/>
Моделирование загрязнения черноземасвинцом с целью установления экологически безопасной концентрации
Введение
На каждый квадратный метрсуши в течение года атмотехногенным путем в среднем выпадает 5.6—9.5 мг свинца[16]. Однако главная опасность для городских ландшафтов заключается не только ине столько в больших концентрациях поступления свинца в почвы. За тот же периодк уже имеющимся запасам, например, марганца, прибавляется почти в 2 разабольше, чем свинца. Тем не менее, экологическая опасность наличия свинца впочвах в 43 раза больше, чем того же марганца.
Такое, на первый взглядпарадоксальное, свойство свинца связано с его крайне низким исходнымсодержанием в почвах — 10 мг/кг (среднее содержание марганца в почвах в 85 разбольше и составляет 850 мг/кг). В целом химические элементы с низкимиприродными концентрациями в почвах (ртуть—0,01 мг/кг, селен— 0,06 мг/кг,кадмий—0,5 мг/кг, мышьяк—5 мг/кг и др.), но широко вовлекаемые в современныйтехногенный круговорот, являются наиболее экологически опасными.Соответственно, небольшими являются и требуемые техногенные поступления этихэлементов, достаточные для глубокого преобразования природы урбанизированныхтерриторий.
Глава1. Нормирование качества почвы
В России былустановлен лишь один норматив, определяющий допустимый уровень загрязненияпочвы вредными химическими веществами — ПДК для пахотного слоя почвы. Принципнормирования содержания химических соединений в почве основан на том, чтопоступление их в организм происходит преимущественно через контактирующие спочвой среды. Основные понятия, касающиеся химического загрязнения почв,определены ГОСТом 17.4.1.03-84. Охрана природы. Почвы. Термины и определенияхимического загрязнения.
Предельнодопустимая концентрация в пахотном слое почвы (ПДКп) — это концентрация вредноговещества в верхнем, пахотном слое почвы, которая не должна оказывать прямогоили косвенного отрицательного влияния на соприкасающиеся с почвой среды и наздоровье человека, а также на самоочищающую способность почвы.
Нормативы ПДКпразработаны для веществ, которые могут мигрировать в атмосферный воздух илигрунтовые воды, снижать урожайность или ухудшать качество сельскохозяйственнойпродукции.
В настоящеевремя в Институте экологии человека проводятся исследования, направленные наобоснование индивидуальных нормативов ПДКп для различных типов почв.Таким образом, в ближайшее время следует ожидать того, что особенности миграциии трансформации вредных веществ в почвах будут отражены в системе нормирования.
Оценка уровняхимического загрязнения почв населенных пунктов проводится по показателям,разработанным при сопряженных геохимических и гигиенических исследованияхокружающей среды городов. Такими показателями являются коэффициент концентрациихимического элемента Кс и суммарный показатель загрязнения Zc.
Коэффициентконцентрации определяется как отношение реального содержания элемента в почве Ск фоновому Сф:
Кс=С/Сф.
Посколькучасто почвы загрязнены сразу
несколькимиэлементами, то для них рассчитывают суммарный показатель загрязнения,отражающий эффект воздействия группы элементов.
Суммарныйпоказатель загрязнения может быть определен как для всех элементов в однойпробе, так и для участка территории по геохимической выборке.
Оценкаопасности загрязнения почв комплексом элементов по показателю Zcпроводится по оценочной шкале, градации которой разработаны на основе изучениясостояния здоровья населения, проживающего на территориях с различным уровнемзагрязнения почв.
/>
Таблица 1
Ориентировочнаяоценочная шкала опасности загрязнения почв по суммарному показателю
Kатегории загрязнения почв
Величина Zс
Изменение показателей здоровья населения в очагах загрязнения Допустимая меньше 16 Наиболее низкий уровень заболеваемости детей и минимум функциональных отклонений Умеренно опасная 16-32 Увеличение общего уровня заболеваемости Опасная 32-128 Увеличение общего уровня заболеваемости, числа часто болеющих детей, детей с хрони-ческими заболеваниями, нарушениями функционирования сердечно-сосудистой системы Чрезвычайно опасная больше 128 Увеличение заболеваемости детского населения, нарушение репродуктивной функции женщин (увеличение случаев токсикоза при беременности, преждевременных родов, мертворождаемости, гипотрофий новорожденных).
/>/>
Глава 2. Загрязнениегородских почв свинцом: источник поступления, особенности накопления,перспективы оздоровления
На каждый квадратный метрсуши в течение года атмотехногенным путем в среднем выпадает 5.6—9.5 мг свинца[16]. Однако главная опасность для городских ландшафтов заключается не только ине столько в больших концентрациях поступления свинца в почвы. За тот же периодк уже имеющимся запасам, например, марганца, прибавляется почти в 2 разабольше, чем свинца. Тем не менее, экологическая опасность наличия свинца впочвах в 43 раза больше, чем того же марганца.
