Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди актуальных экологических проблем одними из жизненноважных являются агрозкологическяй мониторинг состояния и функционирования агроландшафтов, а также разработка приемов рационального и безопасного использования сельскохозяйственных угодий, продукции и сырья, подвергшихся техногенному загрязнению.
В ряде административных районов Смоленской области (например, в сельскохозяйственных ландшафтах, примыкающих к промышленной зоне г. Дорогобужа) сложилась неблагоприятная экологическая обстановка, обусловленная промышленными техногенными выбросами (твердыми, жидкими и газообразными) и аккумуляцией различных экотоксикантов в почвах, растениях, природных водах (Гордеев A.M. с соавт., 1995, 1997). Накопление экотоксикантов, в частности тяжелых металлов (ТМ), происходит в основном двумя путями: аэраль-ным и почвенным. Последний связан с поступлением ТМ в составе целевых средств химизации - пестицидов, известковых мелиорантов, труднорастворимых фосфорных удобрений и других. Аэральный источник загрязнения вызван деятельностью ТЭЦ, химических и иных предприятий, автотранспорта. Только в <998 году масса аэральных выбросов в атмосферу (в изучаемом регионе) от стационарных прсмш-ленных источников составила 67,8 тыс. тонн. В том числе тыс. т: 17,21 - твердые продукты; 25,7 - оксиды серы; 12,9 - оксиды углерода; 10,3 - оксида азота; 0,45 - углеводороды и другие. Дополнительный привнос указанных- веществ связан с транзитным (пи-ротным) перемещением воздушных масс из Атлантики через Западную Европу в центральные области России. В почвах техногенные химические соединения трансформируются и оказывают ряд негативных (и взаимосвязанных) воздействий на элементарные почвенные процессы, усиливая, например, кислотный гидролиз минералов, абиогенную (вяутрипрофяльнув) миграцию кальция и других металлов, деградацію'гумусовых веществ, способствуя сухцессиям живых организмов и -т.д. (Зырия Н.Г., Обухов А.И., 1983; Алексеев Ю.А., 1987; Каурнчев И.С, Яшш И.М., 1989, 1991, 1996; Кислотные дождя .... 1989; Черников Б.А..с соавт., 1995, 1997).
Своеобразно указанных почвенных реакций состоит в том, что в условиях таегяых ландшафтов ведущие макроироцессн (гумусо-,
подзоло- и гдееобразование) протекают при активном.участии мобильных гумусовых соединений (фульвокислот, полифенолов, органических алифатических кислот...) с ярко выраженными кислотными и комплексообразующими свойствами. Эти группы органических веществ участвуют как в детоксикации ионов ТМ, так и в их водной миграции в почвах и ландшафтах (Фокин А.Д., 1275, 1986, 1990; Карпухин А.И., Янин И.М., Черников В.А., 1993; Гуминовые вещества в биосфере ...,1990).
В этой связи агроэкологический мониторинг загрязнения ландшафтов как ТМ, так и другими экотоксикантами, целесообразно организовать в основных г взаимозависимых звеньях природной системы: почвы (почвенный покров) - сельскохозяйственные растения (корма, продукция и сырье) - животные (продукты питания...) -человек (включая оценку состояния здоровья, особенности биогес-химических эндемий, специфику заболеваний...). Подобный подход позволяет более полно охарактеризовать состояние и устойчивость современных агролакдшафтов (полевых, садовых, огородных, сенокосных, пастбищных...), а также решить ряд первоочередных задач, связанных с безопасной жизнедеятельностью людей, проживающих в неблагоприятных (и даже экстремальных) экологических условиях.
Цель исследований. Основной целью исследований являлось изучение особенности химического загрязнения агроландшафтов (полевых, огородных, садовых) вблизи Дорогобужского дромузла Смоленской области с помощью методов локального агроэкологического мониторинга.
Задачи исследований:
выявить характер и степень загрязнения сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами и иными элементами в районе промузла г. Дорогобужа;
определить коэффициенты концентрации и суммарные показатели концентрации в частности тяжелых металлов, на основе анализа почв промышленной (загрязненной) зоны и фоновых участков;
изучить влияние техногенных выбросов на качество продукции растениеводства и животноводства, а также на здоровье населения Дорогобужского административного района;
исследовать в полевых и вегетационных опытах воздейстше средств химизации (минеральных и органических удобрений, известковых мелиорантов и трепела) на поведение в дерново-подзолис-
тых и пойменных почвах тяжелых металлов (в частности, накопление их мобильных форм);
— дать вколого-экономическую оценку использования загрязненных почв в сельскохозяйственном производстве.
Научная новизна исследований. Впервые в ландшафтах Дорогобужского промышленного узла были проведены агроэкологические исследования в сопряженной природной системе: "почвы - сельскохозяйственная растительность - животные - человек".
