Организация экологического мониторинга почв как составной части государственного мониторинга земель и его первые результаты (на примере Оренбургской области)

УДК 631.4

ОРГАНИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПОЧВ КАК СОСТАВНОЙ ЧАСТИ ГОСУДАРСТВЕННОГО МОНИТОРИНГА ЗЕМЕЛЬ И ЕГО ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ (НА ПРИМЕРЕ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ)

А.М. Русанов, Е.В. Шеин, Е.Ю. Милановский

Предложена модель организации почвенного контроля в рамках осуществляемого в России государственного экологического мониторинга земель. Изложены методические подходы к формированию сети наблюдательных площадок. Первые результаты наблюдений указывают на значительные разнонаправленные изменения в свойствах почв Оренбургской обл. последних десятилетий, связанные с процессами эрозии, трансформацией основных физических свойств и органического вещества.

За последние десятилетия почвы и почвенный покров земледельческой полосы России претерпели едва ли не самые масштабные за весь период их сельскохозяйственного освоения изменения. Более половины пахотных земель не используется. Та их часть, которая продолжает оставаться в пашне, по разным причинам эксплуатируется с нарушением технологических и экологических норм и деградирует; другая часть из года в год не засевается и пребывает в стадии естественного восстановления. Почвенные процессы ранее орошаемых и осушенных земель после вывода из строя ирригационных систем имеют разную, порой противоположную, направленность при преимущественном развитии процессов осолонцевания и засоления, связанных с аккумуляцией за время орошения в нижних почвенных горизонтах легкорастворимых соединений и подъема их под влиянием испарения после прекращения мелиорации. Из-за снижения поголовья выпасаемого скота восстанавливается естественный растительный покров пастбищ. Урбаноземы городов продолжают содержать в себе тяжелые металлы (ТМ) в количествах, которые в отдельные периоды намного превышают предельно допустимые концентрации (ПДК). Эти и другие явления имеют далеко идущие агроэкологические и экономические последствия и нуждаются в изучении и обобщении, что невозможно осуществить без систематического контроля за состоянием почв. Однако, несмотря на всю свою очевидность, вопрос организации специальной службы почвенного мониторинга остается открытым. Между тем сложились условия, когда дальнейшее откладывание наблюдений за экологическим состоянием почв ставит под вопрос саму идею мониторинга. В пределах лесостепной и степной зон, где сосредоточены основные площади земель сельскохозяйственного назначения, начался процесс перевода (зачастую стихийный) части пашни в залежь, а из-за падения поголовья скота снизилась и приблизилась к экологически обоснованным нормам нагрузка на пастбищные экосистемы. Тем самым на весьма значительных площадях начался процесс естественного восстановления свойств почв.

Масштабы этого явления уникальны и не имеют аналогов во всей истории земледельческого освоения территорий. Только в Оренбургской обл. из 6,4 млн га пашни до сего времени ежегодно засевается не более 3,0 млн га, а естественные пастбища занимают территорию, равную 3,6 млн га. Поэтому возникла настоятельная необходимость исследовать механизмы восстановления почв в процессе мониторинговых наблюдений.

Перечисленные обстоятельства стали причиной поиска возможностей осуществлять контроль за состоянием почв в рамках других федеральных экологических программ. Одной из них является государственный экологический мониторинг земель. Существующим законодательством предусмотрен многоуровневый мониторинг земель (федеральный, региональный и локальный) и регулируются лишь наиболее важные аспекты его организации. При этом центральное место отводится региональному мониторингу, осуществляемому субъектами Федерации, которые разрабатывают и осуществляют программу контроля за состоянием земель и определяют тот компонент ландшафта, который исходя из конкретных условий требует особого внимания. Такой подход к организации мониторинга земель России с ее обширными пространствами, разными экономическими и географическими характеристиками и неодинаковым использованием территорий представляется совершенно оправданным. Для такого крупного сельскохозяйственного региона, как расположенная в черноземной полосе РФ Оренбургская обл., объектом особого контроля при проведении экологического мониторинга земель стали почвы.

