Свинец считается основным тяжелым металлом, загрязняющим почвы на территориях военных действий и полигонах. Изначально при попадании в почву он практически инертен, его химическая активность проявляется при очень высоких концентрациях, превышающих способность почв удерживать этот металл, а также при изменении почвенных условий (рЕ, pH, влажность) [135]. Из пуль после длительных и сложных минералогических и химических процессов в почве высвобождается Pb, некоторая часть которого трансформируется в нерастворимые минералы, а оставшаяся поглощается растениями [190].
К другим металлам, часто выделяемым в почву остатками оружия и боеприпасов, относятся сурьма, хром, мышьяк, ртуть, никель, цинк и кадмий [36, 161]. Многие виды растений способны накапливать эти металлы, что используют для очистки почв военных полигонов [122].
Металлы характеризуются различными реакционной способностью и подвижностью в почвах. В зависимости от качественного и количественного соотношения химических компонентов в почвах природного и антропогенного происхождения, свойств почв, климатических условий они способны образовывать продукты взаимодействия с еще большей опасностью, чем первичные загрязнители [233].
Негативное воздействие отдельных тяжелых металлов на экологическую ситуацию на объектах военной деятельности и прилегающих к ним территориях изучено [27, 33, 44]. Однако до сих пор не выработаны подходы к интегральной оценке качества почв: не установлены приоритетные загрязнители объектов военной деятельности, для многих металлов отсутствуют научно обоснованные предельно допустимые концентрации в почвах, нет единого мнения о порядке расчета суммарного показателя загрязнения. Проблемы объективной оценки суммарного загрязнения вызваны разнообразием их физических, физико-химических, биологических свойств как самих почв, так и обширным списком потенциальных загрязнителей. Представленные в литературе методики и модели интегральной оценки загрязнения почв не могут учесть все возможные комбинации загрязнителей и условия их трансформации в почвах [35, 61, 75].
Большинство стандартных методик интегральной оценки загрязнения почв основаны на сравнении фактических концентраций загрязнителей (С) с установленными лабораторным способом предельно допустимыми концентрациями (ПДК) или фоновыми концентрациями (Сфон), характерными для отдельного региона или исследуемой территории [71].
С учетом коэффициента опасности загрязнения почв (Ко=С/ПДК) оценку проводят по наиболее токсичному показателю, содержание которого превалирует над остальными загрязнителями. Главным недостатком такого подхода является то, что не учитывается эффект суммации воздействия загрязняющих веществ на окружающую среду. Кроме того, возникает множество вопросов к объективности оценки загрязнения почв в тех случаях, когда установленные ПДК ниже фоновых концентраций загрязняющих веществ в почве для отдельных регионов [93].
В России в настоящее время наиболее распространен суммарный показатель загрязнения почв Z, рассчитанный как сумма коэффициентов концентраций индивидуальных загрязнителей (Кк=С/Сфон). Помимо различных организационных вопросов, связанных в основном с отсутствием утвержденных фоновых концентраций для отдельных регионов, правил их установления и периодичности обновления, возникает множество вопросов к самой методике расчета. Суммарный показатель загрязнения почв не учитывает классы опасности веществ, при этом в результате расчетов могут получиться одинаковые численные значения Z в случае превалирующего загрязнения почв малоопасными керосином и марганцем или высокотоксичными цинком и кадмием, что априори не может быть расценено как одинаковый уровень воздействия на окружающую среду. Поэтому сумма коэффициентов концентраций малоопасных и высокотоксичных веществ без учета классов их опасности может отражать лишь техногенную нагрузку на данной территории, а при оценке эколого-медицинской ситуации не имеет смысла.
Суммарный показатель загрязнения почв возможно рассчитывать и как сумму коэффициентов опасности индивидуальных загрязнителей без учета региональных геохимических особенностей почв, что также не отражает реальную экологическую ситуацию и не позволяет проводить сравнительный анализ техногенного загрязнения почв отдельных территорий [35, 84]. Фоновые концентрации для различных регионов могут варьироваться в широких интервалах, а для отдельных загрязнителей они могут превышать ПДК [93]. Нет никаких обоснований, какие именно загрязняющие вещества необходимо учитывать при расчете Z. Вместе с тем, на значение суммарного показателя загрязнения почв оказывает влияние число слагаемых коэффициентов опасности и концентрации. Во многих работах суммируются только те Ко, которые превышают единицу, но не совсем понятно, почему Ко=1,1 для вещества IV класса опасности надо учитывать, а Ко=0,9 для вещества I класса – нет.
Ранговая шкала качества почв при этом остается той же, что и для Z, рассчитанного с учетом фоновых концентраций загрязнителей в почвах. Поэтому уровень загрязнения почв по результатам расчета Z относительно ПДК обычно завышен.