Практическая значимость. На основании результатов вегетационных и полевых стационарных опытов, а также материалов поч-венно-геохимического картирования в Дорогобужском районе реализован комплекс агроэкологачеокнх мероприятий, позволивший заметно снизить экологическую напряженность в агроландшафтах промзо-ны г. Дорогобужа.
Объекты и методы исследований. Агроэкологический мониторинг в ландшафтах промзоны г. Дорогобужа выборочно уже проводился в 1989-91 годах по инициативе Исполкома Дорогобужского районного Совета, который в те года возглавлял автор настоящей работы.
Территория изысканий приурочена к западному макросклону Смо-лонско-Шсковской возвышенности и охватывает часть долины реки Днепр. Абсолютные отметки водоразделов составляют 220-240 м над уровнем моря.. Склоны речных долин, холмов и оврагов покрывает современный делювий, сменяющийся на водоразделах покровными суглинками. Основной фон почвенного покрова составляет дерново-подзолистые почвы, эродированные на склонах. Б пределах Верхне-Днеп-ровской низины и в поймах рек Днепра, Вопец и Сукромли распространены дарново-глеевые, пойменные, дерновые и другие почвы. Дерново-подзолистые почвы, используемые в сельском хозяйстве, преимущественно слабоокультурены: имеют сильно,- и среднекислую реакции (рН 4,1-5,1), бедны гумусом (гумуса меньше 1,5-1,7^) и подвижными формами Р а К, ненасышены щелочноземельными основаниями (Маймусов Д.Ф., 1992).
В основу организация и проведения мониторинговых изысканий в агроландшафтах были положены методические разработки ведущих отечественных специалистов из.ШМГЭ ШГРЭ (Сает Ю.Е. с соавт., 1982, 1983), МГУ ем. М.В, Ломоносова (Перельмая А.И., 1975 к Глазовская М.А., IS64, 1988...), Тимирязевской сельскохозяйственной академии (Кауричев К.С. и Явна И.Н., 1974, 1989, 1990;
Черников В.А., 1984; Фокия А.Д., 1986), а также ВДНАО (Кузнецов А.В., 1996...) и других учреждений.
Оценку экологической опасности, возникшей вследствие устойчивых техногенных нагрузок, проводили двумя методами: первый - с помощью педогеохимичеокой индикации загрязнения почв Ш (Гла-зовская М.А., 1981...) и второй - путем их санитарно-гигиенической оценки - на основе показателей ПЖ (Ильин В.Б., 1990,1991).
При первом методическом подходе рассчитывали коэффициенты концентрации (К^) загрязнителей по формуле О):
КквСі/Сф (О
где: 1^ - коэффициент техногенной концентрации, в частности тяжелых металлов (безразмерная величина). Сі - содержание химического элемента в загрязненной пробе
(мг/кг), С* - фоновое содержание того же элемента (мг/кг) в эталонных образцах. Kj^ показывает во сколько раз содержание, например исследуемого ТМ в почвах агроландшафтов, вше его содержания в фоновых (незагрязненных) почвах. IL отражает интенсивность загрязнения, но не раскрывает генезиса и трансформации ТМ, находящихся в техногенных продуктах.
В качестве эталонных (фоновых) участков были выбраны агро-ландшафты вне зоны действия промышленных предприятий г. Дорого-бужа - 640 км вжнее, близ г. Ельни. При этом были использованы методические рекомендации, изложенные в книге "Ландшафтно-гео-химические основы фонового мониторинга природной среды" (1989). Уровни загрязнения почв, оценивавшиеся по величинам 1^, соответствуют следующим градациям: Кк> 1 < 2, уровень - минимальный; 2-4 - слабый; 4-8 - средний; 8-16 -сильный; 16-32 - очень сильный, > 32 - максимальный.
Для оценки полиэлементных аномалий в ландшафтах, примыкающих к промышленным объектам г. Дорогобужа, использовали суммарный показатель концентрации (СЇЇК) загрязнителей, который рассчитывался по формуле (2):
ъс = ек^ - (п - і) (2)
где:, zc - суммарный показатель концентрации,
Kjj - коэффициенты концентрации ТМ > 1,
n - число химических элементов с Кк> 1.
Параметр СПК отражает совокупную техногенную нагрузку на конкретный ландшафт, обусловленную влиянием всех элементов с аномально высокими концентрациями (Геохимия..., 1990). Для них Z0 > 100-120.
7ровни загрязнений почв по величинам суммарного показателя концентраций соответствуют таким градациям: СПК < 8 - уровень минимальный; 8-16 - слабый; 16-32 - средний; 32-64 - сильный; 64-128 - очень сильный; > 128 - максимальный.