Впервые цели, задачи, принципы организации и методы осуществления почвенного мониторинга были изложены в работе Г.В. Добровольского, Д.С. Орлова и Л.А. Гришиной [4]. В дальнейшем они многократно уточнялись и совершенствовались [8, 10 и др.]. В Оренбургской обл. мониторинг почв совместно с мониторингом земель осуществляется с 1993 г. На предварительном этапе исследований для этого были разработаны методические подходы. Составлен перечень показателей и периодичность их определения

при изучении динамики морфологических, химических и физических свойств почв, а также структуры почвенного покрова всех категорий земель региона; дано теоретическое обоснование почвенному эталону как необходимому условию при оценке произошедших с почвами изменений; определены виды наблюдательных площадок; выработаны принципы их размещения на землях разных категорий.

Общая площадь региона составляет 12 370,2 тыс. га. Из них основная часть (10 960,5 тыс. га, или 88,6%) отведена под земли сельскохозяйственного назначения. Почвы этой категории земель исследуются по максимальному количеству показателей: мощности верхних горизонтов, содержанию и фракционно-груп-повому составу гумуса, структурному составу почв («сухое» и «мокрое» просеивание), сумме поглощенных оснований, подвижным и валовым формам ТМ. Периодичность их определения составляет пять лет. При составлении перечня показателей, обязательных для проведения контроля, организаторы работ исходили из того положения, что мониторинговые наблюдения за состоянием почв и почвенного покрова региона в определенной степени должны были заменить собой сплошные почвенные обследования земель предприятий-сельхозпроизводителей, проводимые в России во второй половине прошлого века.

Вопрос почвенных эталонов очень сложен, и трудности его решения заключаются, с одной стороны, в огромном многообразии почвенных таксонов, а с другой — в значительном антропогенном изменении почв, ставших результатом интенсивного, зачастую нерационального их использования. Существует несколько подходов к почвенным эталонам. В качестве эталонных чаще других используются показатели банка почвенных данных, составленных по материалам ранее проведенных исследований, свойства почв полнопрофильной пашни, показатели свойств почв под естественной, целинной растительностью и почвы музейных образцов. В этой связи представляется, что для целей мониторинга необходимы и банки почвенных данных, и материалы исследований музейных образцов, и свойства пахотных почв. Однако как эталон без ограничений можно использовать только почвы под целинной растительностью, которые не утратили связи с другими компонентами ландшафта и где все процессы и свойства соответствуют естественным факторам почвообразования. Целинный эталон пригоден как при определении степени деградации нарушенных почв, так и при улучшении пашни совершенными аг-роприемами [12].

Из изложенного представляется целесообразным включение в состав мониторинговых площадок почвенного покрова как пашни, так и целины, находящихся в сравнимых условиях ландшафта. Поэтому мониторинговая сеть области состоит из стационарных наблюдательных площадок трех видов — из реперов, полигонов и почвенно-эрозионных катен. Репер — это почвенный разрез, расположенный на землях

определенного вида использования. Он по разным причинам (чаще всего из-за отсутствия сопредельных участков с хорошо сохранившейся естественной растительностью) не имеет целинного аналога, эталона. Полигоны включают в себя пару почвенных разрезов, почвы которых генетически связаны между собой. Один почвенный разрез находится на участке хозяйственного применения, а другой — на условно целинной территории (с минимальной трансформацией природных свойств), показатели которого используются в качестве объекта для сравнения, эталона. Почвенно-эрозионная катена представлена системой полигонов, расположенных вдоль профиля склона. В своей совокупности они охватывают все элементы склонового агроландшафта и поэтому незаменимы при исследовании динамики эрозионных процессов, получивших широкое распространение на территории области из-за сложного рельефа, связанного с приуроченностью к ее пределам таких возвышенностей, как Южный Урал, Общий сырт, Бугульминско-Беле-беевская.

