафтах в 2—5 раз, иногда в 15—25 раз выше, чем в почвах трансэлювиальных ландшафтов. Для никеля эти соотношения также высоки и достигают 15-кратного уровня. Поэтому степень экологических нарушений в аккумулятивных ландшафтах нарастает. В тундровых почвах естественные уровни содержания меди, никеля, кобальта находятся в пределах, близких клар-ковым значениям для фоновых территорий. Но уже вблизи комбината, на территории зоны влияния выбросов предприятий содержание тяжелых металлов достигает существенных величин. Уровни содержания элементов в таких почвах превышают фоновые для меди в 100 раз и более, для никеля — в 50 раз, для кобальта — в 4,5 раза.

    Для чувствительных к техногенному воздействию тундровых биоценозов такие масштабы загрязнения чрезвычайно опасны. Вследствие техногенного пресса при неоднородности почвенного покрова и дифференцированной чувствительности растений к поллютантам происходят существенные изменения флористического состава: на площади до 500 км² вокруг источника выбросов погибают лишайники — надежный индикатор неблагоприятных воздействий, древесные породы; образуется пустынная территория с мертвыми деревьями.

    Сильное воздействие на окружающую среду оказывают выбросы предприятий цветной металлургии, расположенных в подзоне кислых подзолистых и дерново-подзолистых почв. Низкобуферные, ненасыщенные основаниями и малогумусные дерново-подзолистые почвы с преобладанием агрессивных органических соединений в условиях высокой кислотности, так же, как и тундровые биоценозы, испытывают значительное воздействие загрязняющих веществ.

    Накопление  поллютантов в гумусовом горизонте  в условиях кислой среды в два раза и более превышает таковое в материнской породе; в присутствии определенного количества органических и неорганических лигандов тяжелые металлы трансформируются в более подвижные, миграционно-способные соединения, которые поступают в нижележащие слои, в почвенно-грунтовые воды и за пределыданного техногенного ландшафта, усиливая неблагоприятное экологическое воздействие. Негативное влияние .тяжелых металлов существенно осложняется из-за присутствия оксидов серы в составе газопылевых выбросов.

    В почвах, особенно расположенных в  трансэлювиальных ландшафтах, развиваются процессы сноса верхних гумусовых и нижележащих горизонтов в результате водной эрозии, что приводит в конечном итоге к образованию техногенной пустыни. В низкобуферных ландшафтах тундровых и дерново-подзолистых почв неблагоприятные экологические последствия химического загрязнения прослеживаются визуально: это проявляется в поражении древесного и кустарникового ярусов, частичном или полном отсутствии травяного покрова, смене отдельных растительных видов, развитии эрозионных процессов, образовании территорий техногенного происхождения.

    Влияние предприятий, расположенных в высокобуферных ландшафтах аридного или семиаридного климата (черноземы, каштановые почвы, сероземы), во' многих случаях визуально не прослеживается. Несмотря на высокое содержание тяжелых металлов в почвах и растениях таких ландшафтов, даже вблизи источника выбросов существенных внешних изменений не происходит и ландшафт визуально не производит впечатления техногенно нарушенного. В условиях нейтральной или щелочной реакции почвенного раствора, присутствия значительного количества гумусовых соединений, преобладания фракций тяжелого механического состава с большой удельной поверхностью тяжелые металлы находятся в неактивной, малодоступной форме и накапливаются преимущественно в верхней части почвенного профиля. Конечно, если объем выбросов в атмосферу не уменьшается со временем, то неизбежно буферные свойства почвы по отношению к загрязняющим веществам будут исчерпаны и начнут происходить необратимые нарушения.

    Подводя общие итоги, можно выделить следующие основные этапы в реакции почв на техногенное воздействие, в эволюции их от естественного состояния до техногенно нарушенного:

1. накопление химических загрязняющих веществ до критического 
   уровня;
2. значительное изменение физических и химических свойств почв — 
   сдвиги в неблагоприятную сторону значений рН, емкости катионного 
   обмена, потеря почвенной структуры;
3. неблагоприятное воздействие почвенных условий на раститель 
   ный покров, угнетение почвенной биоты и высших растений;
4. развитие процессов эрозии, дефляции;
5. полное разрушение почвенных горизонтов, деградация почв;
6. образование техногенной пустыни.

    Конечно, почва имеет значительную емкость  поглощения и устойчивость по отношению к загрязняющим веществам. В почве осуществляются процессы трансформации различных соединений, в том числе экологически опасных, причем могут происходить как процессы превращения в малотоксичные, инертные или малодоступные растениям соединения, так и увеличение относительной токсичности химических соединений вследствие растворения в кислой среде.

    Химические  загрязняющие вещества задерживаются  почвой на различных геохимических  барьерах — карбонатном, окислительно-восстановительном  и др. Несмотря на протекторные свойства почвы, существуют пределы и уровни техногенного воздействия на окружающую среду, превышение которых приводит к необратимым последствиям. В экстремальных случаях техногенное воздействие приводит к такому глубокому изменению свойств почвы, что рекультивация возможна только путем создания нового почвенного слоя, что требует длительного времени и очень высоких затрат труда и материалов.