Дискуссия об экологических нормах качества объектов окружающей среды стала традиционной для экологов, биологов и почвоведов. Рассмотрение этой тематики находим в работах многих ученых, таких как Зырин Н.Г., Обухов А.И. (1985), Виноградов Б.В. (1993), Воробейчик Е.Л. (1994), Глазовская М.А. (1984, 1997), Ильин В.Б. (1986, 1991, 2007), Пиковский Ю.И. (1993, 2003), Трофимов С.Я., Аммосова Я.М., Орлов Д.С. (2000), Матвеев Ю.М. (2001), Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. (2004), Яковлев А.С. (2005, 2006, 2008), Плеханова И.О. (2008) и др. Понятие «нормирование качества окружающей среды» широко применяется в естественных науках. Согласно Федеральному закону «Об охране окружающей среды» №7 от 10 января 2002 г.: «…качество окружающей среды – состояние окружающей среды, которое характеризуется физическими, химическими, биологическими и иными показателями и (или) их совокупностью». Экологическое нормирование (нормирование в области охраны окружающей среды) по закону заключается в установлении нормативов качества окружающей среды и нормативов допустимого воздействия на окружающую среду при осуществлении хозяйственной и иной деятельности (статья 19, часть 2 ФЗ №7, с авторскими изменениями Яковлева, Макарова, 2006). Основным критерием оценки качества окружающей среды является устойчивость функционирования естественных экологических систем, природных и природно-антропогенных объектов, отсюда экологическая норма (или норма качества окружающей среды) – допустимые значения ряда оцениваемых параметров качества окружающей среды, установленные по критерию соответствия устойчивому функционированию естественных или антропогенных экосистем, отдельных биологических объектов, включая человека (Яковлев, Макаров, 2006).
Таким образом, ФЗ № 7 устанавливается, что нормативы делятся на два вида – допустимого качества окружающей среды и допустимого воздействия на нее. Тем не менее, нормативы качества и воздействия неразрывно связаны между собой. Основным критерием оценки качества окружающей среды является устойчивость функционирования экосистемы, что подразумевает исследование допустимого воздействия на них.
Нормативы также различаются по способу их разработки. Различают следующие нормы: статистические, теоретические, экспертные, эмпирические (Федоров и др., 1982; Виноградов, Орлов, Снакин, 1993). Статистическая норма – условная норма, смысл которой заключается в выборе периода существования системы за эталон ее нормального функционирования, норма уподобляется среднему. Теоретическая норма – состояние, выделяемое на основе теоретических рассуждений. Например, при введении целевой функции экосистемы нормой является состояние, при котором значение этой функции экстремально. Экспертная норма – состояние экосистемы, определяемое группой компетентных экспертов. Эмпирическая норма – состояние, присущее контрольному образцу при проведении лабораторных исследований. Например, контроль – фоновое содержание металлов в фоновой почве.
Существует два аспекта в научном понимании нормы: норма, как наиболее часто встречающееся состояние системы, и норма, как оптимально функционирующая система. Критерием нормы в первом случае является попадание параметра функционирования экосистемы в доверительный интервал для своего среднего. Этот критерий придает норме размытые границы (ширина доверительного интервала для среднего назначается исследователем в момент выбора значения доверительной вероятности). Критерием нормы во втором случае служит достижение перечисленными параметрами функционирования экосистемы своих экстремумов (максимумов или минимумов) (Виноградов, Орлов, Снакин, 1993; Воробейчик, Садыков, Фарафонтов, 1994).
Основными методологическими подходами к нормированию являются санитарно-гигиенический (предельно допустимые и ориентировочно допустимые концентрации загрязняющих веществ) и экологический (экотоксикологический). Первый подход является исключительно антропоцентрическим и базируется на показателе вредности загрязняющих веществ, второй – предусматривает оценку отрицательного действия внешних факторов на комплекс показателей, характеризующих реакцию экосистемы (Матвеев и др., 2001; Управление качеством городских почв…, 2010).