Такое, на первый взглядпарадоксальное, свойство свинца связано с его крайне низким исходнымсодержанием в почвах — 10 мг/кг (среднее содержание марганца в почвах в 85 разбольше и составляет 850 мг/кг). В целом химические элементы с низкимиприродными концентрациями в почвах (ртуть—0,01 мг/кг, селен— 0,06 мг/кг,кадмий—0,5 мг/кг, мышьяк—5 мг/кг и др.), но широко вовлекаемые в современныйтехногенный круговорот, являются наиболее экологически опасными. Соответственно,небольшими являются и требуемые техногенные поступления этих элементов,достаточные для глубокого преобразования природы урбанизированных территорий.
Поэтому неудивительно,что именно вышеназванные химические элементы являются приоритетными загрязнителямигородских почв и среди них свинец занимает особое положение. Как показываетвыборочный анализ в 14 городах России с высоким уровнем загрязнения, во всехслучаях наблюдается достоверная техногенная концентрация свинца и во всехслучаях в рядах техногенной концентрации свинец находится в первой тройкеприоритетных загрязнителей.
Детерминированностьурбопедотехногенных аномалий по отношению к свинцу характерна в том числе и длягорода Тюмени. Данные экологопедогеохимических исследований с отбором и последующимспектральным и атомно-абсорбционным анализом проб на 999 пунктах наблюдений впределах городской черты показали, что средняя концентрация свинца в почвахгорода в 3,5 раза превышает фоновую. В центрах аномалий эта величина можетрасти до 10—15- кратных размеров.
Основные источникипоступления свинца в почвы города
Сравнение среднихобщемировых концентраций (кларков) химических элементов в почвах ссоответствующими региональными фоновыми показателями свидетельствует, чтоприродные почвы региона обеднены оловом и литием, обогащены цинком и никелем.Концентрация свинца в зональных почвах соответствует общемировым нормам.Следовательно, высокие концентрации свинца в почвах в г. Тюмени связаныисключительно с его техногенными поставками.
Основными техногеннымипоставщиками свинца являются промышленность и транспорт.
До начала 90-х годов, доповального спада промышленного производства, вклад промышленности в загрязнениягородской среды свинцом был преобладающим. По сути, настоящая проблемасвинцового загрязнения почв города Тюмени была создана в течение несколькихпредыдущих десятилетий совместными «усилиями» более чем 180 промышленныхпредприятий — потенциальных источников свинца, условно объединенных в 9промышленных узлов. Воздействие промышленных узлов как концентрированных,мощных источников загрязнения на экосистемы города в первую очередьопределяется специализацией основных производственных предприятий.
Все промышленные узлыгорода (за исключением промузлов Южный и Затюменский) имеют в своей структурезначительную долю (16-38%) предприятии стройиндустрии, которые создаютпредпосьлки для повсеместного загрязнения свинцом городских экосистем. Долясвинца, например, в выбросах цехов готового кирпича, бетонно-смесительных икерамзитовых цехов весьма значительна и превышает фоновое значение в 10-100раз. Наибольшее число предприятий стройиндустрии (завод керамзитового гравия,заводы ЖБИ, ПО «Сантехкомплект») сосредоточено в Юго-Восточном промузле.
Большая доля (около 50%)предприятий машиностроения и металлообработки, в Затюменском (аккумуляторный,механический, электромеханический и ремонтно-механический заводы), Центральном(станкостроительный завод, завод строймашин) промышленных узлах припреобладании ветров западного и юго-западного направлений предопределяетсильное техногенное загрязнение почв свинцом в западной и центральной частяхгорода. Этому способствуют высокие концентрации свинца (в 100 — 1000 раз вышефона) в выбросах и сточных водах предприятий машиностроения и металлообработки.
Возрастание в 90-х годахэкологической роли транспорта в загрязнении свинцом городских почв связано нетолько с началом снижения производственного потенциала промышленности, но и сабсолютным ростом автомобильного парка, насчитывающего около 200 тыс. единиц,и, соответственно, транспортных потоков в городе. Уровень автомобилизациинаселения г. Тюмени в 1998 г. составил 170 легковых автомобилей на 1000 человекпри предельном для крупного города показателе 180 на 1000 человек.
Экологические последствиявысокого темпа автомобилизации города (прирост с 1991 по 1998 г., составил 1,5 раза, в т. ч. легкового—1,7 раза) усугубляются тем, что при остройнедостаточности магистральных улиц, проходящих по селитебной зоне (1,48 км/км2при норме 2,2—2,4 км/км2), при сообщении между районами города скоэффициентом непрямолинейности 2,0 транспортные потоки концентрируются восновном на нескольких центральных улицах города: Республики, Мельникайте,Челюскинцев, Мориса Тореза, Герцена, загружая их до состояния регулярныхзаторов [17]. Режим движения в заторах в несколько раз увеличивает вероятностьзагрязнения свинцом атмосферного воздуха, городских почв.
Специализация итерриториальное размещение промышленных предприятий, современное состояниеулично-дорожной сети и интенсивность транспортных потоков по ним, главнымобразом, определяют особенности техногенного накопления свинца в почвах города.