В соответствии с разработанной концепцией регионального земельного мониторинга в состав наблюдательных площадок были включены объекты ранее проведенных научных исследований, выполненных учеными Оренбургских вузов и НИИ, специалистами ведущих научных центров России, в том числе МГУ имени М.В. Ломоносова и Почвенного института имени В.В. Докучаева. Тем самым на некоторых объектах момент начала почвенного мониторинга был как бы отодвинут во времени на более ранние сроки. Кроме того, уже в период становления системы мониторинга земель базовый мониторинг почв региона пополнялся за счет объектов исследований, выполняемых в рамках научных грантов и хоздоговорных работ [16].

Принимая во внимание географическое положение области, которая в своих границах объединяет Предуралье, Уральские горы и Зауралье, лесостепную и степную зоны, подзоны черноземов выщелоченных, типичных, обыкновенных, южных, темно-каштановых почв, несколько типов интразональных почв, основным показателем при выборе мест организации наблюдательных площадок является их приуроченность не только ко всем природным зонам и подзонам, но и ко всем почвенным провинциям и округам, получившим распространение на территории региона [1, 9, 11]. С целью повышения степени репрезентативности мониторинговых площадок при выборе мест их расположения учитывались такие обстоятельства, как категория земель, приуроченность к местности с развитием того или иного почвенно-деградационного процесса, размещение промышленных, сельскохозяйственных и других объектов, уровень испытываемых ландшафтами антропогенных влияний; предусмотрено «сгущение» сети мониторинговых площадок на приграничных с Республикой Казахстан территориях. Принималась во внимание также способность почв реагировать на динамику естественной и антропогенной среды, энергетически и элементарно (вещественно) фиксировать все изменения и тем самым отражать состояние биогеосистемы в целом.

В настоящее время общее число наблюдательных площадок, входящих в региональную систему почвенного и земельного мониторинга, более тысячи. В процессе проведения мониторинговых наблюдений широко используются методы ГИС-технологий. Для экстраполяции полученных данных на окружающие наблюдательные площадки пространства применяются материалы аэро- и космического зонирования территории [14, 15].

Среди наиболее значимых научных результатов мониторинга почв можно отметить следующие.

Среди земель сельскохозяйственного назначения значительные территории ранее ежегодно распахиваемых площадей покрыты сорнотравной, бурьянной растительностью с низким проективным покрытием и малыми объемами ежегодно производимой биомассы. Гумусное состояние таких черноземов либо продолжает ухудшаться, либо стабилизировалось на низком уровне. На тех же участках бывшей пашни, где наряду с малопродуктивным разнотравьем появляются злаковые группировки, встречаются процессы стабилизации гумусного состояния почв. Снижение содержания и запасов гумуса на таких землях не отмечается, а качественный состав его имеет тенденцию к улучшению, что находит подтверждение в расширении отношения Сгк : Сфк и в повышении степени гумификации органического вещества. Почвы одного из выровненных участков, который расположен в подзоне обыкновенных черноземов Общего сырта и состоит из эталонной целины и многолетней залежи (Чекалинский полигон), находятся под наблюдением с 1990 г. Здесь едва ли не впервые в регионе происходит улучшение качественных и количественных показателей органического вещества почв после не менее чем 20-летнего периода самовосстановления, о чем можно судить как по достоверному повышению содержания общего гумуса с 5,5 до 6,2%, так и по расширению отношения Сгк : Сфк с 2,13 до 2,37.