В набор параметров функционирования экосистемы (целевых функций) внесены следующие, на основе которых возможно разработать научные нормы для экосистемы (Воробейчик, Садыков, Фарафонтов, 1994; Левич и др., 2004): биомасса, производимая сообществом на единицу поглощенной энергии, общая биомасса сообщества, общая численность сообщества, как показатель его экспансии, суммарный поток энергии через экосистему, скорость протекания энергии через экосистему, величина используемого сообществом субстратного ресурса, продуктивность, удельная скорость роста продукции, энергия, идущая на репродукцию, репродуктивный потенциал сообщества, биомасса потомства особи, приспособленность особей, как функция их коэффициентов размножения, дарвиновская приспособленность видов, аналог физического действия для биологических систем, плотность упаковки экологических ниш в сообществе, аналог произведения термодинамической энтропии на температуру, энтропия видовой структуры сообщества (видовое богатство). Не все из предложенных характеристик экосистем могут быть использованы, т.к. для некоторых из них отсутствуют способы измерения.
Для целей экологического нормирования, предпочтительно использовать параметры, которые отвечают требованиям (Воробейчик, Садыков, Фарафонтов, 1994): целостности оценки интегральных характеристик, сохранения целостности измеряемого объекта, совпадения характерных времен измерения и измеряемого процесса, существования функциональной связи измеряемого параметра с измеряемым процессом, функциональной изометричности, принадлежности к процессам с гомеостатическим механизмом регулирования, неспецифичности отклика на разные факторы, отличимости отклика от природного фона, минимальности времени формирования отклика, продолжительности проявления отклика, достаточной для измерения, участия в поддержании круговорота вещества-энергии, участия в функционировании экосистем более высокого ранга, участия в выполнении экосистемой социально-экономических функций.
Как уже было сказано выше, одним из наиболее часто применяемых критериев нормальности является устойчивость экологических систем, определяемая через различные функциональные характеристики (Полуэктов, 1980; Пых, 1983; Глазовская, 1997). Все толкования этого понятия можно свести к трем составляющим: рамкам естественного функционирования, способности сопротивляться внешним воздействиям и возможности релаксации после снятия нагрузки (Крауклис, 1979; Виноградов, Орлов, Снакин, 1993; Пых, Малкина-Пых, 1996). Значительную роль в устойчивости почв отводится также способности к самоочищению от продуктов техногенеза (Глазовская, 1978; Плеханова, Бамбушева, 2009). Экосистемы обладают различной емкостью устойчивости к техногенному воздействию, поэтому экологические нормативы должны быть дифференцированы для различных природно-географических зон (Глазовская, 1978; Матвеев и др., 2001).
В ряде работ по выявлению нормы функционирования почв прослеживается следующая закономерность – при утрате более 30 % биоорганического потенциала почв наступает катастрофическое нарушение устойчивого функционирования экосистемы (Anderson, 1982; Виноградов, Орлов, Снакин, 1993; Экологические функции…, 2004; Овчинникова, 2007; Яковлев и др., 2011). А.С. Фрид указывает на 20-ти процентную потерю качества пахотных почв, при которых нарушается их нормальное функционирование (2011). В работе Н.Г. Зырина с соавторами (1985) принимается, что действие токсикантов является отрицательным, если оно достоверно снижает урожай на 5-10 %.
Устойчиво функционирующая почва, как неотъемлемая часть любого наземного биоценоза и биосферы в целом, выполняет ряд экологических функций. Антропогенное воздействие на почву приводит к их нарушению. В настоящее время в наиболее общем виде принято деление экологических функций почвы на две группы: внутренние экосистемные (биогеоценотические) и внешние глобальные (биосферные) (Добровольский, Никитин, 1990, Структурно-функциональная роль почвы, 1999).
К важнейшим экосистемным (биогеоценотическим) функциям почвы относятся следующие:
1) Функции почвы, обусловленные физическими свойствами: жизненное пространство; жилище и убежище; механическая опора; депо семян и других зачатков. В рассматриваемом аспекте наиболее важными являются такие физические свойства почвы как структура, плотность, влагоемкость, водопроницаемость, температура, теплопроводность и др. Многочисленные данные свидетельствуют, что при загрязнении тяжелыми металлами ухудшается структура почвы, увеличивается плотность, уменьшается общая порозность, снижается водопроницаемость, ухудшается водно-воздушный режим почв. А между тем, при загрязнении тяжелыми металлами физические свойства почв изменяются в последнюю очередь (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Колесников и др., 2001).