Особенноститехногенной концентрации свинца в почвах г. Тюмени
Граница статистически достоверногонакопления свинца в почвах, когда его концентрация в 2 — 3 раза превышаетфоновые показатели, совпадает с внешними границами городской застройки. Отпериферии к центру города концентрации свинца в почвах постепенно увеличиваютсяи достигают 10 —50-кратных фоновых показателей. Около 90% свинца (как и другихатмотехногенных поллютантов) накапливается в самых верхних горизонтах (0—10 см)городских почв. Книзу концентрация свинца экспоненциально снижается и уже наглубине 10—30 см выходит на фоновый уровень.
Общие запасы свинца вверхнем аккумулятивном десятисантиметровом горизонте почв г. Тюмени оцениваются(при среднем удельном весе почв, равном 1,3 г/см3) в 200—3500 т.Однако территориальное распределение этих запасов и его отражение в экспликациипочв с разной степенью свинцового загрязнения диаметрально противоположны(табл. 5.36).
Таблица 2
Экспликация загрязненныхсвинцом городских почвСтепень загрязнения, кратная фоновому содержанию Площадь ореола, га % Запасы накопленного свинца, т % 1-2,5 (низкая) 9266,4 40,8 200 4 2,6-5,0 (средняя) 9325,8 41,1 450 9 5,1-10,0(высокая) 3399,9 15,0 900 18 10,1-50,0 (очень высокая) 713, 3,1 3500 69
Более чем на 40%территории города почвы имеют среднюю, около 20% — высокую и очень высокуюстепень загрязнения свинцом. Но именно в этой одной пятой части городскойтерритории находится 80 —90% запасов свинца в почвах.
Педогеохимическаямозаичность в накоплении свинца в почвах является результатом, в первуюочередь, территориальной неоднородности атмотехногенного его поступления.Резкий подъем содержания свинца в атмотехногенных поступлениях в европейскихстранах и в Америке приходится на 40-е годы нашего столетия, который фиксирует,с одной стороны, начало интенсивного роста промышленного производства, с другой— использования тетраэтилсвинца в бензине. В Тюмени аналогичный рост связан сначалом «нефтяной лихорадки» в 50-х годах. Значит, существенная часть запасовсвинца в почвах г. Тюмени накопилась в течение последних 50 лет. За этот срокежегодно территории города с низким уровнем загрязнения получили около 36 мг/м2,со средним, сильным и очень сильным уровнями загрязнения — соответственно 80,4;441,2 и 8179,1 мг/м.2.
В г. Тюмени, такимобразом, интенсивность свинцового загрязнения почв по сравнению с мировыми показателямив 4—800 раз больше. Она значительно превосходит количество выпадений свинца,характерных для промьшленно развитых регионов вне прямого воздействиятехногенных источников — Польши, Германии, многих штатов США (18,2; 10,8 и28,6—70 мг/м2 соответственно).
Ореолы с высокимиуровнями атмотехногенного поступления в почвы свинца охватывают все предприятияЗатюменского, Центрального, Южного и Юго-Восточного промышленных узлов направобережье р. Туры и Тарманского и Северного — на левобережье.
Отростки ореолов саномально высокими концентрациями свинца тремя лопастями вытянуты из общегоцентра, находящегося в Затюменском промышленном узле в северовосточном,восточном и юго-восточном направлениях (рис. 5.20). По их осям симметриипроходят Транссибирская железная дорога, несколько центральных городскихавтомагистралей с интенсивным движением автотранспорта (ул. Республики,Щербакова и др.), Велижанский и Тобольский тракты.
Среди педогеохимическиханомалий свинца особенно выделяются почвы Затюменского промышленного узла иприлегающих к нему территорий. Здесь, в зоне непосредственного влиянияаккумуляторного завода, наблюдается статистически достоверное 3—4- кратноепреобладание свинца среди других тяжелых металлов, территориальноассоциированных со свинцом
Кластерный анализ наоснове данных наблюдения в 200 равномерно расположенных узлах сеточной области21 элемента (Mn, Ti, V, Ga, Be, Y, Yb, Ba, Li, Co, Cu, Zn, Ag, Pb, Sn, P, Cr,Mo.Ni, W и Ge) показал, что при доверительной вероятности 95% в выборочном коэффициенте0,60 свинец с серебром, цинком и медью образует территориально-геохимическуюассоциацию элементов. Это свидетельствует о гетерогенности и полиэлементностипедогеохимичееких аномалий свинца. Там, где свинец в городских почвах являетсяведущим элементом техногенных аномалий, ранжированные ряды накопления тяжелыхметаллов имеют следующий вид:
Затюменский промузел:
Pbl3,l>Ni3,8>>Zn2,9>W2,9>Cu2,0>Col,6;
Центральный промузел:
Pb5,5>Ni4,5> >Zli2,2>Cu2,I>Co2,0>Mol,8>Wl,8;
За исключением вольфрамаи молибдена все вышеназванные элементы в створе техногенного потока в почвахобнаруживаются на расстоянии до 40 км от соответствующих промышленных узлов,далеко за пределами города, образуя вокруг него полиэлементный ореол. В нем свинецявляется самым значительным по уровню содержания и самым устойчивым подальности обнаружения в почвах загрязнителем.
