Исследование почв, загрязненных тяжелыми металлами (г. Карабаш)
Содержание
Введение
. Обзор литературы
. Источники и характер загрязнения почв Челябинской области
.1 Источники загрязнения
.2 Характер и степень загрязнения
.3 Объекты исследований
.3.1 Район г. Карабаша
.3.2 Почвы города Челябинска
.3.3 Почвы пригорода Челябинска (на примере учхоза ЧГАУи СХП «Каштакское»)
. Элементарный состав и степень загрязнения почв Челябинской области тяжелыми металлами
.1 Загрязнение почв Карабаша тяжелыми металлами
.1.1 Источники загрязнения
.1.2 Оценка загрязнения тяжелыми металлами
.1.3 Фоновые концентрации тяжелых металлов в почвах Карабаша
.1.4 Формы нахождения тяжелых металлов в выбросах и почве
.2 Загрязнение почв пригорода и города Челябинска
.2.1 Источники загрязнения
.2.2 Загрязнение урбаноземов г. Челябинска
.2.3 Загрязнение почв пригородной зоны г. Челябинска
. Поступление в растение и токсическое действие тяжелых металлов
Выводы и предложения
Библиографический список
Введение
Экологический кризис в плане загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами касается прежде всего каждого из нас, потому что без решения вопроса, что мы должны изменить в себе, нам просто не выжить.
Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы. В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы особый интерес и важное практическое значение имеет, с одной стороны, познание механизмов и закономерностей поведения и распределения тяжелых металлов в окружающей среде, с другой, тот факт, что свыше 90 % всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболеваний, либо способствует их развитию. Тяжелые металлы вызывают сердечно-сосудистые расстройства, различные формы аллергии, обладают канцерогенным свойством. Они являются генетическими ядами, поскольку аккумулируются в организме с отдаленным эффектом действия, появляющимся в наследственных заболеваниях, умственных расстройствах и т.д.
Проблема тяжелых металлов в современных условиях производства - глобальная, поэтому необходимы соответствующие меры по предотвращению загрязнения окружающей среды. Её опасность состоит в том, что существует ряд альтернативных путей поступления и аккумуляции тяжелых металлов в цепочку: почва - растение - животное - человек.
Проблема возникает и в связи с загрязнением почвы редкими и рассеянными элементами, обладающими биоцидным действием, например, ртутью, кадмием, свинцом, селеном, которые нередко создают постоянный фон, обеспечивающий их стабильную концентрацию в продуктах питаниях и кормах. Важность понимания проблемы загрязнения продукции тяжелыми металлами определяется тем, что сельскохозяйственные культуры и животные находятся на более высоком уровне в пищевой цепи продукционного процесса и используются как продукты питания человека. Это приводит к накоплению тяжелых металлов вдоль пищевой цепи, к тяжелым заболеваниям человека и животных.
Почвы являются природным накопителем тяжелых металлов в окружающей среде и основным источником загрязнения сопредельных сред, включая высшие растения. Тяжелые металлы находятся в почве в виде различных химических соединений. В почвенном растворе они присутствуют в форме свободных катионов и ассоциатов с компонентами раствора. В большинстве своем это непрочные соединения, называемые слабыми комплексами. В твердой части почвы тяжелые металлы находятся в форме обменных катионов и поверхностных комплексных соединений, в виде примесей в структурах глинистых минералов, в форме собственных минералов, устойчивых осадков малорастворимых солей [15, 18].
К тяжелым металлам относятся свыше 40 химических элементов таблицы Менделеева с атомными массами, превышающими 50 атомных единиц, или химические элементы с удельным весом выше 5 г/см3. Не все тяжелые металлы представляют одинаковую опасность для живых организмов. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях лишь немногим более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями: ртуть, свинец, кадмий, медь, ванадий, олово, цинк, молибден, кобальт, никель. Три элемента (ртуть, свинец, кадмий) считаются наиболее опасными.
В процессе эволюции растения, животные и человек приспособились к природному (фоновому) содержанию тяжелых металлов в почве. Однако интенсивное развитие промышленности, транспорта и использование различных химических средств привело к накоплению тяжелых металлов на различных территориях выше фоновых значений, что отрицательно влияет на растения и другие живые организмы [8].
Целью диссертационной работы является изучение степени и характера загрязнения почв Челябинской области тяжелыми металлами и его экологические последствия.
Основные задачи:
установить основные источники загрязнения и районы, подверженные наиболее интенсивному загрязнению;
дать характеристику по загрязнению почв тяжелыми металлами пригороду Челябинска, Челябинску и района Карабаша;
изучить влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на растительность.
1. Обзор литературы
Тяжелыми металлами являются хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец и висмут.
Главным природным источником тяжелых металлов являются породы (магматические и осадочные) и породообразующие минералы. Многие минералы в виде высокодисперсных частиц включаются в качестве акцессорных (микропримесей) в массу горных пород. Примером таких минералов являются минералы титана (брусит, ильменит, анатаз), хрома (FeCr2O4). Многие элементы поступают в атмосферу с космической и метеоритной пылью, с вулканическими газами, горячими источниками, газовыми струями [42, 43].
Поступление тяжелых металлов в биосферу вследствие техногенного рассеивания осуществляется разнообразными путями. Важнейшим из них является выброс при высокотемпературных процессах в черной и цветной металлургии, при обжиге цементного сырья, сжигании минерального топлива. Кроме того, источником загрязнения биоценозов могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжелых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в почвы в качестве удобрения. Вторичное загрязнение происходит также вследствие выноса тяжелых металлов из отвалов рудников или металлургических предприятий водными или воздушными потоками, поступления больших количеств тяжелых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжелые металлы [20, 32, 35].
Часть техногенных выбросов тяжелых металлов, поступающих в атмосферу в виде аэрозолей, переносится на значительное расстояние и вызывает глобальное загрязнение. Другая часть с гидрохимическим стоком попадает в бессточные водоемы, где накапливается в водах и донных отложениях и может стать источником вторичного загрязнения. Соединения тяжелых металлов сравнительно быстро распространяются по объемам водного объекта. Частично они выпадают в осадок в виде карбонатов, сульфатов, частично адсорбируются на минеральных и органических осадках. В результате содержание тяжелых металлов в отложениях постоянно растет, и когда абсорбционная способность осадков исчерпывается и тяжелые металлы поступают в воду, возникает особо напряженная ситуация. Этому способствует повышение кислотности воды, сильное зарастание водоемов, интенсификация выделения СО2 в результате деятельности микроорганизмов. Значительное загрязнение тяжелыми металлами, особенно свинцом, а также цинком и кадмием обнаружено вблизи автострад. Ширина придорожных аномалий свинца в почве достигает 100 м и более [26, 27].
Тяжелые металлы, поступающие на поверхность почвы, накапливаются в почвенной толще, особенно в верхних гумусовых горизонтах, и медленно удаляются при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии. Первый период полуудаления тяжелых металлов значительно варьируется у различных элементов и занимает весьма продолжительный период времени: для цинка - от 70 до 510 лет; кадмия - от 13 до 110 лет, меди от -310 до 1500 лет, свинца - от 770 до 5900 лет [14, 20, 35].
Тяжелые металлы способны образовывать сложные комплексные соединения с органическими веществами почвы, поэтому в почвах с высоким содержанием гумуса они менее доступны для поглощения. Избыток влаги в почве способствует переходу тяжелых металлов в низшие степени окисления и в растворимые формы. Анаэробные условия повышают доступность тяжелых металлов растениям [11]. Поэтому дренажные системы, регулирующие водный режим, способствуют преобладанию окисленных форм тяжелых металлов и тем самым снижению их миграционных характеристик. Растения могут поглощать из почвы микроэлементы, в том числе тяжелые металлы, аккумулируя их в тканях или на поверхности листьев, являясь, таким образом, промежуточным звеном в цепи «почва - растение - животное - человек» [13, 16, 17, 34].
Различные растения сосредоточивают в себе разное число микроэлементов: в большинстве случаев - избирательно. Так, медь усваивают растения семейства гвоздичных, кобальт - перцы. Высокий коэффициент биологического поглощения цинка характерен для березы карликовой и лишайников, никеля и меди - для вероники и лишайников. Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами, токсичность которых возрастает по мере увеличения атомной массы. Их токсичность проявляется по-разному. Многие металлы при токсичных уровнях концентраций ингибируют деятельность ферментов (медь, ртуть). Некоторые из них образуют хелатоподобные комплексы с обычными метаболитами, нарушая нормальный обмен веществ (железо). Такие металлы, как кадмий, медь, железо, взаимодействуют с клеточными мембранами, изменяя их проницаемость [39, 43].Особый интерес представляет изучение животных, являющихся чувствительным индикатором начальных стадий загрязнения тяжелыми металлами. Они аккумулируют элементы в доступных биологически активных формах и отражают фактический уровень загрязнения экосистем. Почвенные животные, особенно сапрофитные группы, благодаря тесной связи с почвенными условиями и ограниченной территорией обитания могут быть хорошими индикаторами химического загрязнения биосферы [10, 15, 21, 41].
Нормирование содержания тяжелых металлов в почве и растениях является чрезвычайно сложным из-за невозможности полного учета всех факторов природной среды. Так, изменение только агрохимических свойств почвы (реакции среды, содержания гумуса, степени насыщенности основаниями, гранулометрического состава) может в несколько раз уменьшить или увеличить содержание тяжелых металлов в растениях. Имеются противоречивые данные даже о фоновом содержании некоторых металлов. Приводимые исследователями результаты различаются иногда в 5-10 раз [31, 38, 40].
Предложено множество шкал экологического нормирования тяжелых металлов. В некоторых случаях за предельно допустимую концентрацию принято самое высокое содержание металлов, наблюдаемое в обычных антропогенных почвах, в других - содержание, являющееся предельным по фитотоксичности. В большинстве случаев для тяжелых металлов предложены ПДК, превосходящие верхнюю норму в несколько раз [1, 31, 38, 39, 42].
Для характеристики техногенного загрязнения тяжелыми металлами используется коэффициент концентрации, равный отношению концентрации элемента в загрязненной почве к его фоновой концентрации. При загрязнении несколькими тяжелыми металлами степень загрязнения оценивается по величине суммарного показателя концентрации (Zc). Предложенная ИМГРЭ шкала загрязнения почвы тяжелыми металлами приведена в таблице 1.
Таблица 1 - Схема оценки почв сельскохозяйственного использования по степени загрязнения химическими веществами (Госкомгидромет СССР, № 02 - 10 51-233 от 10.12.90)
Категория почв по степени загрязненияZcЗагрязненность относительно ПДКВозможное использование почвНеобходимые мероприятияДопустимое<16,0Превышает фоновое, но не выше ПДКИспользование под любые культурыСнижение уровня воздействия источников загрязнения почв. Снижение доступности токсикантов для растений.Умеренно опасное16,1-32,0Превышает ПДК при лимитирующем общесанитарном и миграционном водном показателе вредности, но ниже ПДК по транслока-ционному показателюИспользование под любые культуры при условии контроля качества продукции растениеводстваМероприятия, аналогичные категории 1. При наличии веществ с лимитирующим миграционным водным показателем производится контроль за содержанием этих веществ в поверхностных и подземных водах.Высоко- опасное32,1-128Превышает ПДК при лимитирующем транслока-ционном показателе вредностиИспользование под технические культуры без получения из них продуктов питания и кормов. Исключить растения-концентраторы химических веществМероприятия аналогичные категории 1. Обязательный контроль за содержанием токсикантов в растениях, используемых в качестве питания и кормов. Ограничение использования зеленой массы на корм скоту, особенно растений- концентраторов.Чрезвычайно опасное> 128Превышает ПДК по всем показателямИсключить из с.-х. использованияСнижение уровня загрязнения и связывание токсикантов в атмосфере, почве и водах.
Официально утвержденные ПДК и допустимые уровни их содержания приведены в таблице 2. В соответствие со схемой, принятой медиками-гигиенистами тяжелые металлы подразделяется на транслокационные (переход элемента в растения), миграционные (переход в воду), и общесанитарные (влияние на самоочищающую способность почв и почвенный микробиоценоз) [28].
Таблица 2 - Предельно-допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности
Наименование веществПДК, мг/кг почвы с учетом фонаПоказатели вредноститранслокационныйводныйобщесанитарныйВодорастворимые формыФтор10,010,010,010,0Подвижные формыМедь3,03,572,03,0Никель4,06,714,04,0Цинк23,023,0200,037,0Кобальт5,025,0>1000,05,0Фтор2,82,8--Хром6,0--6,0Валовое содержаниеСурьма4,54,54,550,0Марганец1500,03500,01500,01500,0Ванадий150,0170,0350,0150,0Свинец **30,035,0260,030,0Мышьяк **2,02,015,010,0Ртуть2,12,133,35,0Свинец + ртуть20+120+130+230+2Медь*55---Никель*85---Цинк*100---*- валовое содержание - ориентировочное;
**- противоречие; для мышьяка среднее фоновое содержание 6 мг/кг, фоновое содержание свинца обычно тоже превышает нормы ПДК.
Разработанные ОДК для валового содержания шести тяжелых металлов и мышьяка позволяют получить более полную характеристику о загрязнении почвы тяжелыми металлами, так как учитывают уровень реакции среды и гранулометрический состав почвы (дополнение №1 к перечню ПДК и ОДК №6229-91) [21,31] (таблица 3).
Таблица 3 - Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) тяжелых металлов и мышьяка в почвах с различными физико-химическими свойствами
ЭлементГруппа почвОДК с учетом фона, мг/кгАгрегатное состояние в-ва в почвахКлассы опасностиОсобенности действия на организмNiПесчаные и супесчаные20Твердое: в виде солей, в сорбированном виде, в составе минералов2Для теплокровных и человека малотоксичен. Обладает мутогенным действиемКислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,540Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рНKCl>5,580CuПесчаные и супесчаные33Твердое: в виде солей, органо- минеральных соединений, в сорбированном виде, в составе минералов2Повышает клеточную проницаемость, нарушает метаболизм, взаимодействуя с -SH, -NH2 и COOH- группамиКислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,566Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рН KCl>5,5132ZnПесчаные и супесчаные55Твердое: в виде солей, органо- минеральных соединений, в сорбированном виде, в составе минералов1Недостаток или избыток вызывают отклонения в развитии. Кислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,5110Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рН KCl>5,5220AsПесчаные и супесчаные2Твердое: в виде солей, органо- минеральных соединений, в сорбированном виде, в составе минералов1Вещество, ингибирует различные ферменты, отрицательное действие на метаболизм. Возможно канцерогенное действиеКислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,55Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рН KCl>5,510CdПесчаные и супесчаные0,5Твердое: в виде солей, органо- минеральных соединений, в сорбированном виде, в составе минералов1Сильно ядовитое в-во, блокирует сульфгидрильные группы ферментов, нарушает обмен железа и кальция, нарушает синтез ДНК.Кислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,51,0Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рН KCl>5,52,0PbПесчаные и супесчаные32Твердое: в виде солей, органо- минеральных соединений, в сорбированном виде, в составе минералов1Разностороннее негативное действие, ингибирует ферменты, вызывает отравления, поражения нервной системы.Кислые (суглинистые и глинистые), рН KCl<5,565Близкие к нейтральным, (суглинистые и глинистые), рН KCl>5,5130
Из таблицы 3 следует, что в основном предъявлены требования к валовым формам тяжелых металлов. Среди подвижных форм учитываются только медь, никель, цинк, хром и кобальт. Поэтому в настоящее время разработанные нормативы уже не удовлетворяют всем требованиям.
Валовое содержание является фактором, отражающим в первую очередь потенциальную опасность загрязнения растительной продукции, инфильтрационных и поверхностных вод, характеризует общую загрязненность почвы, но не отражает степени доступности элементов для растения. Для характеристики состояния почвенного питания растений используются только подвижные формы тяжелых металлов.
Подвижные формы тяжелых металлов в почве определяют, используя различные экстрагенты. Общее их количество устанавливают в вытяжке 1 н HCl, наиболее мобильная часть - в ацетатно-буферном растворе, а для оценки степени подвижности используют водную вытяжку.
Предложено несколько ориентировочных нормативных шкал [8]. В таблице 4 показана шкала предельно допустимых подвижных форм тяжелых металлов, определенных в вытяжке 1 н HCl.
Таблица 4 - Предельно допустимое содержание подвижной формы тяжелых металлов в почве
В миллиграммах на килограмм экстрагент 1 н HCl
ЭлементСодержаниеЭлементСодержаниеЭлементСодержаниеHg0,1Sb15Pb60Cd1,0As15Zn60Co12Ni36V80Cr15Cu50Mn600
2. Источники и характер загрязнения почв Челябинской области
.1 Источники загрязнения
Челябинская область находится на границе Европы и Азии и занимает площадь 87900 км2. По площади она больше Австрии, Ирландии, и многих других Европейских государств. Общая протяженность границ области составляет 2750 км. На севере Челябинская область граничит со Свердловской - 260 км, на востоке с Курганской - 410 км, на юге с Оренбургской - 200 км, на западе с республикой Башкортостан - 1150 км. Юго-восточная часть границы области (730 км) является государственной границей Российской Федерации. Водные ресурсы определяются расположением области на водоразделе трех бассейнов рек - Волги, Урала и Тобола.
На территории области расположились 30 городов, 30 рабочих поселков (городского типа), 258 сельсоветов, 1257 населенных пунктов. Самые молодые населенные пункты, официально признанные городами: Озерск, Снежинск и Трехгорный, - имеют статус закрытых территориальных образований (ЗАТО).