Снижение пастбищных нагрузок, вызванное сокращением поголовья выпасаемого скота, наблюдаемое за последние полтора десятка лет, послужило причиной восстановления биоразнообразия, видового состава, проективного покрытия, ярусности и продуктивности естественной травяной растительности пастбищ [2]. Своеобразным пусковым механизмом смены пастбищных фитоценозов являются гумусное состояние и физические свойства почв. Ранее ввиду превышения экологической емкости естественных пастбищ и в результате многократного за пастбищный сезон воздействия на верхний корнеобитаемый слой почв копыт сельскохозяйственных животных, давление которых достигает 5—7 кг/см2, на средне- и сильносбитых участках произошло переуплотнение верхнего слоя почв до 1,3—1,4 г/см3, в связи с чем преимущество получили виды растений с мощным стержневым типом корневой системы, а типичные для степной и лесостепной зон злаковые растительные сообщества деградировали. Среди причин деградации важное место, помимо ежегодного стравливания, занимает то обстоятельство, что злаки имеют мочковатую корневую систему. Для роста и развития их тонких корневых волосков необходимо межагрегатное и внутри-агрегатное поровое пространство, которое значительно сокращается при уплотнении и переуплотнении почв. Если же рассматривать процессы восстановления естественной злаковой растительности, то необходимо отметить, что даже на сильносбитых участках запасы гумуса за многолетний период интенсивного использования пастбищ снизились незначительно (на 8—13%); также незначительно за тот же период ухудшился его качественный состав, в том числе ам-фифильные (гидрофобно-гидрофильные) свойства, от которых во многом зависит процесс и скорость восстановления почвенной структуры [6, 7, 21]. Таким образом, гумус почв естественных пастбищ был на долгие годы как бы законсервирован и не потерял своих основных качественно-количественных свойств [13]. Поэтому в условиях отсутствия или снижения факторов деградации почв и стравливания растительности стало возможным восстановление почвенной структуры и как следствие снижение плотности почв до 1,00—1,15 г/см3, что в своей совокупности создало благоприятные предпосылки для доминирования растений с мочковатой корневой системой, в первую очередь злаков [17]. В результате разуплотнения почв как один из вариантов имеет место следующий сук-цессионный ряд травяной растительности настоящей степи: рогачовая — рогачово-полынковая — полынко-во-типчаковая — полынково-ковыльно-типчаковая — типчаково-ковыльная.

Вывод склоновых агроландшафтов из пашни не приводит к автоматическому снижению на них интенсивности эрозионных процессов. Более того, на таких участках в первые годы после трансформации наблюдается ускоренная эрозия. Так, на выпуклом пахотном склоне на территории с. Репино Оренбургского р-на, структура почвенного покрова которого состояла из сочетаний полнопрофильных, намытых, слабо- и среднесмытых черноземов южных, через пять лет после перевода в залежь впервые выявлены небольшие по площади (до 100 м2) ареалы сильно эродированных почв. Это явление связано с двумя ведущими факторами — с низким проективным покрытием естественного травостоя, формирующимся в первые годы после трансформации пашни в залежь, неспособного защитить агрегаты поверхностного слоя черноземов от прямого воздействия капель дождя, что приводит к утрате ими своего структурного состояния и к снижению водопроницаемости, а также с высокой плотностью подпахотного слоя, которая составляет 1,3—1,4 г/см3. Оба обстоятельства определяют высокую эрозионную опасность почв склонового ландшафта. Однако при более длительном периоде пребывания почв в состоянии залежи наблюдается другая ситуация. На аналогичном по длине и строению склоне, расположенном в подзоне типичных черноземов (с. Кокошеевка Бугурусланского р-на), после десяти лет, прошедших с момента трансформации его территории из пашни в залежь, отмечено увеличение биоразнообразия естественной растительности, повышение проективного покрытия до 40—50%, снижение плотности сложения в подпахотном слое с 1,31 до 1,22 г/см3 и как следствие стабилизация эрозионных процессов.

Земли городов и других населенных пунктов занимают в области 401,9 тыс. га. Уровень загрязнения их почв, или урбаноземов, тяжелыми металлами (подвижные формы) не является стабильным [5]. Так, в г. Бузулуке, расположенном на западе области, содержание цинка (ПДК 23,0 мг/кг) в санитарно-защитной зоне завода им. Куйбышева составило в слое почв 0—10 см 38,62 мг/кг в 1996-м и 1,97 мг/кг в 2001 г.; в г. Оренбурге, в центральной части региона, содержание свинца в пределах санитарно-защитной зоны ОАО «Радиатор» в верхнем слое урбаноземов было 85,7 мг/кг в 2002-м и 13,9 мг/кг в 2006 г. при ПДК, равном 6,0 мг/кг; на востоке области, в г. Орске, на территории санитарно-защитной зоны ЮУНК содержание кадмия (фон — 0,3 мг/кг) равнялось 0,1 мг/кг в 2004-м и 2,19 мг/кг в 2005 г., а содержание цинка в санитарно-защитной зоне комбината «Южуралникель» составило 251,0 мг/кг в 1996-м и 19,51 мг/кг в 2002 г. Следует отметить, что в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы» кадмий, свинец и цинк относятся к элементам I класса опасности.