Высокий уровеньпоступления в почвы свинца отражается не только в радиусе егоурбоэкологического ореола, но и в особенностях его накопления в почвахразличных функциональных зон уже внутри города. Ореолы с высоким и оченьвысоким уровнями свинца в почвах не замыкаются пределами промышленных узлов. Всферу непосредственного воздействия источников свинцового загрязнениявовлекаются территории более чем половины селитебной зоны, значительная частьгородских рекреационных лесов и парков. Подсчет средних концентраций свинца вузлах равномерной сетки в пределах каждой из перечисленных функциональных зонпоказывает, что под влиянием техногенного пресса ожидаемые (из-за ихфункциональной принадлежности) различия между ними совершенно стираются (табл.3).
Таблица 3
Суммарные уровнизагрязнения тяжелыми металлами (А) и концентрации свинца (относительно к фону)в почвах (Б) отдельных функциональных зонФункциональные зоны А Б Промышленная 1,8 5,6 Селитебная 21,2 5,8 Рекреационная 18,0 5,5
Поэтому, как и натерритории промышленной зоны, в скудно озелененных микрорайонах города,селитебной зоне со значительной долей частного сектора вероятность поступлениясвинца в организм человека непосредственно с вдыхаемой пылью или черезтрофические цепи становится весьма высокой. Запасы свинца в почвах для этогобольше чем достаточны, на каждого жителя в настоящее время приходится 8400 г свинца. Заметим при этом, что пределы устойчивости человека к свинцу в почвах находится у 20мг/кг почвы. Относительно к пищевым продуктам этот предел еще ниже: от 0,05мг/кг для молочных продуктов до 0,5 мг/кг — для овощей и фруктов.
В этих жестких условияхспособность жителей г. Тюмени противостоять свинцовому давлению во многомзависит от устойчивости самих почв к загрязнению свинцом, от их способности ксамоочищению, перспективы их оздоровления.
Устойчивость городскихпочв к загрязнению свинцом, перспективы их оздоровления
Регулирование содержаниясвинца в почвах может быть осуществлено путем применения радикальных технологииочистки, корректировкой способности почв к самоочищению, использованием методовповышения устойчивости почв к свинцовому загрязнению. Радикальные технологииочистки почвы от свинца основаны на явлениях экстракции и ионообменных реакций,промывки под высоким давлением с последующей экстракцией. Эти технологииуменьшают содержание свинца в почвах в 100—1000 раз. Стоимость обработки 1тзагрязненной свинцом почвы эквивалентна 80—200 долларам США. Для очистки отсвинца 10-сантиметрового слоя только сильно — и очень сильно загрязненных почвг. Тюмени в случае применения вышеназванных технологий сегодня по курсу 25рублей за 1 доллар потребуется 11—27 млрд. руб.
Что же касаетсясамоочищения почв, об этом имеет смысл говорить только по отношению корганическим загрязнителям или легколетучим элементам. Самоочищение почв отсвинца если и может идти, то только путем растворения его соединений ипоследующего их удаления из почвенной толщи. Но абсолютное большинствораспространенных в почвах соединений свинца труднорастворимо. Поэтому внаиболее благоприятных условиях лишь малая часть (до 1%) от ежегоднопоступающего техногенного свинца выносится за пределы почвенного профиля, болеечем 99% накапливается почвами. Даже при полном прекращении поступления свинца впочвы самоочищение от уже накопившихся запасов свинца вландшафтно-климатических условиях г. Тюмени может длиться десятки, сотни тысячлет. Природные средства удаления свинца в масштабах времени, соизмеримого сжизнью человека, таким образом, неэффективны, и фактически происходитзагрязнение почв «на вечные времена». Практически свинцовое загрязнение можетизжить и пережить всю земную цивилизацию.
Но при этом не следуетзабывать, что городские почвы как открытая система, с некоторыми допущениями,постоянно находятся в поле действия принципа Ле Шателье, который гласит: если вхимическую систему, находящуюся в равновесии, добавить какое-нибудь вещество,реакция сместится таким образом, чтобы равновесие восстанавливалось врезультате поглощения части добавленного вещества. В условиях города Тюмени,где уровень загрязнения достигает десятков фоновых уровней, ответная реакцияпочв будет иметь направленность, в основном, в сторону уменьшения активностисвинца, в сторону его закрепления. В результате почвы приобретают свойствобуферности, устойчивости к загрязнению свинцом.