Население Челябинской области составляет 3565,8 тыс. человек. Большая часть населения живет в городах (81,3 %), что выше доли городского населения по России в целом [22, 36].
Для Южного Урала, как части большой горной страны, серединного хребта Евроазиатского субконтинента, характерны те же экологические проблемы, что и для других регионов страны: загрязнение атмосферы, деградации земельных и кормовых угодий, загрязнений поверхностных и подземных вод. Вместе с тем существует целый ряд проблем, свойственных только этому краю, связанных как с особенностями его природной среды, так и с экологической нагрузкой промышленных предприятий. Центральное расположение Челябинской области на стыке Европейской России, с её культурными и промышленными традициями, и Сибири, с её энергетическими и минеральными ресурсами, создавали и создают весьма благоприятные условия для экономического и культурного развития области.
Богатые природные условия, особое географическое положение (центр России, перекресток магистральных путей государства) поставили Челябинскую область в ряд регионов, где природа эксплуатируется наиболее интенсивно. На сегодняшний день область является крупнейшим промышленным центром страны. Наибольшее значение имеют металлургический и машиностроительных комплексы, где сосредоточено около 80 % основных производственных фондов области, более 40 % трудовых ресурсов и где расходуется основная часть топливно-энергетических и материальных ресурсов.
Область относится к регионам с серьезными нарушениями условий окружающей среды. На 1 января 2003 года область занимала 3-е место по объему образующихся токсичных отходов, 5-е место по объему выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников и 10-е место по объемам сброса загрязняющих сточных вод в водные объекты.
Основными загрязнителями окружающей среды являются предприятия металлургической промышленности (ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Челябинский металлургический комбинат «Мечел», ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат», комбинат «Магнезит» и другие), предприятия энергетического комплекса (ТЭЦ, ГРЭС), предприятия горнодобывающей промышленности (рудники, шахты), сельского и жилищно-коммунального хозяйства и других отраслей.
В целом по области насчитывается более 15 тысяч промышленных предприятий и организаций, загрязняющих окружающую среду, из них более 600 (не считаю бывших колхозов и совхозов), имеют значительные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу более чем от 23 тысяч стационарных и около 850 тысяч передвижных источников (автомобили, трактора, тепловозы и т.д.).
Наибольшее количество тяжелых металлов (до 90 %) в почву поступает от предприятий черной и цветной металлургии. Загрязнение почв свинцом происходит, кроме того, при сжигании горючего автотранспортом. Значительные поступления тяжелых металлов в почву сельскохозяйственных угодий происходит при сжигании в котельных углей, использовании пестицидов и химических мелиорантов [46].
По данным многолетних космических наблюдений и результатам анализа снежного покрова в ареалах крупных промышленных центров загрязненность территории Челябинской области тяжелыми металлами отмечается на площади 29,5 тыс. кв. км. Особенно обширны ареалы загрязнения (11-13 тыс. км2) вокруг Челябинска и Магнитогорска. Если к этим территориям прибавить зоны интенсивного антропогенного изменения (Сатка, Бакал, Коркино, Еманжелинск), то общая территория загрязненности достигнет около 52 тыс. км2, т.е. почти 56 % территории области [1].
С кризисной ситуацией является Карабашско-Муслюмовский район. К нему относится часть территории Каслинского, Кунашакского, Сосновского и Аргаяшского административных районов с общей площадью 3400 км2. Всего в зоне кризисной ситуацией проживает около 180 тысяч человек (4,9 % населения области). Особенно сильно загрязнена территория г. Озерска и прилегающие к нему земли. В этом же контуре отмечены участки с сильным загрязнением почв тяжелыми металлами, особенно в районе г. Карабаша, экологическая ситуация в котором (единственном в России) соответствует статусу зоны экологического бедствия.
К районам с критической ситуацией относится Челябинско-Полетаевский, Бакало-Саткинский, Магнитогорский. Суммарная площадь районов составляет 7250 км. Здесь проживает 51,5 % всего населения области. В этих районах отмечается наибольшая концентрация промышленного производства, здесь расположено большинство предприятий черной и цветной металлургии, а также горно-обогатительные комплексы, во многом определяющие экологическую ситуацию. Для районов характерно сильное загрязнение почв тяжелыми металлами, превышающее ПДК в десятки и даже сотни раз. Происходит закисление почв [19].
Здесь отмечается также постоянное загрязнение атмосферы оксидами углерода, серы и азота. Наибольшему загрязнению подвержены территории промышленных центров. Так, например, по оценке Министерства охраны окружающей природной среды РФ, сделанной в 1996 году, Магнитогорск по уровню загрязнения окружающей среды и состоянию здоровья населения соответствует статусу зоны чрезвычайной экологической ситуации.
Воздух индустриальных центров области загрязнен бенз(а)пиреном, формальдегидом, фенолом, пылью, оксидами азота и другими вредными веществами В 1997 и 1998 гг. в целом по области выброшено бенз(а)пирена - 557 и 422 кг соответственно; из них по г. Челябинску - 472 и 335 кг, по г. Магнитогорску - 85 и 85 кг. Из других особо опасных токсических веществ с выбросами предприятий в атмосферу области поступают хром шестивалентный: 1997 г. - 47 тонн, 1998 г. - 82,89 тонн (увеличение связано с вводом в эксплуатацию ЭСПЦ - 3 на ОАО «Мечел») и ртуть металлическая (1996 г. - 2,3 тонны, 1998 г. - 2 тонны) [46].
В поверхностных водах в концентрациях, превышающих ПДК, присутствуют нитраты, тяжелые металлы, нефтепродукты. Из-за отсутствия очистных сооружений на многих предприятиях (либо их неэффективной работы, устарелости, маломощности) 86,7 % сбрасываемых вод является загрязненными, из них неочищенными - 12 %, недостаточно очищенными - 74,7 %.
Необходимо строительство новых очистных сооружений на ОАО «ЧЭЦЗ», ОАО «Челак» ОАО «Мечел», ливневой канализации и повышение эффективности работы очистных сооружений г. Челябинска [1].
Районы с напряженной ситуацией - это Троицкий, Верхнеуральско-Кизильский, Ашинско-Юрюзанский, Миасско-Аргаяшский, Еманжелинский. Эти районы занимают площадь 20,1 тысяч км2, здесь проживает 526 тысяч человек (14,5 % населения области).
Признаками напряженной экологической ситуации на этих территориях являются: широкие ореолы загрязнения почв токсическими веществами, развитие процессов эрозии и деградации почв; интенсивное закисление и загрязнение атмосферы оксидами углерода, азота, реже серы; площадные загрязнения поверхностных и подземных вод.
Районы с относительно удовлетворительной ситуацией - Нязепетровский, Катав-Ивановский, Уйский, Брединский. Удовлетворительная ситуация отмечена на 60 % территории области, где проживает 30,9 % ее населения (1122 тысячи человек).
Деятельность предприятий черной и цветной металлургии, горнодобывающей и угольной промышленности приводит к нарушению почвенного слоя - промышленной эрозии почв. На территории области действует около 90 горнорудных предприятий, 160 карьеров, 20 шахт. Изобилуют карьерами и отвалами окрестности городов Сатка, Верхний Уфалей, Копейск, Коркино, Еманжелинск, Пласт. Около города Бакал безжизненный «лунный» ландшафт создают 10 карьеров глубиной до 200 м и многочисленные отвалы высотой до 50-70 м.
В области ежегодно образуется около 500 млн. тонн промышленных и 5 млн. тонн бытовых отходов. В Челябинском промузле отходами 9 перерабатывающих предприятий и ТЭЦ занято 984,5 га земли. В городе ежегодно складируется более 60 млн. тонн отходов с повышенным содержанием хрома, меди, свинца, мышьяка, бария и других токсичных соединении. Геохимическое воздействие подобных «хранилищ» на атмосферный воздух, гидросферу и почвы приводит к возникновению районов экологического неблагополучия.
Уровень загрязнения атмосферного воздуха городов Челябинской области в 2000-е годы, как и в предыдущие, оставался неудовлетворительным.
По-прежнему, наиболее загрязнен атмосферный воздух Челябинска, Магнитогорска и Карабаша, которые включены в приоритетный список городов с очень высоким уровнем загрязнения атмосферы.
Основной причиной неудовлетворительного состояния атмосферного воздуха является использование устаревших технологий с высоким уровнем износа устаревшего технологического оборудования. Негативное влияние оказывает эксплуатация газоочистного оборудования с отступлением от проектных параметров, невыполнение воздухоохранных мероприятий.
По данным Комитета природных ресурсов по Челябинской области, всего на предприятиях области находится в эксплуатации свыше 6,5 тысяч установок отчистки газа, из них около 40 % к настоящему времени физически и морально устарели и требуют замены. За последние годы в целом по области отмечается снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух [1].
За 2009 год от стационарных источников выбросы в атмосферу составили 798,38 тыс. тонн загрязняющих веществ, по сравнению с 2008 годом произошло сокращение выбросов на 159,9 тыс. тонн.
Положительная тенденция по сокращению выбросов загрязняющих веществ в 2009 год достигнута в основном за счет реализации мероприятий по охране атмосферного воздуха в 2009-2010 гг., на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат», ОАО «Челябинский металлургический комбинат», филиалом ОАО «ОГК-2» Троицкая ГРЭС и ЗАО «Карабашмедь».
В 2009 г. ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» выполнено 19 воздухоохранных мероприятий. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в 2009 году по сравнению с 2008 годом снизились на 8000 тонн за счет выполнения воздухоохранных мероприятий и фактической загрузки технологического оборудования [1].
.2 Характер и степень загрязнения
В Челябинске находятся более 120 промышленных предприятий, которые выбрасывают в атмосферный воздух загрязняющие вещества. Основными загрязнителями города являются предприятия металлургии (черной и цветной) и энергетики. На долю предприятий металлургии приходится: ОАО «Мечел» - 44,5 % от общих выбросов города, ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат» - 23,1 %, АООТ «Челябинский электролитный цинковый завод» - 3,9 %, ОАО «Челябинский электродный завод» - 2,85 [48].
Карабаш остается городом с наиболее опасной экологической обстановкой. Ранее, в 1986-1988 гг. выбросы комбината составляли более 163 тыс. тонн, что грозило городу экологической катастрофой. В связи с этим природоохранными органами области была развернута работа о прекращении деятельности устаревших традиционных способов производства черновой меди. Их настойчивая работа совместно с общественностью города позволила добиться принятия решения о реконструкции и перепрофилировании Карабашского медеплавильного комбината на переработку медесодержащих отходов. На комбинате в течение 5 лет были выведены из эксплуатации 3 шахтных печи и 5 конверторов, выбросы снизились до 7000 тонн, а в 1996 году в связи с полной остановкой производства выбросы в атмосферу составили только 25,5 тонн. Позднее на базе АО «КМК» были созданы последовательно несколько совместных предприятий, которые пытались возродить производство, но из-за отсутствия инвестиций развалились [24].
В настоящее время создано закрытое акционерное общество ЗАО «Карабашмедь», основным учредителем которого является ОАО «Кыштымский медеэлектролитный завод». Это решение принято в связи с Постановлением правительства Челябинской области «О мерах по развитию цветной металлургии области на 1997-2005 годы». ЗАО «Карабашмедь» представило программу восстановления металлургического производства со строительством комплекса утилизации серы, что позволит решить в ближайшие годы социально-экономический и экологические проблемы Карабаша [24].
На предприятии проведены большие работы по восстановлению еще двух шахтных печей и двух конверторов, а также капитальный ремонт газоотходных систем и пылеулавливающего оборудования. Смонтирована и пущена в эксплуатацию система пневмотранспорта уловленной конвертерной пыли и установка, которая позволяет уменьшить пылевынос из шахтных печей, снизить нагрузку на пылеулавливающие установки и, в конечном итоге, сократить выброс твердых веществ (пыли) в атмосферу. В настоящее время в работе находятся 3 шахтных печи 3 конвертера [24].
Уровень содержания тяжёлых металлов в почвах Челябинской области, находящихся вблизи предприятий чёрной и цветной металлургии, в десятки и сотни раз выше предельно допустимой нормы. Из-за горных разработок серьёзно нарушены земли, сильно изменились естественные ландшафты. В результате многолетней деятельности по добыче железной руды с лица земли были полностью стёрты горы Высокая и Магнитная [24]. Почти полностью выработан Челябинский угольный бассейн: он превратился в карьеры, ямы и отвалы пустой породы.
Серьёзной проблемой экологии Челябинской области является и то, что немалое число нарушенных земель располагается практически в городских центрах - на месте отработанных месторождений полезных ископаемых. К примеру, в Нижнем Тагиле такие земли составляют 30 % от всей территории. Исследования, проведенные в последнее десятилетие, показали, что почвы не только промышленных, но и жилых (селитебных) зон городов насыщены тяжелыми металлами, бенз(а)пиреном, ртутью, нефтепродуктами и другими вредными компонентами [48].
Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы. К наиболее токсичным металлам относятся кобальт, никель, медь, цинк, железо, кадмий, ртуть и другие. Как видно, к группе относятся и такие металлы, для которых доказана положительная физиологическая активность в метаболических процессах. Примером могут служить кобальт и медь. В небольших концентрациях они являются необходимыми для растений микроэлементами, в больших же количествах становятся токсичными. Поэтому необходимо говорить не об элементе вообще, а о его токсичной концентрации. Опасность проблемы состоит в том, что для тяжелых металлов существует ряд альтернативных путей поступления и аккумуляции их в продукции, они влияют на растения, животных и человека, когда находятся в подвижном состоянии, и происходит это преимущественно через почву или воду [24].
Частицы металлов и их соединений могут накапливаться в почве, не принося никакого вреда, но при резком изменении режима кислотности-щелочности (рН) почв химическая активность их резко возрастает. Они растворяются, переходят в активные растворы, коллоиды и вместе с органическим веществом почв образуют металлоорганические соединения. Эти соединения усваиваются растениями и могут по-разному на них воздействовать: вызвать мутации, замедлить или убыстрить рост, повлиять на вегетацию. Растения могут накапливать тот или иной элемент, иногда во вред горожанам. Тяжелые металлы могут попасть в человеческий организм и вызвать серьезные заболевания. Особенно сильными отравителями являются сера, медь, цинк, мышьяк, свинец, висмут, ртуть, германий и другие (всего в этой группе 19 элементов) [24, 28].
В городах западной зоны области повышенные концентрации тяжелых металлов (медь, цинк, никель), превышающие предельно допустимые концентрации (ПДК) для почв, обычно наблюдаются в районах, примыкающих к предприятиям-загрязнителям. В Бакале это участки застройки, расположенные близко к отвалам горнорудного предприятия; в Сатке - кварталы, примыкающие к металлургическому заводу. Здесь на отдельных участках содержание в почвах меди, цинка, никеля, кобальта (реже - кадмия, хрома) превышает ПДК в 10 и более раз.
В почвах Златоуста отмечена повышенная концентрация никеля и меди, превышающая ПДК на больших площадях в несколько раз. Особенно широко в почвах распространен никель. В городах северной части горнозаводской зоны сосредоточены основные предприятия по добыче и переработке цветных металлов. Не удивительно, что местные почвы содержат весь спектр этих металлов. Распределение очень высоких концентраций металлов в почвах здесь зависит не только от местоположения предприятия-загрязнителя, относительно преобладающего направления ветра (розы ветров). Влияет на распределение загрязняющих веществ и рельеф (долины, хребты, отдельные вершины), а также микроклимат городов - перепад температур воздуха, определяющий сложные движения приземных воздушных масс [1, 28, 34].
В Верхнем Уфалее наиболее сильно загрязнены почвы в районах, окружающих комбинат «Уфалейникель» на площади более 30 км2. Содержание никеля, кобальта, меди, мышьяка, в некоторых местах свинца, кадмия и хрома, превышает допустимые концентрации во много раз.
Также широк спектр загрязняющих почву металлов в Кыштыме, где с начала века работает медеэлектролитный завод. Почвы города загрязнены медью, цинком, никелем почти повсеместно, свинцом, кобальтом и кадмием лишь локально. Среднее содержание меди в четыре с лишним раза превышает довольно высокие для этой местности фоновые значения. Наиболее сильное загрязнение зафиксировано вокруг завода в радиусе 0,5-1 км. Наиболее пострадавшей в результате промышленного загрязнения оказалась территория Карабаша. Здесь с начала века работает крупный медеплавильный завод, выбрасывавший на город в течение десятилетий до 50 тыс. тонн промышленной пыли и газов, в составе которых тяжелые металлы и их оксиды - медь, цинк, свинец, мышьяк, кадмий, никель и другие элементы (всего 12). Специфические условия рельефа города (долина, окруженная горами), многолетнее несоблюдение экологических норм способствовали тому, что территория города (примерно 8 км2) превратилась в техногенную пустошь. В верхних слоях почвы содержание отдельных элементов превышает ПДК в сотни раз, причем эти аномально высокие содержания занимают очень значительную площадь (медь, цинк, мышьяк, свинец) [48].
Почвы Карабаша давно перестали быть почвами, превратились в искусственно созданные бедные «полиметаллические руды». Единственный из всех городов России, Карабаш со своим 17-ти тысячным населением признан территорией экологического бедствия.
На равнине, в лесостепной и степной зонах расположены крупнейшие промышленные центры Урала, России - Челябинск и Магнитогорск. В Магнитогорске, к примеру, кроме крупнейшего в Европе металлургического комбината действуют еще около 40 предприятий, среди которых калибровочный, метизно-металлургический и машиностроительный заводы, крупные автопарки. В окрестностях - карьеры по добыче железных руд и флюсов, цементный завод [24].