Меняется во времени в широких пределах и содержание таких элементов, как кобальт, марганец, медь, никель, хром. Такие колебания связаны с влиянием летних и осенних дождей, весенних талых вод, когда вещества-загрязнители независимо от их форм либо выщелачиваются, мигрируя вниз по почвенному профилю, если это почвы легкого гранулометрического состава, либо при уплотнении урбаноземов тяжелого мехсостава смываются. В остальное время происходит их аккумуляция. При этом лишь незначительная часть ТМ вступает во взаимодействие с органической частью почв, так как содержание гумуса в почвах городов, как правило, не превышает 1%.

Таким образом, в процессах загрязнения почв ТМ решающая роль принадлежит физическим свойствам урбаноземов, в первую очередь их механическому и структурному составам, водопроницаемости [19]. В этой связи возникает необходимость в жестком регламенте отбора почвенных проб на анализ. Он не должен производиться ни ранней весной сразу после схода снежного покрова, ни после летних и осенних дождей. С 2010 г. в целях повышения репрезентативности полученных данных намечен переход на трехкратный отбор образцов за весенне-осенний период.

В сеть мониторинговых площадок включены реперы и полигоны на землях природоохранного назначения, которым отведено 23,4 тыс. га. Наблюдательные участки расположены в границах Государственного

заповедника «Оренбургский», на кзыл-ординском карстовом поле и в «Мясниковской роще», территория которой включена в проект ландшафтно-историче-ского заповедника «Каргалинские рудники». Это наиболее экологически чистые территории региона. По результатам исследований, проводимых с 1997 г., каких-либо негативных изменений в свойствах почв земель этой категории не зафиксировано.

При реализации программы мониторинга земель и почв области было отобрано пять участков из лесного фонда, в том числе на территориях четырех лесхозов и в Бузулукском бору. В пределах области к землям лесного фонда отнесено 669,5 тыс. га.

В экологическом отношении лесные ландшафты существенно отличаются от зональных. Почвы под лесами, как правило, легкого гранулометрического состава, реакция почвенного раствора слабокислая, степень гумусированности средняя, реже высокая, с глубиной она резко снижается.

Выявлено, что определяющим процессом в геохимическом состоянии почв под лесом является выщелачивание элементов вниз по почвенному профилю. Кроме того, наблюдается локальное накопление тяжелых металлов, прежде всего на территориях, приуроченных к небольшим производственным участкам.

Мониторинг почв на территориях земель водного фонда, площадь которого составляет лишь 21,5 тыс. га, сводится к выявлению влияния периодического и постоянного подтопления на почвы и почвенный покров сопредельных с водоемами пространств. За прошедший период было обследовано Боровское, Елшанское, Сорочинское, Ириклинское, Черновское, Домашкин-ское водохранилища. На прилегающих к ним площадях выявлены процессы заболачивания, осолонцевания и засоления. Заболачивание вызвано подтоплением прибрежной территории водохранилищ, а процессы осолонцевания и засоления обусловлены, во-первых, подъемом уровня грунтовых вод, а во-вторых, их повышенной минерализацией. Тип засоления прилегающих к водохранилищам почв в большинстве случаев сульфатно-хлоридный и сульфатно-натриевый. Степень засоления средняя и высокая. Однако следует отметить, что названные негативные процессы имеют ограниченное распространение на территории региона.

Земли промышленного, транспортного, связи и иного специального назначения занимают на территории области 262,3 тыс. га. Для наблюдений за почвенными процессами на землях транспортного назначения заложены полигоны на автодорогах Оренбург—Орск, Оренбург—Абдулино и Оренбург—Бузулук. Земли этой категории обследуются ежегодно.