2) Функции почвы, связанные преимущественно с ее химическими, физико-химическими и биохимическими свойствами: источник элементов питания; депо влаги, элементов питания и энергии; сорбция веществ, поступающих из атмосферы и с грунтовыми водами; сорбция микроорганизмов; стимулятор и ингибитор биохимических и других процессов. Выполнение перечисленных функций зависит от таких свойств почвы как содержание и запасы гумуса и элементов минерального питания, влагоемкость, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия, активность ферментов и др. (Добровольский, Никитин, 1990, Колесников и др., 2001; Добровольский, 2004; Плеханова, 2008).
3) Целостные биогеоценотические функции почвы: аккумуляция и трансформация вещества и энергии, находящихся в биогеоценозе или поступающих в него; санитарная функция; буферный и защитный биогеоценотический экран; условия существования и эволюции организмов. Выполнение почвой этой группы функций зависит от всех ее свойств. Отсюда многие авторы отмечают, что разработка системы допустимых значений качества должна быть направлена на обеспечение устойчивого функционирования почвы и на достижение равновесия между негативным антропогенным влиянием и способностью почвы к восстановлению (Пых, Малкина-Пых, 1996; «Оценка экологического состояния…», 2000; Балюк и др., 2008). Таким образом, оценивают состояние биопедоценоза – состояние всех населяющих почву живых организмов, которые находятся в динамическом единстве с ней (Структурно-функциональная роль почвы, 1999).
Среди внешних экологических функций выделяют следующие (Добровольский, Никитин, 1990): 1) обеспечение жизни на Земле, обусловленное плодородием почв; 2) регулирование всех потоков вещества в биосфере; 3) регулирование состава атмосферы и гидросферы; 4) накопление в поверхностной части коры выветривания, в почвенных органогенных горизонтах специфического органического вещества – гумуса и связанной с ним химической энергии; 5) защитная роль почвы по отношению к литосфере; 6) генерирование и сохранение биологического разнообразия.
Среди природорегулирующих функций почв можно выделить следующие (Состояние почвенно-земельных ресурсов…, 2002):
– почвы являются поглотителем различного рода загрязнений;
– газовый режим почвы обеспечивает регуляцию состава атмосферного воздуха;
– почвы являются универсальным физическим, физико-химическим и биологическим фильтром поверхностных и осадковых вод, регулируя их состояние;
– почвы защищают земную поверхность от эрозионных процессов.
При разработке современных медицинских (ПДК) и экологических (ДОСНП) нормативов обязательным критерием является выполнение почвами внешних и внутренних экологических функций.
Критериями для разработки нормативов для токсикантов в почве может выступать первичная продуктивность (определяется почвенным плодородием), содержание в растениях токсикантов, сохранение почвенной биоты (Глазовская, 1978, 1984; Елпатьевский, 1982; Зырин и др., 1985; Алексеев, 1987; Яковлев и др., 1992; Колесников, 2001; Черных, Милащенко, Ладонин, 2001; Марченко, Кожевин, Соколов, 2008; Терехова, 2007, 2011).
П.В. Елпатьевский (1982) отмечает, что допустимая нагрузка – это граница количественных изменений, после которых экосистема переходит в новое качество, когда начинается деградация основных компонентов. Нормирование нагрузки на почву должно быть направлено на сохранение ее как природного тела. При этом критическим процессом оказывается гумификация. Автор указывает, что при разработке предельных нагрузок необходимо учитывать результирующие показатели биологической активности почвы. Разработка нормативов должна базироваться не на валовом содержании токсикантов, а на том количестве, которое характеризует их биогеохимическую активность.