Степень этой устойчивостиопределяется комплексом собственно почвенных физико-химических иландшафтно-геохимических факторов. Наибольшую устойчивость почвам обеспечиваютфакторы, способствующие процессам концентрации, приводящие к уменьшениюподвижности свинца, закреплению и накоплению его в умеренно подвижных ималоподвижных формах посредством сорбции, хемосорбции и хемоседиментации. Чембольше и прочнее может удерживать почва различные соединения свинца (показательемкости), тем активнее они удаляются из почвенного раствора (показательинтенсивности) в состав соединений твердой фазы, тем лучше почвы сопротивляютсяповышению концентрации свинца в почвенном растворе. Наиболее значительнымипочвенными физико-химическими и ландшафтно-геохимическими факторами повышенияпоказателей емкости свинца в почвах являются мощность горизонта подстилки,мощность гумусового горизонта, количество гумуса, дисперсные фракции почв,глинистые минералы (аллофаноиды, монтмориллонит), высокая емкость поглощениякатионов, насыщенность поглощающего комплекса основаниями, аморфные гидроксидыжелеза, марганца и алюминия, нейтральная и слабощелочная среда (рН 6,5 — 8,0),нейтральные и щелочные окислительные, нейтральные и щелочные восстановительные,восстановительные сероводородные барьеры, наличие карбонатов и фосфатов.
В каждый момент времени,в каждой точке существует динамическое равновесие между показателями емкости иинтенсивности свинца в почве. Для некоторых показателей равновесное состояниеможет быть выражено количественно.
Например, при загрязнениипочвы труднорастворимыми солями свинца равновесие между твердыми и жидкимифазами почвы будет определяться произведением растворимости (ПР) этих солей:чем меньше ПР соли, тем устойчивее почва к данному соединению. Если сравнитьустойчивость почв к двум распространенным солям свинца, то окажется, что онавыше по отношению к фосфатам (ПР PbS = 8,2х10-48), чемсульфидам (ПР PbS = 1xl0-29).
Но для всех безисключения вышеперечисленных показателей емкости определение количественныхпараметров равновесного состояния не представляется возможным, особенно если оцениваетсяпространственная картина устойчивости почвенного покрова всего города. Поэтомудля определения степени устойчивости почв г. Тюмени к загрязнению свинцом вкаждом из 999 пунктов наблюдений выведен интегральный показатель емкости. Этотпоказатель равен сумме частных значений, основанных на лабораторных данных вовсех пунктах наблюдений по: кислотности почв, окислительно-восстановительномупотенциалу почв и валовому содержанию фосфора в почвах. Полученные интегральныепоказатели емкости и составленная на их основе карта относительной устойчивостипочв к техногенному давлению свинца выявляют территории города с крайненеустойчивыми, неустойчивыми, среднеустойчивыми, устойчивыми и весьмаустойчивыми почвами к загрязнению
В пределах современнойгородской черты крайне неустойчивые и неустойчивые почвы приурочены в основномк пойменным территориям р. Туры и занимают всего около 13% рассматриваемойтерритории. Наибольшую тревогу, из-за опасности проникновения свинца черезпищевые цепи в организм человека, вызывают крайне неустойчивые почвысадоводческих обществ, расположенных на пойме в районе оз. Турбеково и междупоселками Казарово и Мелиораторов, в северной части города. В застроенной частигорода, особенно на правом берегу р. Туры, преобладают среднеустойчивые,устойчивые и весьма устойчивые к загрязнению свинцом почвы, занимающие 87 %территории.
Накопленные запасысвинца, даже при весьма устойчивых в современной физико-химической обстановкепочвах представляют собой не что иное как «химические бомбы» замедленногодействия. Изменение условий, определяющих параметры наиболее значимыхпоказателей емкости, может сдвигать равновесное состояние в сторону уменьшенияустойчивости городских почв, увеличению геохимической активности накопленногосвинца.
Наиболее вероятно в этомплане увеличение кислотности почв, которому могут способствовать:
— трансграничныйрегиональный перенос загрязняющих веществ кислотной природы;
— выбросы городскихтеплоэлектроцентралей, работающих на газе;
— высокие темпы ростаавтомобильного парка города.
Трансграничныйрегиональный перенос кислотной природы связан с положением г. Тюмениотносительно крупных промышленных центров Свердловской области (гг.Екатеринбург, Нижний Тагил, Каменск-Уральский и др.). От стационарныхпромышленных источников области в атмосферный воздух ежегодно поступает около1500 тыс. т загрязняющих веществ, что составляет более 7% (2-ое место) поРоссийской Федерации. В составе выбросов преобладают оксиды серы и азота,приводящие к образованию серной и азотной кислот. Серная и азотная кислотывместе с естественными источниками ионов водорода главным образом иобусловливают общую концентрацию водород-ионов, отрицательный логарифм изкоторой показывает значение рН осадков в каждый момент времени переноса.
Установлено, что висходной точке и в начальный момент времени при концентрации диоксида серы иоксидов азота, равной предельно допустимым концентрациям (соответственно 50 и20 мкг/ м3), кислотность осадков при их годовом количестве 600 мм составляет 3,5 единиц рН [18]. С ростом дальности переноса показатели рН увеличиваются.Расчеты по региональному переносу показывают, что в г. Тюмени, находящемся нарасстоянии 300 — 400 км от основных промышленных источников Свердловскойобласти, при скорости переноса, равной примерно 20 км/ ч, осадки выпаду] споказателями рН около 3,7. В реальных условиях кислотность атмосферных осадковв г. Тюмени меньше расчетных значений (рН 4,2 — 7,5) и это в немалой степенисвязано с повышенной и устойчивой запыленностью городского воздуха, где немалуюроль, как уже отмечалось, играет недостаточная озелененность города иинтенсивное автомобильное движение.