Литературный обзор зарубежных публикаций также показал различные подходы авторов к оценке загрязнения почв объектов военной деятельности металлами [162]. При исследовании пространственного распределения загрязнителей в почвах полигонов и на территориях боевых действий часто образцы почвы отбирают из слоя 0–10 см на разных расстояниях от источника загрязнения, например, линии огня. В других случаях применяют рандомизированную выборку, т.е. пробы отбирают из нескольких случайных мест. Также отсутствуют единые подходы к порядку отбора проб почв на объектах военной деятельности, составлению списка обязательных для контроля загрязнителей почв полигонов различного назначения, установлению их фоновых концентраций и обоснованию допустимых уровней загрязнения с учетом климатических и географических территорий расположения военных объектов.
Это затрудняет сравнительный анализ загрязнения территорий даже в пределах одной страны. Чаще всего для оценки загрязнения почв металлами используют их фоновые концентрации [112, 181, 208, 212, 234, 258]. В других работах расчеты проводят относительно норм, установленных для сельскохозяйственных земель [161, 180, 254] или промышленных и городских территорий [134, 183, 184, 202, 228]. Некоторые предельно (ориентировочно) допустимые концентрации тяжелых металлов в почвах, используемые в работах российских и зарубежных авторов для оценки загрязнения депонирующих сред военных полигонов, приведены в таблице 10. Эти нормативы отличаются не только по содержанию, но и величине; часто они научно не обоснованы и совершенно справедливо критикуются. Некоторые авторы ставят вопрос о применимости установленных в мирное время нормативов при развитии военных конфликтов [22, 93].
Таблица 10. Предельно (ориентировочно) допустимые и фоновые концентрации тяжелых металлов (мг/кг), установленные в различных странах для оценки загрязнения почв объектов военной деятельности
В таблице 11 представлены результаты исследования загрязнения металлами почв на объектах военной деятельности и на территориях, пострадавших от войны.
Для сравнения уровней загрязнения почв на различных полигонах (таблица 11) рассчитан суммарный показатель загрязнения почв Z относительно установленных нормативов, принятых в РФ для почв с реакцией среды, близкой к нейтральной (суглинистые и глинистые с рНKCl>5,5) [71]. Нормативы приведены в таблице 10 (максимальные значения):
где n – число исследуемых загрязнителей, Сфактi и ПДКi. – средняя из определенных концентраций на исследуемом участке и предельно (ориентировочно) допустимая концентрация в почве i-того загрязнителя; Сфактi/ПДКi – коэффициент опасности i-того загрязнителя. В расчеты включены металлы, которые наиболее часто авторы проводимых исследований включают в список веществ для оценки экологического состояния объектов военной деятельности (Cu, Pb, Zn, Sb).
Таблица 11. Концентрации металлов (мг/кг) в приповерхностных почвах военных баз и зон боевых действий
В зависимости от величины Z установлены следующие ранги загрязнения почв: допустимый (Z≤16); умеренно опасный (Z=16–32); опасный (Z=32–128); чрезвычайно опасный (Z≥128). Уровни суммарного загрязнения почв некоторых объектов исследования представлены на рисунке 12.
Такой подход позволяет оценить уровень опасности загрязнения почв на исследуемых территориях и привести полученные данные к единому знаменателю. Как было отмечено выше, учет типов почв и фоновых концентраций дает верную картину по валовому загрязнению почв металлами, но не отражает опасности загрязнения. Так как фоновые концентрации могут различаться на несколько порядков даже в пределах одной страны, то построенная по другим расчетам гистограмма может существенно видоизмениться. В целом, уровень загрязнения зависит от огневой активности, свойств почв, времени воздействия и климата, которые значительно различаются между рассмотренными участками.
К чрезвычайно загрязненным территориям (Z≥128) относятся: военный полигон в Швейцарии [181], тренировочные базы в Канаде [183; 186], базы и полигоны в США [106] и территория во Франции, затронутая Первой мировой войной [107].
Рис. 12. Суммарные показатели загрязнения почв, рассчитанные по средним концентрациям металлов (Cu, Pb, Zn, Sb), обнаруженным на военных полигонах и в зонах вооруженных конфликтов
В Швейцарии исследовали образцы приповерхностного слоя почвы (0–10 см) с армейского стрельбища. Показатель кислотности анализируемых супесей составлял 3,6 (сильно кислые почвы); содержание органического углерода – 1,48 %. Показатель суммарного загрязнения почвы здесь существенно превышает рассчитанные показатели для остальных территорий, и связано это с аномально высоким содержанием свинца и сурьмы (элементами I и II класса опасности соответственно). Сурьма содержится в свинцовых пулях и представляет серьезную экологическую опасность для почв стрельбищ всего мира. Примечательно, что содержание меди превышало нормативы ~в 2 раза, а цинк находился в почвах стрельбища на допустимом уровне.