Все это вместе взятое не могло не отразиться на почвенном покрове города. Аномально высокое содержание тяжелых металлов (медь, цинк, свинец, хром, мышьяк, марганец) устанавливается повсеместно, как в промышленных зонах, так и в жилых кварталах. Превышения ПДК в жилой зоне составляют: по меди - 1,5-2 раза; по цинку - 2-4 раза, по свинцу - 1 - 5 раз; по марганцу - 1,5-2,5 раза; по мышьяку - 3-21 раз. Особенно сильно загрязнены мышьяком почвы северо-восточной и восточной частей города. Влияние Магнитогорского промышленного узла настолько велико, что даже в почвах, расположенных за окраинами города, на расстоянии до 10 км фиксируется повышенное, а иногда и аномально повышенное содержание тяжелых металлов.
Влияние Магнитогорской промышленной агромелиорации распространяется на прилегающие земли Агаповского и Верхнеуральского районов, охватывая территорию в 10870 км2. Почвы северной части Агаповского района, прилегающей к г. Магнитогорску, загрязнены тяжелыми металлами на площади 5175 га, загрязнение которых медью, цинком, свинцом, кадмием, ртутью в несколько раз превышает ПДК.
В городской черте Челябинска расположено около 600 промышленных предприятий, так или иначе влияющих на окружающую среду. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что по степени загрязнения тяжелыми металлами около 60 км2 его территории (12 %) могут быть отнесены к зоне экологического бедствия. Наибольшее число загрязнителей и самое большое их содержание в почвах установлено в центральной части города. Аномальная зона прослеживается в меридиональном направлении почти на 20 км при ширине в 1,5-5 км. Такое распределение загрязнения можно объяснить географическим положением предприятий и движением нагретых воздушных масс в городе (в центре температура выше, чем на окраинах), которые как бы затягивают промышленную пыль с окраин в центр. В почвах Челябинска содержание тяжелых металлов на больших площадях превышает ПДК в 1-25 раз. Особенно интенсивно они загрязнены цинком, свинцом, хромом [24].
Загрязнение почв установлено в шахтерских городах - Копейске, Коркино, Еманжелинске и Пласте. Если в первых загрязнение связано с добычей и обогащением угля, влиянием челябинских предприятий, то Пласт обязан своим загрязнением добыче и переработке мышьяковых руд. Обжиговый завод, работающий в южной части города, выбрасывает в атмосферу оксид мышьяка (арсенолит), поэтому в зоне влияния завода (до 1 км) содержание мышьяка в почвах превышает ПДК в сотни раз, а далее - в десятки раз, цинка 3-30 ПДК и меди 2-4 ПДК [1].
Особо следует выделить загрязнение городов ртутью. Ртуть также, в экологическом смысле, относится к группе тяжелых металлов, но природа ее такова, что распределение ртути по площади, а часто и источники ее весьма трудно контролировать. Основными техногенными источниками ртути являются металлургия и цементные производства. Много ртути выделяется при сжигании различных видов топлива. Как отмечает З. Фурсов [28], долгое время занимающийся геохимией этого элемента, «ртуть и разные ее соединения находятся между собой в динамическом равновесии, которое может смещаться в ту или другую сторону за счет изменения солнечного излучения, температуры, химизма и других факторов...». Очень важен вывод, сделанный этим исследователем о том, что «с ростом загрязнения увеличиваются температура, ассортимент и концентрация газовых и аэрозольных (пылевых) компонентов в атмосфере, воде и почве, что может привести к существенному усилению выхода паров ртути с земной поверхности в атмосферу». Другими словами, чем больше мы загрязняем окружающую среду, тем больше паров ртути в ней накапливается.
На территории области высокие содержания паров ртути в приземном слое воздуха и почве установлены для Карабаша и Челябинска. В Карабаше обширная ртутная аномалия занимает едва ли не половину площади города.
На территории Челябинска небольшие по интенсивности аномалии ртути установлены и в центральной части города, и на севере. Они не связаны в большинстве случаев с каким-то производством, а скорее зависят от интенсивности работы транспорта и котельных установок [18, 19].
В состав загрязняющих веществ, выброшены в атмосферу в Челябинской области, входят ингредиенты первого и второго классов опасности - бенз(а)пирен, пятиокись ванадия, свинец, никель металлический, ртуть металлическая, хром шестивалентный, марганец и т.д. По данным государственного статистического учета в Челябинской области за 2009 год образовано 69,9 млн. тонн отходов I-IV классов опасности, из этого количества предприятиями использовано и обезврежено 34 % [19].
Ежегодно выбросы специфических загрязняющих веществ от предприятий Челябинской области составляют 750-800 тонн, из них свинца - 144 тонны, хрома - 222 тонны, никеля - 180 тонн, ванадия - 88 тонн, меди - 95 тонн, мышьяка - 151 тонна и т.д. Все они накапливаются в почве и создают неблагоприятную экологическую обстановку.
Природная геохимия Челябинской области также оказывает влияние на состояние почвы. Например, для свинцово-цинковых месторождений присуще повышенное содержание в почве цинка, мышьяка, серебра, меди и олова, для шеелитовых месторождений в скарнах - вольфрама, молибдена, свинца, цинка и т. д. В районах месторождения марганца (у г. Сатка, севернее Челябинска и южнее Магнитогорска) его содержание в почвах в 2-3 раза превышает фоновые показатели, достигая в отдельных пунктах 1650-1680 мг на 1 кг почвы.
С месторождением серпантинов в районе Миасса связано повышенное содержание в почвах никеля (до 1500 мг/кг) и хрома (до 3000 мг/кг). Высокая концентрация никеля в почвах в районе Верхнего Уфалея (около 760 мг/кг, что в десятки раз больше ПДК) также связана с геохимическими особенностями территории [19].
География загрязнения почв марганцем на территории Челябинской области в большой степени зависит от расположения предприятий черной металлургии. Такие гиганты как Челябинский металлургический, электрометаллургический и трубопрокатный заводы, Магнитогорский металлургический комбинат за год выбрасывают в атмосферу более 900 тонн марганцевой пыли, загрязняя окружающие территории марганцем
.3 Объекты исследований
.3.1 Район г. Карабаша
Город Карабаш располагается в центре Евроазиатского континента в восточных предгорьях Южного Урала. Климат Карабаша - умеренно-континентальный. На формирование его оказывает Уральский хребет, являющийся естественной преградой господствующему переносу воздушных масс, и Западно Сибирская равнина, полностью открытая для вторжения холодных масс воздуха Арктики. Благодаря влиянию хребта, осадков в Карабаше выпадает меньше, чем на этой же широте и в таком же удалении в западных предгорьях.
Климат города характеризуется холодной зимой и достаточно теплым летом. Безморозный период составляет 95 дней. По количеству осадков район относится к зоне достаточного увлажнения. При среднегодовом количестве осадков 430 мм в отдельные годы, в зависимости от атмосферной циркуляции, количество осадков может значительно отличаться от многолетнего. С октября по март преобладают обложные осадки в виде снега.
Город Карабаш и его окрестности входят в горно-лесную зону, а именно в озерно-лесную подзону сосново-лиственных пород.
Горно-лесная зона занимает северо-западную часть территории области. Общая площадь этой зоны составляет 21000 км2. Зона характеризуется наличием горного рельефа, высокой степенью лесистости, большим количеством осадков при недостатке тепла, преобладанием серых лесных почв и оподзоленных черноземов, ограниченных условиями для земледелия, ввиду неблагоприятных погодных условий.
Почвообразовательный процесс на территории области складывался различно, чему способствовали неодинаковые геологические, климатические и биологические условия. На процесс подзолообразования в горно-лесной зоне большое влияние оказывают свойства материнских пород. В г. Карабаше и прилегающих к нему территориях значительные площади занимают темно-серые лесные почвы [24].
Серые лесные почвы по совокупности морфологических признаков и свойств занимают переходное положение от дерново-подзолистых почв южно-таежной подзоны к черноземным почвам лесостепи. Они характеризуются большей гумусированностью по сравнению с дерново-подзолистыми почвами при наличии признаков и свойств, обусловленных проявлением подзолистого процесса, хотя и в более ослабленной форме, чем в почвах южно-таежной подзоны [4, 9].
По содержанию гумуса в аккумулятивном горизонте серые лесные почвы классифицируются тремя подтипами: светло-серые лесные - с содержанием гумуса менее 3 %, серые лесные - 3-5 %, темно-серые лесные - более 5 %. Процесс почвообразования в горно-лесной зоне и северной лесостепи Челябинской области сложился таким образом, что в составе пахотных земель встречаются в основном почвы с содержанием гумуса более 3 %, то есть они относятся к разновидностям серых и темно-серых лесных. Наиболее гумусированными при мощности перегнойного горизонта 24-35 см являются темно-серые лесные оподзоленные почвы, которые распространяются на открытых участках водоразделов. Серые лесные оподзоленные почвы в горно-лесной зоне залегают преимущественно на водораздельных склонах, ранее занятых лиственными и хвойно-лиственными лесами [19]. В северной лесостепной зоне серые лесные оподзоленные почвы приурочены к надпойменным террасам, зачастую с неоднородным и облегченным механическим составом почвообразующих и подстилающих пород.
Отличительной особенностью темно-серых горно-лесных оподзоленных почв является тяжелосуглинистый и глинистый механический состав (таблица 5). Пахотный слой этих почв характеризуется как иловато-крупнопылеватая легкая глина. В других генетических горизонтах гранулометрический состав несколько меняется, но почвенный профиль по этому показателю дифференцирован слабо и все подпахотные горизонты относятся к крупнопылевато-иловой средней глине [18].
Горные серые лесные оподзоленные почвы имеют, как правило, неоднородный по механическому составу почвенный профиль в силу развития подзолистого процесса и связанных с ним элювиально-иллювиальных процессов, а также неоднородности гранулометрического состава почвообразующих и подстилающих пород.
Таблица 5 - Гранулометрический состав серых лесных оподзоленных почв (по данным мониторинга, Козаченко 2001 год)
Почва, местоположениеГенетический горизонтМощность горизонта, смСодержание, % при размере фракций, мм1 - 0,250,25- 0,050,05- 0,010,01- 0,0050,005- 0,001менее 0,001менее 0,01123456789108. Горно-лесная тёмно-серая оподзоленная, Нязепет-ровский районАп А2В ВА2 В ВС0-26 26-38 38-56 56-88 88-1096,2 5,6 5,6 5,4 4,411,1 7,6 8,1 7,6 11,529,2 22,1 20,9 19,2 22,218,8 16,3 14,0 17,0 9,017,3 14,3 10,6 8,9 11,617,4 34,1 40,8 42,8 41,153,5 64,7 65,4 68,7 61,929.Темно-серая горно-лесная, Катав-Ивановский районАп ВА2 В ВС С0-23 23-47 47-85 85-114 114-15010,2 11,4 12,2 9,3 6,44,6 2,6 2,9 1,6 1,028,0 20,9 19,2 14,3 15,515,8 12,7 4,9 11,2 10,025,4 22,9 17,5 18,6 23,616,0 29,5 43,3 45,0 43,452,2 65,1 65,6 74,8 77,07. Серая горно-лесная оподзоленная, Нязепетровский районАп В ВС СД Д0-26 26-42 242-60 60-72 72-1151,2 2,5 3,9 10,6 56,210,4 27,5 25,3 34,7 20,135,6 17,9 25,3 25,2 11,920,0 12,5 14,1 11,0 4,718,3 16,6 11,7 5,1 3,214,5 33,0 19,7 13,4 3,952,8 52,1 45,5 29,5 11,812. Серая лесная оподзоленная, Красноармейский районАп ВА2 В1 В2 ВС С0-31 31-40 40-61 61-77 77-119 119-16035,1 47,7 35,3 37,8 56,6 32,231,8 20,9 34,4 38,7 30,1 49,38,3 7,4 2,6 0,8 1,6 2,05,8 12,1 14,1 5,2 1,5 5,87,1 4,0 8,5 1,2 1,0 0,811,9 7,9 5,1 16,3 9,2 9,824,8 24,0 27,7 22,7 11,7 16,4
Сведения о физико-химических свойствах свидетельствуют о том, что даже у темно-серых лесных почв происходит оподзоливание. Для них характерна прежде всего высокая гидролитическая кислотность (Нг).
Светло-серые лесные почвы формировались при достаточно сильном воздействии подзолистого процесса и сравнительно слабого влиянии гумусоаккумулятивного процесса, поэтому в верхних горизонтах они имеют кислую реакцию среды, не насыщены основаниями (V = 70 - 80 %). Ёмкость поглощения в гумусовом горизонте составляет 14-18 мг-экв./100 г почвы и возрастает в иллювиальном горизонте в связи с обогащением его илистой фракцией.
Подтип серых лесных почв также характеризуется кислой реакцией и некоторой ненасыщенностью основаниями. Ёмкость поглощения в горизонте А1 колеблется в пределах от 18 до 30 мг-экв./100 г, а насыщенность основаниями составляет 70-80 %. Гидролитическая кислотность у типа серых лесных почв обычно около 5 мг-экв. на 100 г навески.
Более благоприятные физико-химические свойства у тёмно-серых лесных почв. Ёмкость поглощения колеблется в пределах 20-45 мг-экв./100 г, насыщенность основаниями ППК достаточно высокая - 80-90 %, а гидролитическая кислотность обычно 2-5 мг-экв./100 г почвы [19].
Агрохимические данные (таблица 6) указывают на достаточно высокий уровень плодородия горных темно-серых лесных почв Челябинской области. В соответствии с классификацией Л.A. Гришиной и Д.С. Орлова [12, 44] темно-серые горно-лесные почвы относятся к группе средне- и высокообеспеченных органическим веществом, так как его содержание превышает 6 %, а запас в метровом слое более 400 т/га.
В пахотном слое темно-серых горно-лесных оподзоленных почв содержится 0,287-0,315 % азота. Однако 95-97 % его количества находится в органической, недоступной для микроорганизмов и, следовательно, для растений форме. Только 2,8-5,2 % валового содержания азота входит в состав легкогидролизуемых соединений, которые могут быть быстро минерализованы почвенной микрофлорой и являются ближайшим резервом азотного питания сельскохозяйственных культур.
Серые горно-лесные оподзоленные почвы, за редким исключением, хорошо обеспечены обменным калием, на который приходится 0,45-1,09 % емкости поглощения почвенного поглощающего комплекса. Содержание наиболее доступных растениям подвижных фракций колеблется от 78 до 133 мг/г (по Масловой), чаще всего бывает достаточным для нормального уровня калийного питания растений. Однако площади пахотных почв с высокими классами обеспеченности калием постепенно снижаются.
МестонахождениеГенетический горизонтМощность горизонта, смГумус общий, %Азотный режим почвыФосфатный режим почвыОбменный K2О по Масловой, мг/кгNобщ, %Nлг, мг/кгРвал, мг/кгР2О5 подв., мг/кгКатав-Ивановский районАп236,380,31586,895019133ВА2242,280,24578,45006103В1381,710,17581,23256113Нязепетровский районАп266,930,27712716259478А2В63,570,2281167003186ВА2333,070,172112-25110В122-0,088108-22130
Иначе обстоит дело с фосфором. Содержание этого элемента составляет 0,095-0,162 %. Содержание подвижных фосфатов находится в большинстве случаев также в дефиците - 6-94 мг Р2О5 на 1 кг почвы, хотя агрохимические обследования выявляют площади серых лесных почв с более высокой обеспеченностью.
.3.2 Почвы города Челябинска
Первые описания почвенного покрова города Челябинска относятся к 1863 году. Принадлежат они Орлову А.В.: «почвы городской земли черноземные, а местами глинисто-черноземные, верхний слой ее покрыт тонко песком разной породы, это видно из того, что при отражении солнечных лучей на землю, некоторые песчинки отбрасывают серебристый видно в дождливое время вся почва превращается в чернозем. Верхний слой песка называют слюдой. В самом городе почва влажная и мягкая, что конечно для него не находка, потому что в это время маленького ненастья, не говоря уже о весне или осени, грязь нестерпимая [22].
За последние 140 лет, минувших со времени вышеприведенного описания, Челябинск из тихой слободы превратился в огромный город, территория которого имеет форму овала, вытянутого с севера на юг более чем на 37 км, и с востока на запад на 20 км, с общей площадью в административных границах 49481 га, где первичный почвенный покров сохранился фрагментарно на поверхности под группировками естественной растительности и под слоем насыпных техногенных грунтов в местах не очень плотной городской застройки.
Земли города Челябинска распределены по категориям [46]:
- земли населенных пунктов 14392 га (29,1 % от общей площади города);
- земли промышленности 11581 га (23,4 % от общей площади города);
земли водного фонда 10354 га (20,9 % от общей площади города);
- земли сельскохозяйственного назначения 8564 га (17,3 % от общей площади города);
- земли государственного лесного фонда 3833 га (7,8 % от общей площади города);
земли запаса 757 га (1,5 % от общей площади города).
В свою очередь почвы Челябинска в зависимости от степени и качества антропогенного воздействия можно разделить на группы:
- почвы селитебной и промышленной зон, характеризующиеся наиболее высоким техногенным загрязнением, практически не сохранившие естественного строения;
- почвы рекреационной зоны, парков и лесопарков, наиболее близкие по свойствам и плодородию к природному типу;
- почвы сельскохозяйственного назначения (хозяйство «Чуриловское», коллективные сады, приусадебные участки), плодородие которых регулируется в процессе эксплуатации (внесением органических и минеральных удобрений, мелиорацией, коррекцией pH и тому подобными методами).
Почвы селитебной зоны содержат большое количество строительного мусора, имеющего в основном щелочную реакцию (известь, цемент, бетон).