Установлено прогрессирующее загрязнение автодорог и почв прилегающих площадей отвода тяжелыми металлами и нефтепродуктами. Аккумуляция элементов-загрязнителей стала возможной благодаря тому обстоятельству, что в полосе отвода дорог после снятия верхнего гумусового слоя на дневную поверхность выходит нижняя часть гор. АВ, где содержание гумуса достигает 2,0—3,5%; это делает возможным образование органо-минеральных комплексов с участием ТМ. Накопление же нефтепродуктов в верхних горизонтах черноземов, приуроченных к полосам отвода, связано с преимущественно тяжелым механическим составом почв и наличием в нефтепродуктах тяжелой фракции, обладающей повышенной вязкостью, делающей невозможной фильтрацию этого компонента вниз по почвенному профилю [20].

Из-за неудовлетворительного состояния лесополос, примыкающих к дорогам, на отдельных участках загрязнение ТМ и нефтепродуктами распространяется на прилегающую пашню, меняя экологическое состояние черноземов агроландшафтов [3, 18].

Проведены работы по контролю за состоянием загрязнения почв территорий, сопредельных с объектами горнодобывающей промышленности. Выявлено загрязнение тяжелыми металлами почв ландшафтов, примыкающих к Гайскому ГОК, карьерам «Оренбург-асбест», «Яман-Касы», ЗАО «Ормет», Буроугольному карьеру, Джусинскому руднику. На большинстве из названных объектов превышение по меди, кобальту и цинку и некоторым другим элементам в слое 0—20 см составило в среднем 10—12 ПДК.

Почвы земель запаса, общая площадь которых составляет 31,1 тыс. га, по разным причинам до сего времени не стали объектами мониторинговых исследований.

Таковы результаты мониторинговых наблюдений за состоянием почв и почвенного покрова региона за начальный период их проведения. На ближайшую перСПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

спективу намечено завершение формирования региональной сети наблюдательных (мониторинговых) площадок и составление по материалам мониторинга атласа почв Оренбургской обл.

Анализируя опыт Оренбургской обл. по проведению работ по мониторингу почв, можно сделать следующий важный вывод: государственный мониторинг земель можно совмещать с экологическим мониторингом почв региона. При этом нельзя допустить подмену мониторинга земель мониторингом почв. В Оренбургской обл., например, кроме экологического состояния почв и почвенного покрова, объектами мониторинговых наблюдений в рамках осуществления полномасштабного мониторинга земель стали естественный растительный покров с описанием его геоботанических аспектов, развитие некоторых эндогенных и экзогенных процессов, водные объекты и др. Все обстоятельства, связанные с проведением экологического мониторинга почв в рамках государственного мониторинга земель, отражены в концепции регионального (областного) мониторинга, разработанной на одном из первых этапов подготовки к проведению наблюдений.

Необходимо особо отметить, что такое совмещение следует рассматривать как временную, вынужденную меру. Оно ни в коем случае не означает, что отпадает необходимость в создании самостоятельной государственной службы мониторинга, охраны и рационального использования почв и почвенного покрова России.

Поступила в редакцию 19.12.2010

ORGANIZATION OF SOILS MONITORING AS A PART OF THE STATE LANDS

MONITORING AND ITS FIRST RESULTS (EXAMPLE OF ORENBURG REGION)

A.M. Rusanov, E.V. Shein, E.Yu. Milanovsky

The model of soil monitoring organization in frame of realized in Russia state land monitoring was presented. The methodical approaches for the observation sites network were stated. First results of investigation point out the significant changes of different directions in soil properties of Orenburg region during last ten years, connected with erosion processes, soil fundamental physical properties and organic matter changes.

Сведения об авторах.

Русанов Александр Михайлович, докт. биол. наук, профессор, зав. каф. общей биологии, декан химико-биол. ф-та ОГУ; тел. 8 (3532) 37-24-80; e-mail: soilec@esoo.ru.

Шеин Евгений Викторович, докт. биол. наук, профессор, зав. каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ; тел.: 8 (495) 939-36-84; e-mail: evgeny.shein@gmail.com.

Милановский Евгений Юрьевич, докт. биол. наук, доцент каф. физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ; тел.: 8 (495) 939-01-64.