Существенными источникамиоксидов серы и азота в самом городе являются теплоэлектроцентрали(соответственно 55 и 37% в структуре антропогенных выбросов), оксидов азота —автотранспорт (более 50%). Процессы закисления почв выбросами городскихтеплоэлектроцентралей при прочих равных условиях наиболее вероятны в восточнойи юго-восточной частях города, в зоне атмогеохимического воздействия ТЭЦ-1 иТЭЦ-2. Как показывают результаты исследования снегового покрова, здесь накаждый квадратный километр поверхности почвы только в холодный период годавыпадает 200—500.
Воздействиеавтотранспорта через улично-дорожную сеть распространяется, в отличие оттеплоэлектроцентралей, на весь город и, что особенно опасно, в наибольшейстепени на селитебную зону. В городских магистралях Тюмени с интенсивнымдвижением транспорта за 12 часов количество выбросов N0, составляет порасчетным данным в среднем около 65 кг на 1 км.
Если учесть, чтопротяженность магистральных улиц, проходящих по селитебной зоне, составляет 86 км, то только в селитебной зоне за сутки почвы получают около 6 т оксидов азота (предполагается,что подавляющая часть выбросов происходит в течение 12-часового интерваласуток), за год — более 2000 т.
По мере выделения оксидыазота, главным образом с помощью газофазных реакций, в течение примерно 10часов превращаются в азотную кислоту. Далее эквивалентная доля азотной кислотынейтрализуется присутствующим всегда в атмосфере города аммиаком. Оставшаясячасть кислот посредством вымывания дождем, туманом или снегом, а также и сухогопоглощения поступает на поверхность почвы.
В почве кислотыпоследовательно нейтрализуются на пяти эшелонированных буферных зонах(карбонатной 6,2
Анализ полей концентрацииводород-ионов в почвах показывает, что в настоящее время в г. Тюменинепосредственной угрозы приведения в действие «химической бомбы замедленногодействия», несмотря на интенсивное поступление кислотообразующих ингредиентов,нет. Судя по показателям рН городских почв (6,0—8,2), карбонатная буферная зонавсе еще имеет достаточную емкость для противостояния свинцовому давлению.
Известкование почв,внесение фосфорных удобрений, особенно в частном секторе городской застройки исадовых участках, расположенных в городской черте, как меры, наиболее доступныев современной социально-экономической ситуации, могут способствовать сохранениюсложившегося квазиздорового состояния городских почв. Наиболее перспективным вэтом плане, конечно же, является решение проблем свинцового загрязнения,непосредственно связанных с автотранспортом.
почва свинец безопасный концентрация
Глава3. Моделирование загрязнения чернозема свинцом с целью установленияэкологически безопасной концентрации
Проблеманормирования загрязнения почв различными химическими веществами была и остаетсяодной из наиболее сложных задач современной прикладной науки.
Былиспользован чернозем обыкновенный южно-европейской фации. Отбор почвы длямодельных опытов производили на территории опытно-полевого хозяйства ДонГАУ(пос. Персиановский Ростовской обл.) из пахотного горизонта.
Свинецвносили в разных дозах — 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0 и 10 ПДК (25, 50, 100, 250,500 и 1000 мг/кг соответственно). Использовали значение ПДК, разработанное вГермании, — 100 мг/кг почвы, в связи с тем, что российская ПДК свинца меньшеего содержания во многих почвах [3].
Свинецвносили в почву в виде оксида РЬО. На 70 — 90% загрязнение почвы тяжелыми металлами(ТМ) происходит в виде оксидов.
Таккак оксид свинца не растворим в воде, то для равномерного распределения во всемобъеме почвы вегетационного сосуда его сначала растирали с небольшимколичеством почвы, а затем тщательно смешивали с остальной почвой.
Инкубированиепочвы массой 1 кг проводили в стеклянных вегетационных сосудах при температуре20 — 22°С и влажности 60% наименьшей полевой влагоемкости. Модельные опыты проведеныв трехкратной повторности.
Состояниепочвы определяли через 30 сут. после загрязнения. Этот срок является наиболееинформативным при исследовании влияния химического загрязнения на биологическиесвойства почвы.
Лабораторно-аналитическиеисследования выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии ипочвоведении методов. Использовали биологические показатели как наиболеечувствительные и информативные [2, 6]. Численность аммонифицирующих бактерий имикроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотныепитательные среды (мясо-пептонный агар икислую среду Чапека). Численностьбактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастанияна среде Эшби. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, инвертазы — пометоду Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способностьопределяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного впочве в течение 10 дней. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновойизмеряли скорость разложения в почве мочевины. Фитотоксичность оценивали попоказателям прорастания семян озимой пшеницы (всхожесть, энергия, дружность искорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длинакорней, длина зеленых проростков).