Плодородный гумусовый слой удаляется или перекапывается при строительстве. Температура почвы летом достигает 34-37 °С на глубине 20 см и 50-55 °С под самым асфальтом и в приствольных лунках у деревьев. Годовой перепад температуры в корнеобитаемом слое 40-50 °С (в естественных условиях средних широт 20-25 °С). Хотя над городом выпадает на 10-15 % больше осадков, чем в среднем по зоне, большая часть воды стекает в канализационную сеть. Поэтому влажность почвы и воздуха снижена, угнетены грибы и микроорганизмы, отвечающие за минерализацию и конденсацию органического вещества. В тоже время сточные воды оказываются сильно загрязнены [37].
Степень загрязнения территории Челябинска тяжелыми металлами свидетельствует о серьезности экологической ситуации в городе. На сегодняшний день лишь 0,1 %) городских земель можно считать относительно «чистыми», 73,9 % имеют опасный, а 26 %чрезвычайно опасный уровень загрязнения. К последней категории относятся промзоны таких предприятий, как ОАО «Мечел», ЧЭМК, ЧТЗ, ЧТПЗ, ЧКПЗ, «Станкомаш», Сигнал, АМЗ, все ТЭЦ.
Основными загрязнителями почв являются цинк, свинец, кобальт, кадмий, никель и медь. В ряде территорий содержание в земле цинка в 15-25 раз превышает предельно допустимую концентрацию, а свинца - в 12-78 раз. Повышенный уровень содержания свинца зафиксирован вдоль основных транспортных магистралей и по долине реки Миасс, что связано с эксплуатацией автотранспорта, работающего на этилированном бензине.
Одной из причин высокого биологического загрязнения почв в городе является нарушение в системе плановой очистки территории от бытового мусора, неудовлетворительное состояние канализационных сетей, наличие стихийных свалок бытового мусора, отсутствие площадок для выгула собак, в качестве которых используются дворовые территории, парки, скверы, детские площадки
Городские почвы практически стерильны на глубине до 1 метра. В таких условиях гумусовый слой не восстанавливается, поэтому при озеленении жилых районов города создают искусственный плодородный слой. Зачастую для этого используют верхний слой почв, снятый при строительстве, что отнюдь не является наилучшим решением проблемы. Поскольку не учитываются реально существующие потребности почв в элементах питания.
На большей части территории промышленных площадок и санитарно-защитных зон строение почв не нарушается, но для них характерно чрезвычайно опасное загрязнение тяжелыми металлами в результате осаждения из атмосферы выбросов промышленных предприятий, просачивания загрязняющих веществ с грунтовыми водами. Содержание основных загрязнителей (свинца, кадмия, цинка) в поверхностном слое (0-10 см) даже у дерново-подзолистых почв рекреационной зоны на 50-100 % выше, чем в нижележащем слое (10-20 см). В почвах сельскохозяйственного назначения, подвергающихся техногенному загрязнению, в результате регулярной перекопки и распашки, загрязняющие вещества относительно равномерно распределяются в корнеобитаемом слое. Повышение концентрации загрязняющих веществ по данным ЧелябинскНИИГипрозема, наблюдается до глубины 50 см.
Снижение плодородия и загрязнение почв негативно отражается на состоянии зеленых насаждений, поэтому для озеленения городских территорий рекомендуется использовать наиболее устойчивые к техногенному загрязнению виды (тополь канадский, ива белая, кизильник, сирень и т.д.) [37].
Для проведения исследовательской работы в Челябинске были отобраны образцы из различных районов города. Отбирались как смешенные образцы, так и пробы из разрезов в 6-ти районах города:
. Советском районе (ул. Блюхера, район областной больницы, напротив автозаправки «Мост»);
. Калининском районе (ул. 40 лет Победы, возле дома 18);
. Металлургическом районе (пересечение ул. Жукова и ул. Богдана Хмельницкого, возле кинотеатра «Россия»);
. Тракторозаводскомрайоне (пересечение ул. Хохрякова с ул. Чоппа);
. Центральном районе (Городской сад имени Пушкина);
. Ленинском районе (пересечение ул. Дзержинского с ул. Гагарина), здесь были отобраны 2 пробы: 1-ая - верхний слой, снятый и готовый для транспортировки, 2-ая - привезенная на место первой почвы.
Физические свойства урбаноземов города Челябинска
Гранулометрический состав почвы - важный показатель, который определяет продуктивность городской почвы, степень ее фильтрационной и водоудерживающей способности.
Лучшими физическими, физико-механическими свойствами обладает суглинистая почва, хотя оптимальный механический состав для различных сельскохозяйственных культур не одинаков. Легкие по механическому составу почвы хорошо аэрируются, но обладают малой водоудерживающей способностью, хуже противостоят засухе, водной эрозии и дефляции.
Важный фактор - содержание мелкозема, он определяет степень влагоемкости и поглотительной способности почвы. Для городских экосистем характерно привнесение в почву песка и гравия, используемого в градостроительстве поэтому почвы характеризуются высокой щебнистостью, сильной каменистостью, содержание камней составляет около 20-36 % от массы почвы (таблица 7). Высокая каменистость обусловлена привнесением в почву песка и гравия при градостроительстве в виде строительного материала, промышленных отходов, механических загрязнителей.
Таблица 7 - Гранулометрический состав почвы Калининского района г. Челябинска, в процентах
№МелкоземГравийЩебеньКамниКаменистость138,8937,038,1315,81Сильнокаменистая226,9231,819,5523,20Сильнокаменистая347,1022,1458,4922,16Сильнокаменистая456,8414,646,2421,42Сильнокаменистая551,0821,226,0520,68Сильнокаменистая658,2831,052,725,85Сильнокаменистая752,2029,514,565,44Сильнокаменистая855,9924,024,376,2Сильнокаменистая938,2248,695,117,77Сильнокаменистая1034,8847,236,969,43Сильнокаменистая1129,9549,337,6712,37Сильнокаменистая1226,4651,387,6617,79Сильнокаменистая
В связи с этим можно предположить, что в условиях интенсивных механических нагрузок на верхний слой урбаноземов биохимические процессы в нем приводят к усилению процессов выветривания первичных минералов, синтезу вторичных глинистых минералов и накоплению их в почвенном профиле.
Большое значение имеет соотношение песчаных, пылеватых и илистых частиц, поскольку в пылеватой и илистой фракции содержится больше элементов питания. Эти фракции также максимально сорбируют загрязнители техногенного характера.
Урбаноземы Челябинска, как показатели исследования, характеризуются достаточно высоким содержанием пылеватой фракции (таблица 8), то есть частиц размером 0,01-0,001 мм и менее.
Таблица8 - Гранулометрический состав урбаноземов города Челябинска
Номер и расположение разрезаГлубина взятия образца, смСодержание физического песка, %Содержание глины, %Содержание пыли, %Содержание физической глины, %НазваниепочвыТракторозаводской район0-205918,222,841Суглиноксредний20-405331,815,247Суглиноктяжелый40-605331,815,247СуглиноктяжелыйМеталлургический район0-206529,55,535Суглиноксредний20-405225,023,048Суглиноктяжелый40-604454,51,556СуглиноктяжелыйКалининский район0-206222,715,338Суглиноксредний20-406427,28,335Суглиноксредний40-605738,64,443СуглиноксреднийЛенинский район0-206222,715,338Суглиноксредний20-406822,79,332Суглиноксредний40-606335,61,437Суглинок средний
Химические свойства урбаноземов г. Челябинска
Урбаноземы города Челябинска были проанализированы по следующим показателям: pH водной вытяжки; содержание гумуса; содержание подвижных форм фосфора, нитратного азота и аммонийного (таблица 9).
Гумус - аморфное органическое вещество, которое синтезируется в почве в результате микробиологического и физико-химического преобразования органических соединений растительного и животного происхождения. По составу гумус является темноокрашенным азотосодержащим органическим веществом почвы, образовавшимся при разложении и гумификации органических остатков. Поэтому содержание гумуса является важным показателем плодородия, также гумус составляет от 80 до 90 % находящегося в почве органического вещества.
В состав органического вещества почвы входят гумусовые вещества, составляющие главную и специфическую часть гумуса, а также негумифицированные вещества, органические остатки и продукты их распада [22].
Содержание гумуса - один из главных критериев при оценке почвы: чем больше гумуса в почве, тем выше бонитет почвы. Из данных, приведенных в таблице 9 видно, что в Тракторозаводском районе содержание гумуса низкое. С глубиной оно постепенно уменьшается от 2,20 до 1,22, такая стратиграфия характерна для черноземных и лугово-черноземных почв.
Таблица 9 - Характеристика урбанозёмов г. Челябинска
Район городаСлой почвы, смСвойства почвгумус, %pHN-NO3, мг/кгN - 1 NH4, мг/кгP2O5 подвижная форма, мг/кгТракторозаводской район0-202,208,5518,060,18538,820-401,277,9013,550,08207,740-601,228,207,910,28426,1Металлургический район0-205,557,4051,900,881350,520-402,627,8592,640,47491,040-602,028,1511,280,15278,4Калининский район0-202,047,7022,590,11108,320-402,047,1010,170,39172,840-605,466,8029,340,48109,5Ленинский район0-204,807,90101,610,36148,720-406,237,65305,050,12192,040-604,747,9060,930,53226,4
Аналогичная картина наблюдается в разрезе №2, расположенном в Металлургическом районе. Однако, содержание гумуса здесь соответствует среднему уровню и составляет в слое 0-20 см 5,55 %, являясь благоприятным условием для произрастания разнотравно-луговой растительности.
В разрезе № 3, расположенном в Калининском районе наблюдается нехарактерное для природных почв Челябинска профильное распределение гумуса. Скорее всего, это свидетельствует о наличии погребенных почв в профиле. Так содержание гумуса с глубиной увеличивается от 2,04 % в слое 0-40 см до 5,46 % в слое 40-60 см, и соответствует низкому уровню данного показателя.
Схожая ситуация отмечена в Ленинском районе, здесь погребенная почва находится в слое ниже 20 см, поскольку в верхнем слое содержание гумуса составляет 4,8 % (средний уровень), тогда как в слое 20-40 см оно увеличивается до 6,23 %. Далее содержание гумуса уменьшается и в слое 40-60 см составляет 4,74 %.
Таким образом, следует отметить, что содержание гумуса в исследуемых разрезах варьирует как по глубине, так и по районам исследования. А среднее его значение соответствует низкому уровню данного показателя.
Реакция почвенной среды - рН (актуальная кислотность почвы) определяет подвижность тех или иных элементов, сохранность органического вещества. Во многих случаях данные о рН важны для выбора дальнейшего пути рекультивации почвы.
Наблюдается изменение значения pH водной вытяжки по профилю. Так, в Тракторозаводском районе наблюдается сильнощелочная реакция в верхнем слое, с глубиной она падает. Также pH варьирует по районам отбора проб.
Урбаноземы Челябинска, как показали исследования, характеризуются достаточно высоким содержанием пылеватой фракции (таблица8) то есть частиц размером 0,001 мм и менее.
Элементы питания - это, прежде всего, азот и фосфор, которые находятся в почве в усвояемых и неусвояемых для растений формах. Способность почвы обеспечивать растения элементами питания зависит от содержания подвижных (доступных растению) форм азота и фосфора. Доступность, или усвояемость, тех или иных соединений питательных веществ зависит от обеспеченности почвы водой и воздухом, форм соединений, содержания этих и других элементов [3, 39].
Оценку содержания подвижного фосфора в почвах г. Челябинска можно сделать по данным таблицы 10, которые свидетельствуют, что содержание подвижных форм фосфора сильно варьирует как по профилю, так и по районам города. Выявлены две повышенные аномалии содержания фосфора в Тракторозаводском районе - 53,88 мг/100 г почвы и в Металлургическом районе - 135,05 мг/100 г почвы
Таблица 10 - Содержание подвижного фосфора в почвах г. Челябинска
Номер место расположения разрезаГлубина взятия образца, смР2О5 мг/кгТракторозаводской район0-2053,8820-4020,7740-6042,61Металлургический район0-20135,0520-4049,1040-6027,84Калининский район0-2010,8340-6017,2820-4010,95Ленинский район0 -2014,8720-4019,2040-6022,64
Следовательно, обеспеченность подвижным фосфором и урбаноземов г. Челябинска изменяется от средней до высокой.
Содержание аммонийного и нитратного азота в почве весьма динамично и во многом зависит от микробиологической деятельности. Поэтому судить об обеспеченности почв азотом по единому определению сложно и не всегда корректно, лишь повторные определения в течение вегетационного периода дают представление об азотном режиме почвы. Этим объясняется то, что показатели обеспеченности почв по данным определения аммиачного и нитратного азота либо отсутствуют, либо недостаточны для составления группировок обеспеченности почв этим элементом, в частности для почв Южного Урала [29].
По степени обеспеченности нитратным азотом (классификация Кочергина А. Е.) содержание нитратного азота в урбаноземах Челябинска можно отнести к очень высокому уровню во всех исследуемых образцах (таблица 11). В Ленинском районе отмечена сравнительно высокая аномалия содержания нитратного азота (101,61-305,05 мг/100 г) в слое 0-40 см.
Таблица11 - Содержание аммонийного и нитратного азота в урбаноземах г. Челябинска
Номер место расположения разрезаГлубина взятия образца, смСодержание, мг/100 г почвыN аммонийныйNО3N нитратныйТракторозаводской район0-200,1879,9218,0620-400,0859,9713,5540-600,27835,027,91Металлургический район0-200,885229,6751,9020-400,471409,9192,6440-600,14849,9311,28Калининский район0-200,11299,9522,5920-400,38744,9810,1740-600,479129,8329,34Ленинский район0-200,358449,58101,6120-400,1251349,78305,0540-600,533269,6260,93
Содержание аммонийного азота в урбаноземахг. Челябинска варьируют в широких пределах от 0,08 (Тракторозаводской район) до 0,885 (Металлургический район) мг/100 г почвы. Наибольшая обеспеченность аммонийным азотом характерна для почв Металлургического района.
Таким образом, для урбаноземов Челябинска характерно очень высокое и повышенное содержание аммонийных и нитратных форм азота. Однако поскольку содержание азота в почве является динамичным показателем, полученная характеристика азотного состояния урбаноземов одномоментная (отражает состояние на момент отбора проб).
.3.3 Почвы пригорода Челябинска (на примере учхоза ЧГАУи СХП «Каштакское»)
Поля СХП «Каштакское» и учхоза ЧГАУ прилегают к северной части городской черты Челябинска. Почвы, преимущественно выщелоченные чернозёмы. Их физические, физико-химические и химические свойства показаны в таблице 12.
В пахотном слое и горизонте АВ на полях учхоза среднесуглинистый, в СХП «Каштакское» тяжелосуглинистый состав. Актуальная кислотность в Апах и АВ учхоза близка к нейтральной, в СХП - имеет среднюю и слабокислую реакцию. Гидролитическая кислотность (Нг) колеблется в пределах 1,78-2,46 мг×экв на 100 г почвы, степень насыщенности основаниями составляет 83-94 %.
Поле севооборота, площадь, гаГенетический горизонт, глубина взятия образца, смГранулометрический состав, размер частиц, ммрНвытяжкиНг, мг-экв на 100 г почвыОбменные основания, мг-экв на 100 г почвы<0,01<0,001водн.сол.Са2+Mg2+Учхоз ЧГАУIiзп-1Ап, 0-2341,921,76,865,902,4618,410,6АВ, 23-3241,318,77,065,982,2117,710,8В1, 32-6232,216,37,436,390,817,57,4Iiзп-2Ап, 0-2842,518,36,445,514,8217,57,2АВ, 28-4042,419,56,695,622,7417,86,9В1 40-6847,725,07,085,861,1515,77,1СХП «Каштакское»V-3,130Ап, 0-3854,826,37,056,141,7822,95,8АВ, 38-5955,530,86,835,722,5720,55,0В1, 59-7256,428,77,236,500,8022,04,2V-0,26Ап, 0-3550,229,26,285,406,9723,210,0В1, 35-8053,327,87,446,780,6021,212,3
Чернозёмы учхоза и СХП «Каштакское» имеют различия по степени гумусированности (таблица 13). В пахотном горизонте СХП содержится 7,42 %, тогда как в чернозёме учхоза - 6,20 %.
Таблица 13 - Агрохимическая характеристика выщелоченных чернозёмов учхоза ЧГАУ и СХП «Каштакское» [34]
Поле севооборо-Генетический горизонт, Содержание, %Содержание подвижных элементов, мг/кг почвыта, площадь, гаГлубина взятия образца, смгумусазотNjiгР2О5К2ОУчхоз ЧГАУIiзп-1Ап, 0-236,200,2670,6120105АВ, 23- 324,820,2565,511895В1, 32-620,870,0545,512,125Iiзп-2Ап, 0-287,970,3593,6357500АВ, 28- 404,620,2064,260130В1, 40-681,420,0844,14980СХП «Каштакское»V-3,130Ап, 0-387,420,2968,284145АВ, 38- 592,560,1257,51970В1, 59-720.920,0858,81860V-0,26Ап, 0-353,190,32117,029175В1, 35-802,410,1169,81075
Концентрация валового азота и содержание легкогидролизуемой фракции азота в почвах учхоза коррелируют с содержанием гумуса и находится в таком же соотношении, как у природных аналогов чернозёма. Содержание подвижного фосфора в пахотном слое чернозёма второй площадки почти в 6 раз больше, чем в подпахотном горизонте АВ, и в 3 раза по сравнению с аналогичным слоем первой опытной площадки. Такая же картина наблюдается с обменным калием.