Некоторые авторы (Важенин, 1982, 1983; Плеханова, 2008; Плеханова, Бамбушева, 2009) отмечают, что при нормировании необходимо учитывать самоочищающую способность почвы, под которой понимается сохранение свойств при загрязнении путем перевода токсикантов в неактивное состояние. Самоочищающая способность определяется химическими свойствами почв (Плеханова, 2001), разнообразием и интенсивностью функционирования биоценоза почвы (Плеханова, 2008). Слежение за самоочищающей способностью можно осуществить с помощью определения подвижной формы токсиканта. Из параметров биоценоза необходимо измерять общую численность микроорганизмов, почвенное дыхание, нитрификацию, целлюлозо- и гумусоразлагающую способность, ферментативную активность почвы (Важенин, 1982, 1983).
Проблема нормирования содержания тяжелых металлов в почве и растениях подробно рассмотрена В. Б. Ильиным (1982, 1985, 1986, 1991, 2007), который отметил значительную близость подходов разных авторов к нормированию. Это касается, прежде всего, признания необходимости сохранения почвы как природного тела. Второй общий момент заключается в выборе в качестве наиболее адекватного индикатора состояния почвы функционирования биоты и в первую очередь – микробоценоза. Третий момент – сохранение свойств почвы – означает сохранение ее плодородия. При нормировании необходимо учитывать следующие моменты: 1) полифункциональность почвы; 2) наличие в почве и в растениях механизмов защиты от избытка токсичных потоков; 3) повышенную защищенность от токсикантов органов запасания продуктов ассимиляции (семена, плоды, корнеплоды); 4) более быструю реакцию микроорганизмов на нагрузку по сравнению с параметрами органоминерального субстрата; 5) большую информативность подвижной формы токсиканта по сравнению с валовой.
Среди других подходов к проблеме существуют следующие: в качестве предельных концентраций тяжелых металлов предлагалось принимать концентрацию, не превышающую двух кларков, либо удвоенного местного фонового содержания. Такие концентрации оказываются в пределах естественных флуктуаций. А.И. Обухов и Л.Л. Ефремова (1988) предложили шкалу нормирования содержания тяжелых металлов, показателями которой являются максимальные, регистрируемые в незагрязненных почвах определенной геохимической ассоциации концентрации. В.Б. Ильин (1991) предлагал в качестве допустимого считать 5 или 10% насыщение почвенного поглощающего комплекса тяжелыми металлами. Г.В. Мотузовой разработана методика определения фоновых региональных уровней содержания тяжелых металлов в почвах (с учетом их природного варьирования), согласно которой отклонением от нормы считается значимое превышение верхнего предела содержания металла, который на три стандартных отклонения выше среднего регионального фонового уровня (m+3s) (Мотузова, 1992).
В некоторых случаях в почвах может возникать дефицит микроэлементного питания. Этот аспект необходимо учитывать при разработке нормативов качества почв, т.к. от этого зависит устойчивое функционирование почв и растений. В работе Кабата-Пендиас с соавторами (1989) приведены нижние критические пороги содержания микроэлементов в почве для меди – 2 мг/кг, для цинка 8 мг/кг, для кобальта 5 мг/кг, для свинца – 0,006 мг/кг. Данный подход отражен и в работах А.С. Яковлева с соавторами (2011), в которых предложена двусторонняя пятиуровневая шкала оценки экологического состояния почв и антропогенного воздействия на них (шкала «состояния-воздействия»). На этой шкале рассматриваются три диапазона концентраций поллютантов – недостатка (от условно «-5» уровня до «-3» уровня), диапазон допустимых значений показателя «состояния-воздействия» (от «-3» уровня до «3» уровня) и избытка (от «3» уровня до «5» уровня). Общий принцип заключается в определении способности почвы к самовосстановлению, порога устойчивости почвенной экосистемы к антропогенному воздействию и предела удержания почвами токсикантов в границах загрязненного участка. При этом допустимые уровни загрязнения для почв земель сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов не должны выходят за рамки медицинских нормативов, так как это связано с качеством получаемых продуктов питания и допустимыми уровнями качества окружающей природной среды для человека.