Интегральныйпоказатель биологического состояния почвы (ИПБС) определяли на основе наиболееинформативных показателей ее биологической активности [4]: численностьаммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, инвертазы, целлюлозолитическаяактивность.
Длярасчета ИПБС значение каждого из шести указанных показателей в незагрязненнойпочве — контроле — принимали за 100 % и по отношению к нему выражали впроцентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затемопределяли среднее значение шести выбранных показателей для каждого вариантаопыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значенияразных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, таккак имеют разные единицы измерения.
/>
/>
/>
Рис.2 (а, б, в)
/>
Рис. 3 (а, б)
Выборбиологических показателей обусловлен следующими причинами. Численностьаммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояниередуцентов в экосистеме. Бактерии рода Azotobacter традиционно используют как индикатор химического загрязненияпочвы. Активность каталазы и инвертазы, целлюлозолитическая активность отражаютинтенсивность биологических процессов в почве. Каталаза характеризуетпротекание окислительно-восстановительных процессов, инвертаза —гидролитических. При этом активность ферментов каталазы и инвертазы служитпоказателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложенияполотна характеризует актуальную активность. Представленный набор показателейдает объективную информацию о протекающих в почве биологических процессах и еесостоянии.
Зафиксированонегативное воздействие свинца на общую численность бактерий в черноземе,определяемую люминесцентным методом (рис. 3, а). Этот метод имеет преимущества перед чашечным, так как обеспечивает болееполное выявление бактерий в почве. Однако его недостатком является тот факт,что нельзя дифференцировать активные и покоящиеся формы бактерий. Существенноевлияние на численность бактерий рода Azotobacter также оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве (рис. 3, б). Так, загрязнение почвы 0,25 ПДК свинца вызвалоснижение численности Azotobacter до 92% контроля, 10 ПДК — до 20 %. С увеличением концентрации свинца сильнеепроявляется его токсический эффект, нарушается метаболизм микроорганизмов,замедляются их рост и размножение.
Активностьпочвенных ферментов сильно зависела от содержания металла в почве. При внесениив почву 0,25 ПДК свинца активность каталазы снижалась до 99 % контроля, (Рис.2 а), дегидрогеназы — до 88 % (Рис. 2 б). При внесении дозы 10 ПДК активность каталазы падала до 74 %,дегидрогеназы — до 50 %.Уменьшение активностиисследованных окислительно-восстановительных ферментов объясняется ингибирующимвоздействием свинца.
Чувствительнымпоказателем проявила себя целлюлозолитическая активность почвы (рис. 2, в). Загрязнение чернозема свинцом привело к значительномуснижению его клетчаткоразрушающей способности.
Вкачестве тест-объекта для определения фитотоксичности почвы был использованредис (сорт Корунд). Семена редиса содержат небольшой запас питательных веществи соответственно более подвержены влиянию внешней среды, например избыточнойконцентрации свинца. Для всесторонней оценки степени токсичности почвыопределяли показатели их прорастания и начального роста.
Показателипрорастания — всхожесть (рис. 3, а), энергия,скорость и дружность прорастания снижались в меньшей степени, показателиинтенсивности начального роста — длина корней (рис. 3, б) и длина побегов (рис.3, в) — в большей.
Загрязнениесвинцом не оказало достоверного воздействия на содержание в почве гумуса. Этот показатель является более консервативным по сравнению сбиологическими показателями.
С целью выявления общихзакономерностей воздействия свинца на чернозем обыкновенный определяли ИПБСпочвы. Его рассчитывали по следующим показателям: общая численность бактерий,обилие бактерий рода Azotobacter, активностькаталазы, активность дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность (рис. 4, б).
Полученныеданные свидетельствуют о негативном воздействии свинца на свойства черноземаобыкновенного. Уже при внесении небольшой дозы загрязнителя (0,25 ПДК)наблюдалось снижение всех основных биологических показателей экологическогосостояния почвы.
Врезультате исследования [5] установлено, что химическое загрязнение почвы ТМприводит к нарушению выполнения ее экологических функций. Причем нарушениеэкологических функций почвы по мере увеличения концентрации химическоговещества происходит в такой последовательности: информационные биохимические,физико-химические, химические и целостные физические. Различные экологическиефункции почвы нарушаются при различной концентрации в ней загрязняющеговещества. Этот факт может лежать в основе экологического нормированиязагрязнения почв.
/>
Рис.4 (а, б, в, г, д)
Вкачестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагаетсяиспользовать ИПБС.
Порезультатам исследования было получено уравнение регрессии, отражающеезависимость ИПБС от содержания свинца. По этому уравнению были рассчитаныконцентрации ТМ, при которых происходит нарушение тех или иных функций почвы.
Предложенныйподход и полученные количественные значения содержания свинца в почве,вызывающие нарушение разных экологических функций, представляетсяцелесообразным использовать при экологическом нормировании, когда главной цельюдолжно быть сохранение экологических функций почвы.