Нетипичную высокую обеспеченность фосфором и калием чернозём учхоза ЧГАУ можно объяснить действием чрезвычайно высоких доз калийных и фосфорных удобрений.
Чернозёмы СХП «Каштакское» гумуса содержат от 13,19 (поле V-0) до 7,42 % (поле V-3), а азота - 0,32 % и 0,29 %. Причина такого азотно-гумусного состояния - несбалансированное применение азотных удобрений, которое привело к чрезвычайному насыщению органического вещества почвы азотом к усилению минерализации органического вещества, в том числе гумуса.
загрязнение почва тяжёлый металл
3. Элементарный состав и степень загрязнения почв Челябинской области тяжелыми металлами
Тяжелыми металлами называют элементы с атомной массой свыше 50 и плотностью более 8 г/см3. К ним относят такие элементы как Cr, Mn, Co, Ni, Pb, Cd, V, Cu и нетипичные металлические элементы Hg, As.
Многие химические элементы в почвах содержатся в микроколичествах, они составляют группу микроэлементов. К ним относятся марганец, молибден, медь, цинк, кобальт, никель, ванадий и другие. Наиболее полные данные по содержанию микроэлементов в почвах Мира приведены в трудах академика А. П. Виноградова [8] (таблица 14).
Таблица 14 - Содержание микроэлементов в почвах Мира
ЭлементыСодержание, мг/кгЭлементыСодержание, мг/кгCr200,0Cu20,00Mn850,0Zn50,00Co5,0V100,00Ni40,0Mo2,00Cd0,5Sn10,00Pb10,0Hg0,01
Количество микроэлементов в почвах определяется, прежде всего, их содержанием в исходной почвообразующей породе и влиянием почвообразовательного процесса на их дальнейшее перераспределение. Установлено наличие тесной связи между содержанием микроэлементов в почвах и состоянием и урожайностью растений, продуктивностью животных и здоровьем человека.
В связи с особенностями состава почвообразующих пород, наличием различных рудных месторождений существуют территории с резко недостаточным и избыточным содержанием микроэлементов. Это так называемые биогеохимические природные аномалии. Для зоны Урала характерна природная гетерогенная среда. Это обусловлено тем, что в палеозое Уральская складчатая область была ареной вулканизма и местом накопления мощных осадочных пород. Степень неоднородности материнских пород по составу тяжелых металлов, широкая протяженность аномальных зон с концентрациями элементов, часто превышающими ПДН, позволили обосновать наличие Южно-Уральского субрегиона с повышенным фоном тяжелых металлов. Вследствие недостатка или избытка некоторых элементов получают распространение различного рода нарушения нормального обмена веществ у растений, животных и человека, развиваются специфические заболевания - эндемии [14]. Помимо отмеченных природных факторов формирования территорий с аномальным содержанием микроэлементов, их образование может быть связано с региональным и локальным техногенным загрязнением. Главными источниками поступления техногенных элементов (кадмия, хрома, меди, марганца и др.) в почву являются остатки от сжигаемого угля и химические средства защиты растений и животных. Городские свалки и сточные воды загрязняют почву медью, свинцом, цинком, ртутью, кадмием, ванадием. Значительная доля тяжелых металлов поступает с удобрениями. Сельскохозяйственный техногенный фон изменяется в зависимости от химизации и направления использования почв [45].
Выбросы предприятий цветной металлургии содержат до 10-20 химических элементов, вокруг них образуются локальные геохимические аномалии с сильным загрязнением почв ванадием, вольфрамом, кадмием, кобальтом, медью, молибденом, никелем, хромом и другими элементами. Уровень промышленного загрязнения определяется мощностью предприятий - загрязнителей, продолжительность их действий и системой очистных сооружений. Зона существенного загрязнения почв химическими элементами в окрестностях промышленных предприятий занимает территорию с радиусом примерно 10 км и гораздо большей протяжённостью - примерно 20-30 км в направлении господствующих ветров. В целом площадь воздействия выбросов промышленных предприятий на почвы может достигать тысячи квадратных километров. В нормальной почве микроэлементы находятся в составе преимущественно минералов, органического вещества и почвенного поглощающего комплекса, а в техногенных выбросах в форме оксидов, сульфидов, карбонатов и даже в виде микроскопических капель металлов. Нормальное распределение микроэлементов, в частности тяжёлых металлов, в почвах характеризуется увеличением их содержания сверху вниз, от поверхности к почвообразующей породе. При техногенном загрязнении, наоборот, максимальное содержание элементов-загрязнителей отмечено в самом поверхностном слое. На целине и в лесу - в слое 0-5 (иногда 10) см, на пашне - в пахотном слое [28, 47].
В настоящее время дискуссионным остаётся вопрос о степени токсичности химических элементов. По ГОСТу 17.4.1.02-84 к первому классу опасности для живых организмов отнесены мышьяк, кадмий, ртуть, цинк, свинец, железо. К классу умеренно опасных химических элементов отнесены кобальт, никель, молибден, медь и хром. В группу малоопасных элементов входят ванадий, вольфрам, марганец. По-видимому, наиболее токсичными следует считать те элементы, содержание которых в живых организмах очень мало, и достаточно небольшого абсолютного увеличения их концентрации, чтобы сделать её опасной для процессов метаболизма. С этой точки зрения особо токсичными будут ртуть, кадмий, кобальт, мышьяк, молибден [48].
Оценка уровня химического загрязнения почвы проводится в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03 (таблица 15)
Таблица 15 - Оценка уровня химического загрязнения почвы
Категории загрязненияСуммарный показатель загрязнения (Zc)Содержание в почвеI класс опасностиII класс опасностиIII класс опасностиорганические соединениянеорганические соединенияорганические соединениянеорганические соединенияорганические соединениянеорганические соединенияЧистая-до ПДКот фона до ПДК(ОДК)от фона до ПДКот фона до ПДК(ОДК)до ПДКдо ПДК (ОДК)Допустимая<16от 1 до 2ПДКот 2 фоновых значений до ПДК(ОДК)От 1 до 2 ПДКот 2 фоновых значений до ПДК(ОДК)От 1 до 2 ПДКот 2 фоновых значений до ПДК (ОДК) Умеренно опасная16-32от 2 до 5ПДКот ПДК до КmахОпасная32-128от 2 до 5ПДКот ПДК до Кmахот 2 до 5пдкот ПДК до Кmах>5ПДК> КmахЧрезвычайно опасная>128>5ПДК> Кmах>5ПДК> Кmах* в соответствии с СанПиН 2.1.7.1287-03
К max- максимальное значение допустимого уровня содержания элемента по одному из четырех показателей вредности (транслокационному, миграционному водному, миграционному воздушному или общесанитарному).
Zc-суммарный показатель загрязнения
.1 Загрязнение почв Карабаша тяжелыми металлами
Город Карабаш является одним из самых загрязненных городов России и старейшим центром цветной металлургии Урала и горнодобывающей промышленности. Интенсивная работа медеплавильного комбината на протяжении десятков лет привела к накоплению в черте города значительных объемов отходов производства в виде шлаковых отвалов, шламо- и хвостохранилищ, пиритных хвостов обогащения, прудов-отстойников. Занимаемые ими площади оцениваются в 2,5 и более квадратных километров при объеме накопленной горной массы более 30 млн. т. Загрязнение почв, воздуха, водных объектов городской территории ближайших окрестностей медью, свинцом, цинком, кадмием, ртутью, мышьяком в десятки раз превышают ПДК. Данная территория по своему физическому состоянию, содержанию гумуса, почвенной биоты, техногенному загрязнению почв, донных осадков токсичными металлами по предварительной оценке Минприроды России отнесена к зоне экологического бедствия [24].
В настоящее время город Карабаш можно рассматривать как типичную для горнозаводского Урала геотехническую систему, включающую в себя как сам комбинат, к и действующую ныне шахту, породные и шлаковые отвалы, старые и новые хвостохранилища. отстойники шахтных вод, подсобные транспортные и теплоэнергетические предприятия. В эту же систему входят и кварталы жилой застройки, где проживает 16,8 тыс. жителей. Средняя плотность населения составляет 11,3 чел/км всего по официальным данным в черте города имеется 3800 га земли. Из них на личные подсобные хозяйства приходится 432 га. Озерами, прудами в черте города занято 282 га, парками, скверами - 252 га. Селитебная зона города располагается на 1206 га, Промзонакомбината, и основные автомагистрали занимают в черте города более 1300 га [46].
3.1.1 Источники загрязнения
В 70-80 годах в воздушный бассейн города ежегодно поступало до 160 тыс. т диоксида серы, 25-30 тыс. т пыли, 5,2 тыс. т цинка, 3,3 тыс.т свинца, 2,4 тыс.т мышьяка, до 1 тыс. т меди. С 1988 г. происходит постепенное снижение выбросов в связи с сокращением производства, однако их объем остается высоким. В 1990 г. например, концентрации свинца в атмосферном воздухе превышали ПДК в 50-120 раз, мышьяка - в 9-28 раз.
Резкое сокращение выбросов от 1988 к 1994 г. способствовало улучшению состояния атмосферы в городе, сокращению поступления загрязняющих веществ атмосферными путями в почвы, воды, растительность. Даже за этот короткий промежуток времени на отдельных оголенных участках наметились признаки появления низших форм растительности, но общего оздоровления экологической ситуации в городе не произошло.
В почвах Карабаша, используемых населением под частные огороды, сады, индивидуальные выгоны, зафиксировано более 10 элементов-загрязнителей, из которых 5 относятся к I классу опасности, 4 - ко II классу и 2 - к III классу опасности. Согласно критериям экологической оценки состояния почв по степени загрязнения ртутью, цинком, свинцом, мышьяком, кадмием, медью подавляющее количество почв города характеризуют зону экологического бедствия.
Загрязнение почв тяжелыми металлами в недопустимых пределах зафиксировано не в отдельных точках, а на значительных площадях, охватывающих промзону, селитебные территории - практически всю площадь города. По отдельным ингредиентам (ртуть, цинк, свинец, мышьяк, медь) ореолы загрязнения выходят за пределы городской черты и попадают на сенокосы, пастбища и другие угодья. Подвижные формы некоторых тяжелых металлов (кадмий, свинец, цинк) также указывают на недопустимо высокий уровень загрязнения почв и продуктов растениеводства [49].
Характеристика Карабашской геотехнической системы
. КМК и его цеха;
. Шахта «Центральная;
. Котельная шахты.
Приоритетная роль в загрязнении всех составляющих природной среды города и его окрестностей принадлежит КМК.
В процессе обогащения получения медного цинкового концентратов, металлургического передела из руд извлекается медь и цинк. В 50-60-х гг. на территории комбината действовал завод по производству мышьяка. Все остальные элементы, за исключением доли, содержащейся в черновой меди и концентратах, поступали в окружающую среду в составе общих дымовых выбросов комбината, хвостов обогащения, шлаков, сточных вод.
За время существования КМК с дымовыми выбросами в атмосферу поступало 12 млн. т. твердых веществ, содержащих различные токсичные элементы и соединения, среди которых преобладают серосодержащие вещества. В пределах городской черты и в долине р. Сак-Элга сформировались отвалы гранулированного литого шлака, пиритные хвосты обогащения, объем которых, по данным КМК на 01.01.90 г. составлял около 21,5 млн. т, а занимаемая ими площадь - более 620 га.
В отходах, по данным комбината, содержание меди составляет до 0,43 %,цинка - до 2,25 %, серы (в хвостах обогащения) - до 33,4 %, железа - до 32 %,селена - до 35 г/т, таллия до 46 г/т, висмута - до 43 г/т, кадмия - до 39 г/т, кремнезема - до 36 %, оксидов магния и алюминия - до 6-7 %, промышленные содержания благородных металлов - золота и серебра. Эти данные позволяют рассматривать некоторые виды отходов комбината как вторичные (техногенные) месторождения минерального сырья, а по набору и содержаниям токсичных элементов (ртути, мышьяка и др.) - как источник повышенной опасности для окружающей среды (таблица 16).
На комбинате существует еще ряд источников неорганизованных выбросов: рудный двор, хвостохранилища [24].
Таблица 16 - Химический состав отходов производства Карабашского медеплавильного комбината
ЭлементЕдиница измеренияШлаки гранулированныеШлаки литыеХвосты обогащения в хвостохранилищах № 1, 2, 3Хвосты обогащения в хвостохранилище № 4Шламы после нейтрализации шахтных водМедь%0,310,430,250,21,2-1,7Цинк%2,231,650,330,42,0-3,0Сера%0,441,133,425,09,0-10,0Железо%32,052,225,415,010,0-16,0Селенг/т6,60,0014 %35,035,0-Теллург/т8,70,0004 %36,046,0-Висмутг/т9,70,0157 %11,043,0-Кадмийг/т2,90,0005 %39,036,0-Германийг/т3,83,391,142,1-Иридийг/т8,54,6---Золотог/т0,050,530,970,95-Сереброг/т3,47,057,394,01-Свинец%0,0690,0860,0650,020,01-0,05
Воздействие хвостов на окружающую природную среду заключается в следующем: ежегодный вынос пыли с поверхности хвостохранилищ составляет 320 тонн. Пыль мелкодисперсная, состав аналогичен составу хвостов. При окислении минералов серы кислородом воздуха в почву и поверхностные источники поступают загрязняющие вещества: сульфаты цинка, меди, железа, свинца, марганца и другие элементы. Скорость окисления вынесенных с поверхности частиц не определена и зависит от погодных условий, но она значительно выше скорости окисления аналогичных по составу хвостов, находящихся в хвостохранилищах [24, 49].
.1.2 Оценка загрязнения тяжелыми металлами
Эволюция почвенного покрова зависит как от характера антропогенных воздействий, так и от особенностей природных свойств экосистем, их устойчивости к различным видам нагрузок и способности к восстановлению. Она носит глобальный характер с существующей перестройкой многих закономерностей распределения почв и структур как планеты в целом, так и отдельных регионов. Ярко проявляющаяся региональная специфика антропогенных преобразований может быть изучена только при сочетании общих фундаментальных подходов с конкретными дифференцированными.
В настоящее время необходимо получение информации о предельно допустимых антропогенных нагрузок на экосистемы, почвенно-растительный покров с целью сохранения их генофонда, качества жизни для человека, прежде всего следует дать определение понятию «нормирование».
По мнению Важенина И.Г. под нормированием следует понимать такую антропогенную нагрузку, которая при длительном (многолетием) воздействии на почву не вызывает каких-либо патологических изменений в почвенной биоте, в свойствах ее абиотической части, особенно в почвенном поглощающем комплексе [2].
Нормирование содержания, в частности, металлов в почвах предусматривает установление их предельно допустимых количеств (ПДК). Под ПДК тяжелых металлов следует понимать такие их концентрации, которые при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не вызывает каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических почвенных процессов, а также не приводят к накоплению токсичных элементов сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не могут нарушить биологический оптимум для животных и человека.
Различают следующие виды экологического нормирования: ландшафтное, биотическое, почвенное.
Нормирование содержания любого ингредиента для почвенно-растительного покрова встречает огромные трудности в связи с тем, что в отличие от сравнительно гомогенных водной и воздушной сред, биота, почва, ландшафт являются гетерогенными компонентами биосферы в пространстве и во времени [25, 30].
Загрязнители можно разбить на четыре группы: почвохимически активные, биохимически активные, загрязнители, сочетающие в себе признаки обеих групп, и индифферентные.
В первую группу почвохимически активных загрязнителей включены вещества (оксиды щелочноземельных катионов, минеральные кислоты, щелочи, нефтепродукты и др.), воздействующие на щелочно-кислотные, окислительно-восстановительные условия, меняющие педохимическую обстановку, морфологию почвенного профиля
Во вторую группу биохимически активных загрязнителей включены вещества, активно воздействующие на биоту почвы. Это - дефолианты, пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды и др.
В третью группу входят соединения, вещества, являющиеся почвохимически и биохимически активными одновременно. Это в первую очередь тяжелые металлы в высоких концентрациях, способные к гидролизу и оказывающие негативное воздействие не только на биоту, но и на физико-химические свойства почв, и ряд других ингредиентов, составляющие первые две группы
В четвертую группу входят оксиды кремния, железа, глинистые минералы и др., являющиеся индифферентными и не оказывающие существенного влияния на почвенно-растительный покров. Следует однако говорить, что индифферентными они являются постольку поскольку имеющиеся в нашем распоряжении методы не прослеживают их влияние [16].
В соответствии с этой классификацией нормирование загрязнителей должно проводиться с учетом направленности, степени их воздействия на состав почв, их морфологию, на почвенную и наземную биоту.
Существуют три способа загрязнения почв: агрогенный, гидрогенный и аэрогенный. Если первые два способа загрязнения воздействуют на природные или сельскохозяйственные экосистемы в основном периодически и только через корневую систему, то третий непрерывно действующий способ загрязнения атакует и непосредственно наземный растительный покров.
Аэрогенный перенос загрязнении является наиболее масштабным способом воздействия на природную среду, в связи с тем, что аэрогенный поток является непрерывно действующим., очень важно знать. Эффекты его непосредственного воздействия на наземную биоту, а также скорость поступления и трансформации загрязнителей в почвах.
Почва в отношении аэрогенного потока техногенных веществ является мощным фильтром, очищающим биосферу, геохимическим барьером, как правило, прочно фиксирующим загрязнители в результате процессов трансформации их соединений и существенно ослабляющим поступление их через корневую систему в надземную растительную массу и миграцию в грунтовые воды, в то же время в почве происходит дифференциация форм загрязнителей и перераспределение их с внутрипочвенным и поверхностным стоком с образованием подчиненных ландшафтах вторичных техногенных аномалий.