В свою очередь А.С.Фрид (2011) нормативы изменений свойств почв рассматривает в двух смыслах: 1) допустимые границы изменений показателей структурно-функциональных свойств почв и почвенного покрова, в пределах которых почва либо не меняют своего таксономического положения, либо продуктивность экосистем не становится ниже 20 % от оптимальной, либо загрязнение почвы и сельскохозяйственной продукции не превышает существующих государственных нормативов; 2) прогноз изменений свойств почв при антропогенных воздействиях, дифференцированный не только территориально, но и по временным масштабам результатов воздействия. В рамках данного подхода нормативы включают таксономические границы пахотных почв, показатели органического вещества, агрохимические и физико-химические показатели, физические показатели, показатели загрязнения почв тяжелыми металлами. Нормативы дифференцированы по природным зонам и провинциям, внутри них – по типам и подтипам почв, гранулометрическому составу. Критические границы изменений показателей предлагаются в качестве дополнительных нормативов изменений свойств почв, при которых деградационные процессы приводят к необратимым изменениям. Оптимальные значения почвенного показателя – такие значения, которые обеспечивают максимальную продуктивность при хорошем качестве растительной продукции. Соотношение между категориями границ на шкале значений показателя следующее: минимальное (критическое/допустимое) – оптимум – максимальное (допустимое/критическое) (Фрид, Кузнецова, Королева и др., 2010).
П.М. Сапожников на основе пятиуровневой шкалы природного качества земель сельскохозяйственного назначения также выделяет три основные градации: наиболее пригодные для товарной продукции (1-3 уровень); переходные (4 уровень) и малопродуктивные (5 уровень) (Сапожников, Ковалев, 2010).
На необходимость нормирования избыточного содержания биофильных элементов в почве наряду с «классическими» в понимании экологов токсикантами указывают ряд исследователей, обуславливая это резким ухудшением качества почвы, нарушениями в функционировании микробоценоза почв и деградацией зеленых насаждений (Смагин и др., 2006; Терехова, Домашнев, Каниськин и др., 2009; Терехова, Лысак, Вавилова и др., 2009).
Под влиянием зарубежных концепций в российской природоохранной практике получил широкое распространение подход оценки негативного антропогенного воздействия на объекты окружающей среды, основанный на расчете величин критических нагрузок поллютантов (De Vries, Bakker, Groenenberg at al., 1998; Курбатова, Башкин, Савин, 2003; Копцик, 2004; Reinds, Groenenberg, de Vries, 2006). Величины критических нагрузок могут быть охарактеризованы как максимальное поступление поллютантов, которое не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени (Курбатова, Башкин, Савин, 2003). Термин критическая нагрузка относится только к поступлению поллютантов. Опасные концентрации газообразных соединений в атмосфере называются критическими уровнями. Они определяются как концентрации в атмосфере, выше которых могут проявляться обратимые и необратимые воздействия на человека, и на компоненты экосистем. Критическая нагрузка представляет собой индикатор устойчивости экосистемы, поскольку показывает величину максимально допустимого поступления загрязняющих веществ, выше которой существует риск повреждения биогеохимической структуры и функций городской экосистемы. Определение экологических критериев (критических концентраций в наиболее чувствительных компонентах рецептора) связанно с рассмотрением взаимозависимости между химическими параметрами, характеризующими тот или иной компонент экосистемы (почва, растительность, донные отложения, почвенные, грунтовые или поверхностные воды), и откликом отдельного живого организма или популяции на эти параметры. В соответствии с определением, критическая нагрузка представляет собой поступление поллютанта, в количестве не вызывающем необратимых изменений в биогеохимическом круговороте элементов в экосистемах. В.Н. Башкиным, А.С. Курбатовой и Д.С. Савиным разработаны методические рекомендации по расчету величин критических нагрузок поллютантов (кислотности и тяжелых металлов) на городские экосистемы (Охрана природы. Городские экосистемы…, 2003). В основе метода расчета лежит балансовое уравнение между источниками и запасами элементов в почве, применимое для выпадений этих элементов, а также учет пути их биогеохимической миграции. Методы оценки критических нагрузок соединений серы, азота и тяжелых металлов также были разработаны и апробированы и для лесных почв (De Vries, Bakker, Groenenberg at al., 1998; Копцик, 2004;).