Нижеприведена классификация загрязнения черноземов по содержанию в них свинца инарушению экологических функций, а также ответные действия по «оздоровлению»почв — способы санации [1, 4]: Нарушения экологических функций почвы непроисходит, пока значения ИПБС не снижаются более чем на 5 % [5]. Такоеснижение зарегистрировано при концентрации свинца более 45 мг/кг. Меньшеесодержание можно считать экологически безопасным.
Глава 4. Накоплениекартофелем растительных остатков при загрязнение почвы кадмием и свинцом
Изучено накоплениерастительных остатков картофелем на дерново-подзолистой среднесуглинистой почвев зависимости от удобрений и загрязнения почвы кадмием и свинцом. Установлено,что количество послеуборочных остатков находится в прямой зависимости отпродуктивности картофеля. На фоне совместного применения органических иминеральных удобрений загрязнение почвы кадмием увеличивало количество растительныхостатков в 1,3 раза, загрязнение свинцом в — 1,5 раза.
Надземные (пожнивные,поукосные) и корневые остатки культурных растений являются одним из основныхисточников восполнения органического вещества в почве. Различные антропогенныефакторы, в том числе загрязнение почв ТМ могут привести к неодинаковой реакциисельскохозяйственных культур как в накоплении растительных остатков так и всодержании в них различных элементов – загрязнителей.
Почва опытного участкадерново-подзолистая, среднесуглинистая, характеризуется слабокислой реакцией,средним содержанием гумуса, повышенным – подвижных форм фосфора и калия. Вкачестве удобрений использовали аммонийную селитру, двойной суперфосфат,хлористый калий в дозах по N –90, P2O5 – 90, K2O – 125 кг/га. Навоз вносили в дозе 30т/га.
В вариантах сзагрязнением вносили сернокислые соли свинца и кадмия в дозах по элементамсоответствующих среднему уровню загрязнения
Таблица 4
Влияние удобрений изагрязнения почвы кадмием и свинцом на урожайность картофеля и массу послеуборочныхрастительных остатковВарианты опыта Урожайность Масса остатков (корни + ботва) Масса корней Отношение остатков к урожаю клубней /> ц/га % к контролю /> ц/габсолютно сухого вещества с 1 га /> 1.Контроль (б/у) 83 100 6,6 4,5 0,08
2. NPK 244 294 8,6 5,8 0,04
3. Навоз + NPK 261 314 10,0 6,6 0,04
4. Cd 93 112 6,5 4,4 0,07
5. NPK + Cd 250 301 8,2 5,5 0,03
6. Навоз + NPK + Cd 273 329 11,7 7,2 0,04
7. Pb 77 92 6,0 4,3 0,08
8. NPK + Pb 241 290 7,5 5,3 0,03
9. Навоз + NPK + Pb 281 339 15,6 9,9 0,06
HCP05 18,1 - - - -
/> /> /> /> /> /> />
Результаты исследованийпоказали, что удобрения увеличивали урожайность картофеля более чем в 3 раза.При этом количество послеуборочных остатков находилось в прямой зависимости отпродуктивности картофеля. Внесение минеральных удобрений увеличивало количествоостатков в 1,3 раза, совместное внесение минеральных удобрений с навозом – в1,5 раза (таблица 4).
Загрязнение почвы кадмиеми свинцом оказывало стимулирующее влияние на количество корневых остатковкартофеля при совместном внесении органических и минеральных удобрений. Приэтом при загрязнении почвы Cd количествоостатков увеличивалось в 1,2 раза, свинцом – 1,6 раза.
В составе послеуборочныхостатков преобладали корни, удельный вес которых составил в вариантах беззагрязнения 66 – 68 %, при загрязнении почвы Cd – 62 – 68 %; Pb –63 – 72 %.
Отношение растительныхостатков к урожаю клубней снижалось при внесении органических и минеральныхудобрений.
Литература
1. Левин Ф.И. О роли картофеля вбиологическом круговороте азота и зольных элементов в дерново-подзолистой почве// Агрохимия, 1965. — № 5. – С. 27-36.
2. Леонова Н.С. Рост и развитиерастений картофеля в условиях in vitro при повышенной концентрации тяжёлыхметаллов в среде / С.-х. биология. Серия биология растений. – № 3. С. 107-109.
1. Добровольский Г.В.Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значениепочв). М.: Наука, 1990.
2. Звягинцев Д.Г.,Кураков А.В., Умаров М.М., Филип 3. Микробиологические и биохимическиепоказатели загрязнения свинцом дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 1997.№ 9.
3. Колесников СИ, КазеевК.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелымиметаллами. Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2000.
4. Колесников СИ., КазеевК.Ш., Вальков В.Ф. Биоэкологические принципы мониторинга и нормированиязагрязнения почв. Ростов-на-Дону: ЦВВР, 2001.
5. Колесников СИ., КазеевК.Ш., Вальков В.Ф. Экологические функции почв и влияние на них загрязнениятяжелыми металлами // Почвоведение. 2002. № 12.
6. Колесников СИ., Казеев К.Ш.,Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химическогозагрязнения. Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2006.