Пространственную картину распределения загрязняющих веществ дает совмещенный анализ не только таких компонентов, как почвенный и растительный покров, но и снежный покров, при этом выделяются территории, где процессы загрязнения носят реликтовый характер (загрязнены только почвы), территории с устойчивым характером загрязнения (загрязнения почвы и снега), территории с новыми прогрессирующими процессами загрязнения (загрязнен только снег).
На территориях реликтового загрязнения преобладающим является корневое воздействие загрязняющих веществ на растительный покров, на территориях с устойчивым характером загрязнения наблюдается корневое и внекорневое воздействие, на территориях с прогрессирующими процессами загрязнения - аэрогенное. Если внекорневое воздействие загрязняющих веществ на растительный покров значительно интенсивнее корневого, то нормирование должно проводиться прежде всего по техногенному давлению и/или концентрации их в атмосферных осадках [47].
Аналитические данные о степени загрязнения почв оцениваются с учетом показателей (таблица 17), включающей ПДК этих веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности.
Таблица 17 - ПДК тяжелых металлов в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности
ЭлементПДК, мг/кг почвы с учетом фона (кларк)Показатель вредноститранс-локационный (накопление в растениях)миграционный водныйобщесанитарныйПодвижные формыМедь3,03,572,03,0Никель4,06,714,04,0Цинк23,023,0200,037,0Кобальт5,025,010005,0Хром6,0---Валовое содержаниеМарганец1500350015001500Свинец30,035,0260,030,0Мышьяк2,02,015,010,0Ртуть2,12,133,35,0Медь55 (ориентировочно)Никель85 (ориентировочно)Цинк100 (ориентировочно)
Эти данные в литературе часто подвергаются критике из-за того, что разрабатывались без учета свойств почв и трансформации соединений тяжелых металлов во времени.
Модельные эксперименты по разработке ПДК проводились на легких песчаных почвах при внесении в них хорошо растворимых солей тяжелых металлов и явно недостаточном времени инкубации почв. При крайне низкой величине поглотительной способности песчаных почв, кислой реакции и небольшого периода инкубации (отсутствие равновесия между твердой фазой почв и почвенным раствором) ожидать получения надежных результатов по ПДК тяжелых металлов в почвах вряд ли возможно. По ряду элементов существует разсогласованность в силу названных выше причин между ПДК и фоновым содержанием. В последние годы медики-гигиенисты проводят нормирование не только по общему содержанию, но и по концентрации их подвижных форм, что безусловно ослабляет зависимость значения ПДК от специфики изучаемого объекта, однако приемы извлечения пока недостаточно обоснованы и унифицированы (таблица 18).
Доказано, что наиболее обобщающими показателями, влияющими на критические концентрации тяжелых металлов в почвах, являются их кислотно-основные свойства и содержание гумуса. Для таких металлов, как кадмий, свинец, зависимость между величинами pH почв и критическими значениями концентраций тяжелых металлов носит линейный характер [17].
Таблица 18 - Классификация почв по степени загрязнения тяжелыми металлами, мг/кг воздушной массы почвы, числитель - содержание подвижных форм, знаменатель - общее содержание
Металл Уровень загрязненностинизкийсреднийвысокийочень высокий Свинец5-10/100-15010-50/150-50050-100/500-1000>100/>1000Кадмий0,5-1,0/1-21,0-3,0/2-53-5/5-10>200/>10Цинк 20-50/150-20050-100/200-500100-200/500-1000>200/>1000Медь 5-10/100-15010-50/150-25050-100/250-500>100/>500Никель 5-10/100-15010-50/150-25050-100/250-500>100/>500Ртуть не опр./1-2не опр./2-5не опр./5-10не опр./>10
.1.3 Фоновые концентрации тяжелых металлов в почвах Карабаша
ВНИИР были предложены следующие фоновые концентрации: медь - 130 мг/кг, цинк 500 мг/кг, свинец - 300 мг/кг и кадмий - 3 мг/кг.
Наиболее существенные загрязнения почв наблюдаются в радиусе первых километров от источника, но иногда радиус загрязнения может достигать десятков километров.
Район исследования (располагается в горно-лесной зоне, в озерно-лесной подзоне сосново - лиственных пород). Почвенный покров представлен серыми лесными почвами [28].
.1.4 Формы нахождения тяжелых металлов в выбросах и почве
Содержание тяжелых металлов в атмосфере колеблется в широком диапазоне и зависит от расстояния от источника эмиссии, характера подстилающей поверхности и метеорологических условий в момент измерения. Летучесть металлов обусловлена тем, что они связаны в атмосфере с субмикронными частицами, которые в воздухе ведут себя практически как газ. Загрязненные вещества в атмосфере захватываются дождевыми каплями или снежинками и выпадают с осадками или постепенно оседают на поверхность Земли в виде сухих выпадений.
За счет атмосферных выбросов предприятий цветной металлургии в почвенном покрове накапливается большое количество тяжелых металлов, примерно 10-15 % от количества, поступающего в атмосферу. Поступление тяжелых металлов в почву возле источника эмиссии происходит обычно в форме нерастворимых соединений. Наиболее сильное загрязнение наблюдается в радиусе 3-4 км от предприятия (таблицы 19).
Для определения состава выбросов был выполнен рентгенофазовый анализ тонкодисперсных продуктов, осевших на электрофильтрах в объединенном дымоходе ЗАО «Карабашмедь». При этом было раздельно проанализировано вещество, выбрасываемое шахтными печами и конвертером.
Пыль конвертера представлена англезитом PbSO4, цинкитом ZnO, ганингитом ZnSО4H2О.Анализ взвеси (осадка) на фильтрах после фильтрации проб снега свидетельствует о наличии вышеперечисленных фаз в пределах черты города Карабаша. В то же время, состав взвеси фоновой территории, которой, с достаточной степенью условности можно считать район д. Новотагилка в 20 км к югу от Карабаша представлен породообразующими минералами - силикатами. Это свидетельствует о том. Что основным источником загрязнения снегового покрова в черте города Карабаша и ближайших окрестностей являются твердофазные продукты выбросов ЗАО «Карабашмедь».
Таблица 19 - Содержание тяжелых металлов в твердой фазе продуктов выбросов Карабашскогомедеплавильного комбината
В миллиграммах на килограмм
Место отбораМnCuZnNiCoPbCdПыль после циклонов шахтной печи №3циклонов745938036831022125223042498Пыль после циклонов шахтной печи №21671104940504903232528960186Пыль после электрофильтров шахтной печи №1102324000910632058032525623Среднее значение без конвертера1146742476995424919421509435Пыль после циклонов конвертера17330690230422262597763401Среднее значение9036335811007125214740572427
Данный вывод подтверждается анализом состава взвеси на фильтрах снеговых проб и анализом состава твердофазных продуктов выбросов, выполненных с использованием сканирующей электронной микроскопии. На фотографиях продуктов выбросов шахтных печей хорошо фиксируются отдельные фазы, отмеченные рентгенофазовым анализом. Так, в составе выбросов шахтных печей присутствуют частички сажи размером около 30 микрон. На фоне этих довольно крупных частиц фиксируются частички сульфидов цинка и меди - сфалерита и халькопирита размером 5-6 микрон, что позволяет считать (с учетом только параметров размерности) такие частички потенциально опасными для здоровья человека. В составе выбросов шахтных печей отмечены также сульфат кальция - гипс с размерностью частиц порядка 15-20 мкм, сульфиды железа, цинка и меди (пирит, сфалерит и халькопирит соответственно) с размерностью частиц 12-25 мкм и новообразованные фазы, представленные медно-цинковой шпинелью размером 15 мкм.
Таким образом, выбросы шахтных печей состоят из двух различных по происхождению групп фазы сульфидного состава, являющиеся первичными тонкодисперсными сульфидами в составе брикетированного концентрата, поступающего в шахтные печи на плавку; вторичные («металлургические») фазы, состоящие из частичек железосиликатного шлака и сульфата свинца. Диапазон размеров частиц пыли шахтных печей достаточно широк и колеблется от 7 до 30 мкм.
Состав фаз выбросов конвертера резко отличается от состава выбросов шахтных печей и в составе этих фаз резко, в количественном выражении, преобладает сульфат свинца - англезит. Спекшиеся агрегаты англезита состоят из индивидуальных частичек размером 4-15 мкм. Частички цинкита имеют преобладающий размер 5-12 мкм. Примерно такова же размерность у частичек сульфата цинка - ганингита.
Таким образом, выбросы конвертера представлены новообразованными фазами - сульфатами свинца (англезит) и цинка (ганингит), а также оксидами цинка (цинкит).
Анализ состава взвеси указывает на наличие фаз, зафиксированных в составе выбросов. Также уверенно диагностируются сульфиды железа, цинка и меди. Размерность этих частиц колеблется от 20 до 50 мкм. Широк диапазон размерности частичек шпинели и близкого по составу железосиликатного шлака. Размер этих образований колеблется от 7 до 40 мкм. В тонкодисперсных агрегатах сульфидов фиксируется мышьяк. Частички сульфатов свинца и цинка, а также оксида цинка, характерные для выбросов конвертера, зафиксированы и в снеговой пыли. Размер частичек англезита составляет 10-20 мкм, частичек ганингита и цинкита 5-8 мкм.
Подводя итог сравнительному анализу частиц, зафиксированных в составе выбросов и в снеговой пыли, следует отметить, что устанавливается полное соответствие их состава. И в пыли шахтных печей и конвертера, и в снеговой пыли присутствуют одни и те же фазы: сульфиды железа, меди, цинка, оксидные соединения сложного состава со структурой шпинели, оксиды цинка, сульфаты кальция, свинца и цинка. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют собой сульфатные фазы из-за их высокой дисперсности и потенциальной значительной растворимости в условиях снеготаяния.
На основе литературных [24] и экспериментальных данных установлено, что максимальная концентрация элементов-загрязнителей приурочена к верхнему горизонту, непосредственно контактирующим с приземным слоем атмосферы. Эта закономерность подтверждена в г. Карабаше. Такие металлы, как медь, цинк, свинец и кадмий, содержащиеся в выбросах КМК в серых лесных почвах концентрируются в слое 0-15 см. В таблице 20 приведены концентрации этих металлов по отобранным разрезам, опробованным по генетическим горизонтам наиболее обогащен металлами верхний слой почвы примерно до глубины 10-15 см. Концентрации металлов в подстилке и в верхнем гумусовом горизонте превышают ПДК: по меди от 1,6 раз (расстояние 19 км от завода) до 58 раз (в зоне до 1 км), по цинку от 2,5 раз до 18,3 раз, по свинцу от 4 раз до 26,3 раза и кадмию - от 4,4 раз до 34 раз. Концентрации тяжелых металлов вблизи комбината достигают 1 % для меди и 0,3 % для цинка, что соответствует рудным концентрациям, т.е. в районе расположения завода основным загрязняющим почву элементом является медь и в меньшей степени - цинк в силу его высокой мобильности. Сопутствующими элементами являются свинец и кадмий. В ближайшей зоне от комбината количество тяжелых металлов значительно выше и резко снижается на расстоянии 8-10 км от завода.
Для определения миграции элементов вглубь почвы были изучены вертикальные профили разрезов. Накопление тяжелых металлов наблюдается в двух точках - в верхнем слое - подстилке и в иллювиальном горизонте. Накопление металлов в гумусовом горизонте объясняется биологическим накоплением в гумусовых кислотах, с которыми тяжелые металлы образуют водорастворимые органоминеральные соединения, а также интенсивным аэральным загрязнением почвы что мы наблюдаем по загрязнению снегового покрова.
В иллювиальном горизонте происходит закрепление элементов, связанное с изменением почвенных условий и химических форм их существования. Тяжелые металлы в этом слое входят в малоподвижные соединения и способны к накоплению.
Таблица 20 - Содержание тяжелых металлов по профилю почв
ГоризонтГлубина, смКонцентрация, мг/кгCuZnPbCd123456Разрез №1А00-2220,4324,0121,82,2А12-975,3148,143,00,6АВ9-1754,892,019,50,4В17-2845,477,411,40,5ВС28-4144,71,6,912,3<0,3С41-4771,883,811,30,3Разрез №6А00-11270,4472,1506,26,30А11-10335,522,075,53,70А210-1865,8139,113,81,20АВ18-2641,450,17,60,20В26-4228,449,341,6<0,20ВС42-6080,452,29,60,2060-8069,060,37,20,2080-92----Разрез № 7В0-2---46,00ВС2-107560,02380,0790,017,10С110-151486,81302,0203,118,50С215-22567,8497,5103,86,40Разрез № 8ВС0-12868,01980,0502,07,80С11-11688,01540,0154,21,20С211-18543,91237,699,90,98Разрез № 9А00-33216,02200,0690,011,60А13-12127,4236,027,60,60А212-2536,1114,08,2<0,20АВ25-3918,098,05,4<0,20В39-4966,6114,08,2<0,20ВС49-7248,8100,07,4<0,20Разрез № 14А10-7362,0426,0213,42,80А27-20174,0294,073,21,40АВ20-3576,1111,021,80,40В35-5045,2-8,2<0,20ВС50-6824,657,610,2<0,20С168-8835,254,68,6<0,20С288-9448,880,08,4<0,20
Таким образом, изучение загрязнения почв показало, что медеплавильный комбинат заметно изменяет почвенный покров в зоне с радиусом 10 км загрязняя его такими тяжелыми металлами, как медь, цинк, свинец и кадмий. Максимальное загрязнение отмечается до расстояния 3,5 км. В зоне 0-1 км в почве можно выделить рудные содержания тяжелых металлов, особенно по меди.
При сравнении содержаний тяжелых металлов в северном направлении и южном от комбината выявлена следующая тенденция. Концентрация меди в северо-восточном направлении в 5 раз превышает концентрацию меди на юго-западе, цинка в 2,6 раз, свинца в 4 раза и кадмия в 4,6 раз, т.е. при атмосферном пути загрязнения распределение плотности потока металлов на подстилающую поверхность примерно такое же как распределение загрязняющих веществ в поверхностном слое почвы. При исследовании зависимости концентраций металлов в почве от расстояния до источника загрязнения зависимость содержаний меди, цинка, свинца и кадмия от расстояния до ЗАО «Карабашмедь» показывает, что концентрации тяжелых металлов резко снижаются на расстоянии 8500 км, причем гораздо быстрее концентрации снижаются в южном направлении.
Так, в северном направлении значение ПДК по меди не достигается даже на расстоянии 20 км от завода, а в южном направлении оно достигнуто уже на расстоянии км. Это ещё раз говорит о том, что преобладающими в г. Карабаше являются ветры южных направлений, но не только они влияют на распределение промышленной пыли на территории.
.2 Загрязнение почв пригорода и города Челябинска
Челябинская область - это регион, имеющий интенсивное промышленное производство, в области чрезвычайно велико влияние на окружающую среду и почву предприятий горнодобывающей, горно-перерабатывающей и металлургической промышленности. Ежегодно выбросы специфических загрязняющих веществ составляют750-800 т, из них свинца - 144 т, хрома - 222 т, никеля - 180 т, ванадия - 88 т, меди - 95 т, мышьяка - 151 т и т.д. (таблица 21).Все они накапливаются в почве и создают неблагоприятную экологическую обстановку.
Таблица 21 - Характеристика почв по степени загрязнения тяжёлыми металлами
ПоказателивсегоВ том числе уровень загрязнениянизкийсреднийвысокийОчень высокийПлощадь загрязнённых земель, га11937948901200003360016878В том числе:Тяжёлыми металлами:- свинцом271791254969007500230- кадмием38003570--230- цинком3444710447900300012000- ртутью85008000--500- медью26172617---- хромом8400300024003000-- мышьяком3800---3800- никелем16651665---- марганцем29532953---- кобальтом22002200---Животноводческими отходами108108
.2.1 Источники загрязнения
Природная геохимия Южного Урала также оказывает влияние на состояние почвы. Например, для свинцово-цинковых месторождений присуще повышенное содержание в почве цинка, мышьяка, серебра, меди и олова, для шеелитовых месторождений в скарнах- вольфрама, молибдена, свинца, цинка и др. В районах месторождения марганца (у Сатки и севернее Челябинска) его содержание в почвах в 2-3 раза превышает фоновые показатели, достигая в отдельных пунктах 1650-1680 мг на 1 кг почвы [18].
С месторождениями серпентинитов в районе Миасса связано повышенное содержание в почвах никеля (до 1500 мг/кг) и хрома (до 3000 мг/кг). Высокая концентрация никеля в почвах в районе Верхнего Уфалея (около 760 мг/кг, что в десятки раз больше ПДК) также связана с геохимическими особенностями территории. Природные аномалии мышьяка приурочены к выходам на дневную поверхность кристалло-сланцев, гранитов, магнетита, гнейса и кварцитов. Так, в микрорайоне Пласт - Санарское - Борисовка содержание мышьяка в почве достигает 58-100 мг/кг, многократно превышая ПДК. Для этой же территории характерно высокое содержание кобальта (до 600 мг/кг).
География загрязнения почв марганцем на территории Челябинской области в большой степени зависит от расположения предприятий черной металлургии. Такие гиганты, как Челябинские металлургический, электрометаллургический и трубопрокатный заводы, Магнитогорский металлургический комбинат за год выбрасывают в атмосферу более 900 т марганцевой пыли, загрязняя окружающие территории марганцем [28].
Исследования Агрохимцентра показали, что содержание свинца в почвенных профилях варьирует незначительно и, как правило, не превышает ПДК (30 мг/кг почвы). Наиболее высокая концентрация этого элемента (25 мг/кг) установлена в Катав-Ивановском районе. Полученная информация о содержании свинца в почвах различных пунктов дает основание считать, что во всех природных зонах Челябинской области техногенное загрязнение свинцом пока не превышает критического уровня. Исключением являются полосы в непосредственной близости к автомагистралям.
Повышенное содержание в почве хрома приурочено прежде всего к местам полиметаллических рудных отложений. Предприятия черной и цветной металлургии, в том числе производящие хромированные стали, выбрасывают в окружающую среду более 200 т хрома в год, поэтому не исключается возможность загрязнения почвы этим элементом из атмосферы. Наблюдения показали, что максимальным содержанием хрома (75-94 мг/кг) характеризуются почвы Катав-Ивановского района. При этом его концентрация вглубь по профилю возрастает с 74,9 мг/кг в пахотном слое до 91,7 мг/кг в подпахотных слоях, что свидетельствует о естественном геохимическом происхождении. Однако количество хрома в пахотном слое почв на территориях, прилегающих к центрам металлургической промышленности, возрастает в несколько раз, и причина этого - техногенное загрязнение.
Содержание кадмия в биологически активном слое почвы пунктов мониторинга колеблется от 0,4 до 2,4 мг/кг. Минимальные показатели установлены в пахотном и гумусовом горизонтах черноземно-лугового солонца АОЗТ «Маякское» Октябрьского района - 0,5 и 0,4 мг/кг. Повышенное содержание кадмия в гумусовом горизонте свидетельствует о техногенном источнике загрязнения.
В широких пределах варьирует содержание в почве кобальта - от 28 до 79 мг/кг в пахотном и в гумусовом горизонтах. Эти показатели в среднем превышают кларк почвообразующих пород литосферы и среднее содержание элемента в почвах Западной Сибири. Повышенное содержание этого элемента в почвах Южного Урала объясняется прежде всего его геохимической особенностью и активным антропогенным массопотоком химических элементов в районах промышленной индустрии.
Происходит и техногенное загрязнение почв. Однако в большинстве разрезов, расположенных на почвах всех природно-сельскохозяйственных зон области, содержание большинства элементов возрастает вглубь по профилю. Это свидетельствует об их геохимической природе.
Такая же закономерность прослеживается в содержании ванадия, свинца и кадмия. Концентрация вышеуказанных элементов в ряде стационарных пунктов превышает ПДК, но обычно близка или незначительно выше природного фона соответствующего химического элемента.
Содержание в почве марганца в большинстве случаев уменьшается от горизонта А к горизонтам С и Д, что дает основание предполагать техногенный характер его природы. Например, в Ап серой лесной почвы содержится 770 мг/кг, в горизонте В - 276 мг/кг. В перегнойном слое A1 целинной почвы концентрация марганца составила 1099 мг/кг, в горизонте В - только 271 мг/кг.
К характеристике почв относительно содержания в них тяжелых металлов следует добавить, что в ряде пунктов обнаружено одновременное суммарно высокое содержание цинка, меди, никеля, кобальта, хрома, кадмия и марганца. Оно составляет около 2,4 г на кг сухой почвы.
Следует особо остановиться на загрязнении почв фтором. Предельно допустимая концентрация этого элемента в почве составляет 2,8 мг/кг. Анализ почвы десяти стационарных пунктов мониторинга показал, что почвы 8-и пунктов содержали фтора значительно больше ПДК. Так, в АОЗТ «Маякское» Октябрьского района его количество достигало 18,6 мг/кг сухой навески. С глубиной концентрация элемента возросла, что также свидетельствует о природном источнике загрязнения почвы фтором.
По заключению Челябинской контрольно-токсикологической лаборатории областной станции защиты растений (СТАЗР), почвы Челябинской области на пашне и целине свободны от остаточного действия пестицидов, так как не были обнаружены даже следы всех их основных групп.
Наибольшую опасность представляет загрязнение почв сельскохозяйственного назначения. На основании выборочных и сплошных обследований установлено, что площадь пахотных земель, загрязнённых тяжелыми металлами за последние годы, составляет 95561 га, бенз(а)пиреном - 21800 га, нефтью и нефтепродуктами - 1910 га, животноводческими отходами - 108 га.
Наибольшая концентрация элементов загрязнения отмечена вблизи крупных промышленных центров - городов Челябинск, Магнитогорск, Карабаш, Пласт, Троицк, В. Уфалей, Южноуральск, Сатка и Коркино. Связано это как с выбросами в атмосферу токсичных веществ, так и миграцией с мест складирования и транспортировки.
Основное количество тяжелых металлов (до 90 %) в почву поступает от предприятий черной и цветной металлургии. Загрязнение почв свинцом происходит, кроме того, при сжигании горючего автотранспортом. Установлено, что за год в атмосферу на территории Челябинской области его выбрасывается более 200 тонн. Значительные поступления тяжелых металлов в почву сельскохозяйственных угодий происходят при сжигании в котельных углей, использовании пестицидов и химических мелиорантов. Перечисленные техногенные источники являются главной причиной загрязнения почв сельхозугодий тяжелыми металлами до уровня, превышающего ПДК (таблица 22).
В трех обследованных хозяйствах Сосновского района общей площадью сельскохозяйственных угодий 28358 га загрязнены тяжелыми металлами выше ПДК 2278 га (8 %). В их составе 622 га (2,2 %) имели выше допустимой концентрацию никеля, 467 га (1,6 %) хрома и 2200 га (7,8 %) кобальта.
Таблица 22 - Загрязнение почв сельхозугодий тяжелыми металлами до уровня, превышающего ПДК
Химический элемент, ПДКАдминистративный район, хозяйствоОбследованная площадь, гаЗагрязнение выше ПДКга % от обследованных земель12345Сu, 5,31)Аргаяшский3069726178,5Аргаяшское9845204420,8Кузнецкое119295734,8Zn, 371)Красноармейскй4440312972,9Козыревское4330129730,02) Аргаяшский306972000,7Аргаяшское98452002,03)Агаповский3810537509,8Агаповское8060375046,5Pb, 321) Красноармейский444037371,7Козыревское433073717,02)Агаповский381053821,0Агаповское80603824,7Ni, 991) Агаповский3810510432,7Агаповское80603584,4Буранное198456853,52) Сосновский283586222,2КППЗ Россия92852342,5Учхоз ЧГАУ96663383,5Mg, 10001) Аргаяшский3069729539,6Аргаяшское9845229923,4Аргазинское89234274,8Кузнецкое119292271,9Cr, 1001) Аргаяшский306972300,75Кузнецкое119292301,92) Сосновский283584671,6КППЗ Россия92852342,5Учхоз ЧГАУ96662332,4Со1) Сосновский2835822007,8КППЗ Россия92855906,4Учхоз ЧГАУ96664554,7АК Равис1265115591,3
В Красноармейском районе 2034 га (4,6 %) сельхозугодий семи обследованных хозяйств общей площадью 44403 га загрязнены тяжелыми металлами, в том числе 1297 га (2,9 %) цинком, 737 га (1,7 %) свинцом.
Основное количество тяжелых металлов (до 95 %) при техногенном загрязнении в почву поступает от предприятий черной и цветной металлургии, деятельности ТЭС и ГРЭС. Ежегодно из труб стационарных установок выбросы загрязняющих веществ составляют более 1 млн. тонн, в среднем на каждый км2 за год их выпадает 11,6 тонн или 32 кг на 1 км2 в сутки.
Высокий уровень накопления в почве химически активных карбонатов (СаСО3) вызывает резкое подщелачивание почвенной среды, ухудшает физические свойства почвы (цементирует почвенную массу), подавляет деятельность биоты и вообще все биологические процессы. Примером могут служить почвы СХПО «Полевое». На площади 1416 га из 5001 га они ввиду загрязнения цементной пылью имеют слабо- и среднещелочную реакцию почвенного раствора, объемный вес пахотного и подпахотного горизонта повысился до 1,8 г/см3, содержание подвижных фосфатов упало до 8-10 мг/кг почвы.
3.2.2 Загрязнение урбаноземов г. Челябинска
Результаты лабораторных анализов (таблицы 23) показали, что в исследованных образцах содержание тяжелых металлов (кроме мышьяка и хрома) превышает фоновые значения, а содержание свинца во всех грунтах было в несколько раз больше ПДК. Учитывая высокую токсичность Рb для здоровья человека, имеется необходимость в дальнейшем изучить поведение (динамику) и трансформацию этого элемента в экосистемах города.
По содержанию подвижных соединений свинца отвечали экологическим требованиям только грунты, завезенные в Тракторозаводской район. Они содержали 3,70 мг Рb в расчете на 1 кг навески. Незначительное превышение ПДК по свинцу имел почвогрунт, использованный в Советском районе - 35,48 мг/кг. В других районах города почвогрунты характеризовались очень высоким содержанием свинца - от 135,85 до 189,57 мг/кг, то есть в несколько раз превышающем значения ПДК.
Отмечено относительно повышенное содержание меди, цинка и никеля в разрезе № 2 (Металлургический район).
Зафиксировано превышение ПДК свинца во всех исследуемых образцах урбаноземов г. Челябинска, что, возможно, обусловлено выбросами автомобильного транспорта и промышленных предприятий города. В разрезе № 2 (Металлургический район) содержание свинца достигает 11 ПДК (таблица 24).
Таблица 23 - Содержание тяжелых металлов в урбаноземах г. Челябинска и в завезенных в 2003 году почвогрунтах
Район городаГлубина взятия образца, смРезультаты измерений массовой доли металлов в пробах почвы, мг/кгСuZnNiСrАsРb12345678Урбанозёмы городаТракторозаводской0-207,8540,1220,790,23< 0,0585,9820-405,7224,561,98< 0,05< 0,0561,6140-602,4529,641,63< 0,05< 0,0552,46Металлургический0-2017,2790,9125,080,07< 0,05346,6420-404,9298,8921,82< 0,05< 0,05276,9840-604,0278,413,03< 0,05< 0,05229,96Калининский0-206,5730,5415,830,13< 0,0573,8340-6021,9379,498,950,09< 0,0531,9020-405,5230,4423,900,12< 0,05169,91Ленинский0-2015,1758,4722,730,16< 0,05153,3220-4013,3712,502,26< 0,05< 0,0572,2340-607,0433,4419,40< 0,05< 0,0526,80Почвогрунты, завезенные в 2003 годуТракторозаводской1,2339,103,44-< 0,053,70Металлургический12,5538,503,42-< 0,05189,57Калининский1,3630,401,96-< 0,05170,04Ленинский17,0556,126,10-< 0,05135,75Центральный9,7337,963,04-< 0,05138,24Советский3,559,6013,76-< 0,0535,48ПДК5510085,0026,0030,00Фон123037,00---
Таким образом, экологическое состояние почв (урбаноземов) г. Челябинска можно охарактеризовать как неудовлетворительное из-за низкой обеспеченности органическим веществом (гумусом), щелочной реакции почвенной среды, избыточного содержания нитратов в Ленинском и Металлургическом районах, подвижного фосфора - в Металлургическом и Тракторозаводском районах. Применение привезенных почвогрунтов при благоустройстве территорий города Челябинска в большинстве случаев не способствовало улучшению экологического состояния почв (урбаноземов), так как завозимые грунты были малогумусированы, в пяти случаях из шести имели очень высокое содержание свинца. Во всех исследуемых разрезах наблюдается повышенная концентрация тяжелых металлов в верхнем слое, что указывает на антропогенный характер их возникновения.
.2.3 Загрязнение почв пригородной зоны г. Челябинска
Если оценивать уровень загрязнения почв опытных участков относительно ПДК, то следует выделить чернозем выщелоченный учебного хозяйства, у которого уровень загрязнения пахотного слоя никелем превышает допустимый предел в 4,7 раза, а в иллювиальных горизонтах - в 10-16 раз. В СХП «Каштакское» пахотный слой выщелоченного чернозема содержит никель в количестве 73,1 мг/кг, что несколько меньше ПДК, но в горизонтах В и В2 его содержание превышает допустимую концентрацию. Почва первой опытной площадки, расположенной в учхозе, загрязнена выше ПДК кобальтом и хромом.
Содержание меди, цинка, свинца, железа и кадмия в почве всех опытных площадок меньше допустимых концентраций, но превышает фоновое значение. Кроме того, в большинстве случаев максимальное содержание тяжелых металлов приурочено к пахотному и подпахотному горизонтам [5, 6, 7]. Эти факты свидетельствуют о том, что причиной загрязнения, дополнительно к фону, являются техногенные источники.
Детальное обследование пахотных почв на основе отбора смешанных образцов в учхозе ЧГАУ на площади 2140 га и СХП «Каштакское» на 176 га и их анализ на содержание тяжелых металлов позволили дать более точную оценку степени и характера загрязнения почв на территориях, прилегающих к источникам загрязнения.
Средние показатели валового содержания тяжелых металлов в образцах обследованных почв, как видно из таблицы 24 не превышает ПДК. В то же время необходимо отметить, что количество хрома, никеля и кадмия в почвах пашни учхоза, цинка, никеля, кадмия и свинца почвах сельхозпредприятия приближается к пороговому уровню, а на отдельных участках заметно превышает его. Поэтому, при стечении ряда обстоятельств, возможно накопление тяжелых металлов в растениеводческой продукции сверх допустимой санитарно-гигиенической нормы.
Таблица 24 - Степень и характер загрязнения пахотных почв учхоза ЧГАУ и СХП «Каштакское» тяжёлыми металлами
ЭлементУчхоз ЧГАУ; послойное содержание, мг/кг почвыСХП «Каштакское»; содержание в слое 0-30, мг/кгФоновое содержание, мг/кгПДК, мг/кг0-20 см20-40 смсреднеепределысреднеепределысреднеепределыmaxminmaxminmaxminZn22,330,914,121,329,514,674188,461,626100Сu19,123,414,619,023,014,118,522,714,81655Сr56,8103,939,089,575,842,932,647,222,026100Ni73,7186,045,369,3143,342,554,679,040,64085Cd0,961,090,821,112,030,790,790,890,630,83,0Мn3735441793535231883895092863751500Со21,327,718,021,827,118,021,423,620,11750Sr8,29,16,78,49,77,415,717,614,1--Pb12,615,711,012,911,114,726,029,220,51732Fe15609189001305016442181001445017508465001650013050-
Известно, что естественные уровни содержания тяжелых металлов в растениях довольно постоянны. Доказано, что концентрация цинка в зерне злаковых культур колеблется в пределах 6-49 мг/кг и корнеплодах - 21-27 мг/кг сухой массы. Диапазон содержания меди в растениях, выращенных на незагрязненных почвах, составляет: в зерне злаков - 1,3-10,3, в корнеплодах и клубнях картофеля - 3,0-6,6, в листьях капусты 2,9-4,0 мг/кг. Естественные средние уровни содержания никеля в зерне злаковых культур изменяются в пределах от 0,2 до 2,8 мг/кг, в листьях капусты - 0,62-3,3 мг/кг, в корнеплодах и клубнях картофеля - 0,29-1,0 мг/кг. Содержание цинка в товарной части сельскохозяйственных культур составляет: для злаков 0,1-1,5, корнеплодов - 0,9-2,1 и картофеля - 0,5-3,0 мг/кг сухой массы. Фоновые уровни кадмия в зерне злаков колеблются в пределах 0,01-0,75, в расчёте на сухую биомассу кормовых культур - 0,03-1,2 мг/кг. Концентрация стронция варьирует в широких пределах: в зерне злаков - 0,5-3,2 мг/кг, в кормовых культурах - 6-37 мг/кг, в корнеплодах - 1,5-130 мг/кг и в листьях капусты 1,2-150 мг/кг сухой массы.
4. Поступление в растение и токсическое действие тяжелых металлов
Главный путь поступления тяжелых металлов (микроэлементов) в растения - это адсорбция корнями, хотя в ряде публикаций отмечена способность и надземных органов растений поглощать некоторые микроэлементы.
Овредном действии тяжелых металлов, в том числе чрезмерной дозы микроэлементов, опубликовано достаточно большое число работ. Согласно обзорным публикациям [3] токсичность избытка тяжёлых металлов, в том числе необходимых растениям микроэлементов, обусловлена:
2. реакцией тиольных групп с катионами Ag, Hg и Pb;
3. конкуренцией с жизненно важными метаболитами As, Sb, Те;
4. большим сродством с фосфатными группами и активными центрами АДФ и АТФ - Al, Be, Sc, J, Zn и в разной степени всех тяжёлых металлов;
. замещение жизненно важных ионов (главным образом макрокатионов) - Cs, Rb, Se, Sr, Ti.
Все указанные положения нашли подтверждение и в исследованиях, результаты которых приведены в таблице 25. Данные таблицы показывают, что растения пшеницы и ячменя положительно реагировали на внесение в почву 20 мг/кг свинца, а пшеница даже 50 мг/кг. Однако, при дозе 500 мг/кг растения и пшеницы, и ячменя погибали.
Овёс не проявил чёткой положительной реакции на свинец, но показал большую устойчивость к концентрации элемента в почве. В варианте Рb500, в котором пшеница и ячмень погибли, сбор сухой биомассы овса составил 84 % от контроля.
Концентрация Рb в биомассе растений колеблется в широких пределах: яровой пшеницы от 0,2 до 8,58 мг/кг, ячменя - от 1,42 до 7,15 и овса - от 2,0 до 25,6 мг/кг навески. В обобщающих работах В. Б. Ильина (1991) и А. Кобата-Пендиас, X. Пендиас (1989), М. А. Черных (1991) [32] приведены ещё большие пределы колебания - от 0,1 до 97 мг/кг сухой массы. Естественные уровни содержания свинца в растениях по свидетельству указанных авторов, лежат в пределах 0,1-10 мг/кг.
Таблица 25 - Влияние тяжёлых металлов, внесённых в почву, на рост растений и их накопление в биомассе (по данным Д.Е. Борискова, 2001)
Элемент, содержание подвижной фракции, мг/кгВнесено в почву, мг/кгПшеницаЯчменьОвёссбор сухой биомассы, г/сосудсодержание в биомассе, мг/кгсбор сухой биомассы, г/сосудсодержание в биомассе, мг/кгсбор сухой биомассы, г/сосудсодержание в биомассе, мг/кгCd <0,03019,8<0,0320,4<0,0321,5<0,03514,90,158,00,1312,30,0910Растения погибли на 22-24 день1,00,183,40,2125Растения погибли на 18-20 деньРастения погибли на 28 суткиРастения погибли на 24 суткиНСР052,60,012,80,021,90,01Pb 5,5019,80,2020,41,4221,52,002021,01,9923,91,9121,81,345024,44,4520,03,0618,03,2410015,55,5714,54,9020,05,9725013,08,5813,37,1521,010,89500Растения погибли на 43-45 суткиРастения погибли на 40-42 сутки18,025,63HCP051,40,803,10,261,91,05Zn 7,6019,810,7020,420,1021,515,202022,09,6024,014,7017,020,805020,014,4024,021,0018,569,0110017,318,7025,930,3018,864,0050012,2101,0011,8103,6011,0153,0010006,2140,506,3136,70К началу уборки растения погиблиНСР051,91,331,91,443,21,20Сu 3,9019,81,8920,43,2521,58,461016,53,0321,05,3115,07,552520,05,1220,64,3914.08,335012,08,148,212,9015,06,841001,114,47Растения погибли на 40-42 сутки16,017,46500Растения погибли на 40-42 суткиРастения погибли на 18-20 суткиПогибли 80 % растенийНСР051,60,513,310,411,61,07
Несмотря на высокую адсорбционную способность почвы ионов свинца, происходит его интенсивное поглощение корнями растений.
При этом свинец в большей степени концентрируется в тканях растений и меньше в репродуктивных органах. Связано это с тем, что свинец откладывается на стенках клеток в виде нерастворимых солей, постепенно накапливается до уровней, приводящих к гибели растений.
Цинк в отличие от кадмия и свинца играет важную роль в жизненных процессах растений, животных и человека как. Растения содержат обычно 15-150 мг Zn на 1 кг сухой биомассы. Среднее содержание цинка в зерновых культурах колеблется в пределах 20-50 мг/кг [3, 33]. При нормальном уровне обеспеченности почвы цинком содержание элемента в зерне больше, чем в соломе. С ростом концентрации элемента в почве его количество в корнях и листьях увеличивается более интенсивно, чем в зерне.
Критические концентрации цинка в растениях, при которых происходит снижение урожаев, зависят от биологических особенностей культур и состава почв. На кислой почве токсическое действие на пшеницу наблюдалось при содержании 189 мг/кг биомассы растений. На чернозёмах с рНводн = 6,64 токсическое действие элемента наблюдалось при 625 мг/кг.
Избыточное количество цинка, нарушает физиологические и биохимические процессы в растениях, приводит к несбалансированному их питанию макро- и микроэлементами.
В вегетационном опыте использовали пахотный слой чернозёма выщелоченного, который содержит 7,6 мг/кг подвижного цинка. Доза микроудобрения под пшеницу Zn20 и ячмень Zn100 достоверно увеличили сбор биомассы: пшеницы на 11,1 % и ячменя на 27 %. При этом концентрация в растениях составила, соответственно 9,6-14,4 и 14,7-30,3 мг/кг сухого вещества (таблица 25). Внесение 500 и 1000 мг Znна кг почвы привело к снижению урожайности пшеницы и ячменя на 72-73 % и накоплению цинка в растениях до 140,5 и 136,7 мг в расчёте на 1 кг сухого вещества. Культуры не погибли, но их токсикоз при такой концентрации Zn в биомассе проявился очень чётко.
Овёс реагировал отрицательно даже на внесение минимальной дозы цинка. При Zn500 биомасса растений составила 51 % от контроля. Концентрация элемента увеличивалась с ростом его дозы, вносимой в почву с 15,2 мг до 153,0 мг на кг сухого вещества. От дозы Zn1000 растения овса погибли.
Следовательно, проведённый вегетационный опыт на чернозёме выщелоченном тяжелосуглинистом среднегумусном показал, что критическое состояние растений пшеницы, ячменя и овса наступает при накоплении 140-150 мг Zn на кг их сухой биомассы.
Медь как представитель тяжёлых металлов относится ко второму классу опасности. Доказана её важная роль в биохимических процессах растений, животных и человека. Но при высоком содержании меди в почве, избыточном её накоплении в растениях наблюдается хлороз листьев и слабое развитие корневой системы, происходит повреждение тканей, изменение проницаемости клеточных мембран и ингибирование процесса фотосинтеза [33, 34].
Содержание меди в растениях, выращенных на незагрязненных почвах, колеблется от единицы до десятка мг на 1 кг сухой массы. В вегетирующих побегах растений, произрастающих в широком диапазоне природных условий, концентрация Сu редко превышает 20 мг/кг.
Почва, использованная для проведения вегетационных опытов, имела повышенное содержание подвижных фракций меди - 3,9 мг/кг (таблица 25). При таком уровне обеспеченности микроэлементом концентрация меди составила: в сухой биомассе пшеницы - 1,89; ячменя - 3,25 и овса - 8,46 мг/кг.
Возрастающие дозы тяжёлого металла - микроэлемента (10, 25, 100 и 500 мг/кг почвы) оказали неоднозначное влияние на рост сельскохозяйственных культур. При минимальном внесении меди (10 мг/кг) происходит доказуемое снижение урожайности сухой биомассы пшеницы (с 19,8 до 16,5 г/сосуд). Доза Сu25 приводит к росту сбора биомассы до уровня контрольного варианта (20,0 г/сосуд). Явление противоречивое и необъяснимое.
Если считать снижение урожайности пшеницы при внесении меди случайностью, то данные таблицы 25 свидетельствуют о том, что на почве с повышенным содержанием подвижной меди внесение 10-25 мг/кг Сu не оказывает отрицательного влияния на рост растений пшеницы и ячменя. Более высокие дозы (50 и 100 мг/кг) приводят к уменьшению биомассы пшеницы до 12,0 и 1,1 г/сосуд, а при дозе 500 мг/кг почвы - к гибели растений.
Ячмень выдерживал дозу меди 50 мг/кг, хотя его биомасса уменьшилась на 61 % по сравнению с контролем. Внесение в сосуд 100 мг/кг меди привело к гибели растений на 40-42-е сутки.
Овёс реагировал отрицательно даже на минимальные дозы меди-10 мг/кг почвы. При возрастающем количестве вносимого металла - микроудобрения - 25,50 и 100 мг/кг - урожайность этой культуры колебалась в пределах 14-16 г/сосуд, но при дозе 500 мг/кг наступила гибель 80 % растений.
Таким образом, важный для растений микроэлемент медь может стать опасным канцерогеном в процессе их роста и развития. Избыток меди в почве, как показывает таблица25, приводит к её накоплению в растениях, а при достижении критической концентрации вызывает гибель растений. В вегетационном опыте пшеница погибла при содержании Сu в 1 кг сухой биомассы более 14,5 мг, ячмень - более 12,9 мг и овес - более 17,5 мг.
В природе хорошо известна толерантность растений, то есть свойство сохранять жизнедеятельность в условиях избытка микроэлементов в почве.
К возможным факторам, принимающим участие в создании толерантности растений к металлам, относят низкую растворимость и подвижность катионов в окружающей корни растений среде, антагонистическое взаимодействие ионов. Истинная толерантность растений, связанная с внутренними факторами, включает несколько метаболических процессов: селективное поглощение ионов; пониженную проницательность клеточных мембран; удаление ионов тяжелых металлов из метаболических процессов путём их отложения в различных органах; удаление ионов из растения в результате вымывания через листья и выделения через корни.
Оценивая состояние культур в вегетационном опыте, следует указать на их ограниченную толерантность. Но отношению к кадмию, свинцу и меди наибольшей толерантностью обладал овёс. Его гибель наблюдалась при внесении в почву 10 мг/кг кадмия и 500 мг кг меди. Свинец даже при максимальной 500 мг/кг почвы дозе не вызывал гибели овса. Концентрация цинка 1000 мг/кг почвы для него была губительна, тогда как растения пшеницы и ячменя в аналогичных условиях сохранили жизнеспособность.
Толерантность пшеницы по отношению к кадмию и свинцу была заметно меньше, чем овса. Растения пшеницы в опыте погибали при внесении в почву 10 мг/кг Cd, 500 мг/кг Рb и Сu. Но пшеница, как отмечалось выше, оказалась устойчивее овса к высокой дозе цинка.
Ячмень по устойчивости к кадмию был равен овсу и превосходил пшеницу. По толерантности к максимальной дозе свинца, наоборот, он был равен пшенице и уступал овсу. Внесение меди в количестве 100 мг/кг почвы оказалось для ячменя губительным, тогда как растения пшеницы и овса оставались жизнеспособными.
Выводы и предложения
По результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:
1.Химические анализы проб почв, взятых в черте города Карабаш, что они представляют собой бедные полиметаллические руды, образованные в результате длительной работы КМК. В радиусе 3 км от центра города мы имеем такой «феномен», когда почвенный покров полностью уничтожен.
2.Наряду с зональными типами почв (чернозем выщелоченный) в пределах города встречаются серые лесные, оподзоленные почвы, а также солонцы и солоди, что обусловлено азональными и антропогенными факторами.
3.Мощность гумусового слоя исследованных почв достаточно большая (20 см). Но почва захламлена различными инородными включениями, количество которых максимально в слое 0-50 см.
4.По результатам физико-химического анализа обнаружено: аномально высокое по сравнению с природными почвами содержание подвижных форм фосфора и нитратного азота в урбаноземах г. Челябинска и привезенных почвогрунтах; обеспеченность гумусом урбаноземов соответствует низкому уровню, а привезенных почвогрунтов - среднему; pH почвенного раствора в урбаноземах соответствует слабощелочной реакции, а в привезенных почвогрунтах - нейтральной; по содержанию тяжелых металлов (кроме мышьяка и хрома) во всех исследованных образцах выявлено превышение фоновых значений, при этом содержание свинца превышает ПДК в несколько раз.
5.Общее состояние почв города Челябинска (урбаноземы) можно характеризовать как неудовлетворительное по следующим показателям: содержание гумуса, тяжелых металлов (прежде всего свинца), захламленность, замусоривание.
6.Почвы антропогенного происхождения - урбаноземы - находятся в неудовлетворительном экологическом состоянии, поэтому не в полной мере выполняют свои экологические функции. Проведенные исследования показали, что урбаноземы г. Челябинска нуждаются в уменьшении щелочности почвенной среды путем внесения кислых мелиорантов (в том числе кислых удобрений), в повышении органического вещества (за счет применении органических удобрений) и в проведении мероприятий по снижению содержания тяжелых металлов, прежде всего свинца.
7.При организации скверов, парков, газонов и цветников необходимо готовить почвогрунты с соответствующими параметрами плодородия: гранулометрическим составом, физико-химическими свойствами и содержанием питательных веществ, которые отвечали бы требованиям культивируемых растений. Также необходимо ведение ежегодного мониторинга за состоянием почвенного покрова.
8.Для эффективного проведения мероприятий по благоустройству и экологическому улучшению территории Челябинска следует провести детальное изучение почвенного покрова, физических, физико-химических и химических свойств урбаноземов и природных почв, организовать мониторинг состояния почвенного покрова, экологического состояния природных и антропогенных почв (урбаноземов).
Библиографический список
1Аналитическая записка «О состоянии окружающей природной среды на 1997 год на территории города Челябинска»// Управление экологии и ЧС. Челябинск, 1998. С. 90.
2Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 488 с.
3Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.
4Богданов Н.И. Валовый и органический фосфор в сибирских чернозёмах // Почвоведение, 1954. №5. С. 27-37.
5Ваганова Н.Д. Почвы засоленные // Челябинск. Энциклопедия. Челябинск, 2001. С. 674
6Ваганова Н.Д. Почвы оподзоленные // Челябинск. Энциклопедия. Челябинск, 2001. С. 674.
7Ваганова Н.Д. Почвы пойменные // Челябинск. Энциклопедия. Челябинск, 2001. С. 674-675.
8Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах. М.: Гос. изд-во с.-х. литературы, 1957. 238 с.
9Возбудская А.Е. Химия почв. М.: Высшая школа, 1968. 427 с.
10Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / Герасимова М. И. [и др.]. Смоленск: Ойкумена, 2003. 268 с.
11Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М.: Наука, 1990. 261 с.
12Дороненко Е.П. Рекультивация земель, нарушенных открытыми разработками. М.: Недра, 1979. 263 с.
13Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. М.: Изд-во МГУ, 2003. 448 с.
14Возбуцкая А.Е. Химия почвы. М.: Высшая школа, 1968. 418 с.
15Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы. М.: Ойкумена, 2005. 274 с.
16Каздым А.А. Культурный слой как специфический почвенно-литогенный объект и его роль в экосистеме // Тезисы четвертой Всероссийской конференции по проблеме эволюции почв. Пущино. 2001. С. 48-50.
17Каздым А.А. Геоэкологические аспекты техногенных отложений древних и современных урбанизированных территорий: автореф. дис... канд. г.-м. наук. М. 2003. 26 с.
18Кауричев И.С. Почвоведение. М.: Колос, 1969. 543 с.
19Научные основы мониторинга, охраны и рекультивации земель / Козаченко А.П. [и др.]. Челябинск, 2000. 247 с.
20Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства чернозёма обыкновенного //Экология. 2000. № 3. С. 193-201.
21Колесников С.И. Экологические основы природопользования. М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Изд. центр «МарТ», 2005. 336 с.
22Лисовой Д.А., Синявский В.А. Экологическое состояние почв и урбаноземов г. Челябинска // Вестник Челябинского государственного университета: серияэкология и природопользование. 2005. №1. С. 151-154.
23Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Труды III Всесоюзного совещания. Институт по экспериментальной метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. С. 5-91.
24Детальные геохимические и биохимические исследования техногенных аномалий г. Карабаша с целью разработки природоохранных и рекультивационных мероприятий / Нестеренко B. C. [и др.]. Миасс-Мытищи, 1992.
25Основные положения о рекультивации земель, снятии, сохранении и рациональном использовании плодородного слоя почвы. Утв. Минприроды России и Роскомзема N525/67 - 1995-12-22.
26Охрана природы. Земли. Классификация нарушенных земель для рекультивации: ГОСТ 17.5.1.02-85. - Введ. - 1985-07-16.
27Охрана природы. Земли. Общие требования к рекультивации земель: ГОСТ 17.5.3.04-83. - Введ. 1984-07-01.
28Охрана природы. Номенклатура показателей пригодности нарушенного плодородного слоя почв для землевания: ГОСТ 17.4.2.02-83.
29Охрана природы. Рекультивация земель. Термины и определения: ГОСТ 17.5.1.01-83. Введ. - 1984-07-01.
31Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы: СанПиН 2.1.7.1287-03. -Введ. 2003-06-15.
32Синявский В.А., Синявский И.В. Почвоведение: курс лекций, часть 1. Челябинск, 2005. 212 с.
33Синявский В.А. Разработка органоминеральных удобрений на основе птичьего помета с содержанием 30-34 % питательных веществ. Челябинск. 2002. 128 с.
34Синявский И.В. Агрохимические и экологические аспекты плодородия черноземов Зауралья. Челябинск: ЧГАУ, 2001. 274 с.
35Строгонова M.H., Мягкова А.Д. Влияние негативных экологических процессов на почвы города (на примере Москвы) // Вестник МГУ, серия почвоведение. 1996. № 4. С. 76-86.
36Субботина О.А. Почвы // Челябинск. Энциклопедия. Челябинск, 2001. С. 434.
37Сушков С.Ф. Влияние крупного городского поселения на почвы и почвенный покров окружающей территории (на примере Ленинграда) // Урбанизация и экология. Л.: ЛГУ, 1990. С. 87-95.
38Синявский И.В. Химический анализ почв: Методические указания // Челябинск: ЧГАУ, 2001. 42 с.
39Чертов О.Г., Лянгузова И.В., Кордюкова Е.В. Подвижность тяжелых металлов в загрязненных гумусово-иллювиальных почвах // Почвоведение 1985. №5. С. 50-56.
40Чибрик Т.С. Основы биологической рекультивации. Екатеринбург: Урал, 2002. 172 с.
41Шилова И.И., Лукьянец А.И. Растительность в условиях техногенных ландшафтов Урала: сб. науч. трудов. Свердловск: УрО АН СССР. 1989.
42Экологические основы природопользования: учеб.пособие для сред. спец. учеб. заведений / Ерёмин В.Г. [и др.]. М.: Высш. шк., 2002. 253 с.
43Орлов, Д.С., Садовникова Л.К., Лозановская И.Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 2002. 334 с.
44Федосеева Т.П. Рекультивация земель. М.: Колос, 1977. 289 с.
45Практикум по почвоведению с основами геоботаники / Яскин А. А. [и др.]. М.: Колос, 1999. 256 с.
46Статистический бюллетень. В 3 частях. Федеральная служба государственной статистики. Территориальный орган федеральной службы государственной статистики по Челябинской области. Челябинск, 2005.
47Тезисы докладов III Съезда Докучаевского общества почвоведов (11-15 июля 2000 г., Суздаль). М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2000. Кн.
48Сборник научных статей. Экологическое состояние Челябинской области. Пути решения. Челябинск 25-26 октября.