Во втором случав проводилась санитарно-гигиеническая оценка загрязнения почв ТМ и на основе их нормирования и использования показателя ПДК (Ильин Б.Б., 1990). Известно, что основными химическими факторами, влияющими на уровень ПДК тяжелых металлов в почвах тайги и широколиственных лесов, являются их кислотно-основные свойства, окислительно-восстановительные условия, гумусовое состояние, а также особенности мобилизации водорастворимых, органических веществ (в т.ч. и фульвокислот...) и их внутрипро-фильная миграция (Черников В.А., Шин И.М., 1995). Параметр ПДК находится еще на стадии методической разработки.
ПДК по ТМ почв были использованы из ГОСТов: (ГОСТы -* 443387, Й 3210-85, * 2546-82 и J» 1968-79). ПДК по РЬ - 3,2; Hg - 2,1; Аз - 2,0;ЗЬ -4,5;Ып -1500 и V - 160 мг/кг...
Параметры нормирования ПДК растениеводческой и животноводческой продукции соответствуют "Предельно допустимым концентрациям ТМ и Аз в продовольственном сырье и пищевых продуктах" (СанПиН - 42-123-4089-86 от 31.03.96).
Отбор проб растительного материала и продукции проводили по методике ЦИНАО. Диагностику ТМ в растительных пробах осуществляли после сухого озоления образцов в муфеле и растворения оксидов металлов в составе золы смесью концентрированных кислот: гого^ + KCI. Результаты пересчитывали на сырую массу.
Количественный анализ подвижных форм ТМ в почве после перевода элементов в раствор соответствующими реагентами (ам/онийно-ацетаткый буфер при рН 4,8) выполняли спектральнім, атомно-об-сорбцаонпы!! (спектрофотометры ДгС-13 и ААС-3) з химическими методами (Ильей В.Б., 1991; Обухов А.К. с соалт., 1995; Методичос-
кие указания по определению ТМ в кормах, растениях, почве. ШЕЮ, 1993).
Для оценки степени и характера загрязнения почв агроланд-шафтов ТМ проводили почвенно-геохимическое картирование. На первом этапе оно осуществлялось в мелком масштабе (МН :Н0О0ОО0), а отбор почвенных образцов (от 1 до іО) из гумусового горизонта 0-Ю см выполняли по сети <х< км. Подобный подход позволил выявить ландшафтные (крупные) очаги техногенного загрязнения почв, тяготеющие к промышленным объектам. На втором этапе отбор проб почвы (18-24) осуществляли в крупном масштабе (Mi :20000) по сети 200x200 м.
Это позволило заметно детализировать ситуацию и уточнить локальные очаги загрязнения конкретными ТМ. В частности, было отмечено, что наряду с атмотехногенным загрязнением ландшафтов, в промзоне г. Дорогобужа существуют складируемые золоотвалы ТЭЦ и хранилища конверсионного СаС03. Вокруг таких отвалов формируются обширные техногенные ореолы, служащие источником повторной эмиссии ТМ (Гордеев A.M., Дементьев Н.А., 1998).
При организации полевых опытов (I99I-I993 гг.) использовали рекомендации Доспехова Б.А. (1979), Изучали эффективность агротехнических приемов и действие ряда мелиорантов (OaCOj MgCOj и трепела) на накопление ТМ в почвах и сельскохозяйственной продукции как в автономных (элювиальных) ландшафтах - на водоразделе, так и в пойменных. Схема опыта в обоих случаях была следующая:
-
Контроль - без применения удобрений и химических мелиорантов .
-
Мелиорант - цеолитовая порода (трепел) - 10 т/га.
-
ЯРХ - 3 ц/га нитроаммофоски (по 45 кг каждого д.в. на 1 га)
-
NPK + известь, 5 т/га доломитовой муки (далее известь).
-
ЯРК + известь + навоэ чОО т/га.
-
КРК.+ известь + навоз + трепел.
По сведениям Чумаченко И.Н. (1998), например в азофоске производства ОАО "Дорогобуж" содержится (мг/кг): Сг (117), Си (123) Ып (147), Я і (92), РЪ (Ю), Zn (123), Аз (2) И Cd (2)...
В известковой муке (по данным Поповой А.А., 1991) содержится (мг/кг): Cd (0,2), РЪ (28,0), Zn(22,0), Си (6,3) и в і (2,4)...
Опыты были, заложены в четырехкратной повторности. Учетная площадь делянки 98 u . В качестве органического удобрения использовали полуперепревший навоз КРС. Образцы почв с опытных участков на химический анализ и содержание тяжелых металлов отбирали из пахотного слоя в iO точках каждого варианта перед закладкой опыта и в конце вегетации растений, а из подпахотного слоя (А2 и АрВ) - выборочно. В садах, индивидуальных огородах и овощных плантациях смешанные образцы отбирали также из пахотного слоя.
Растительную продукцию - клубни картофеля, капусту, яблоки, морковь, зерно оз. ржи... - собирали в августе - сентябре. Учет урожайности выполняли сплошным методом.
Содержание гумуса, подвижного фосфора и калия, рН определяли по общепринятым методикам (соответственно по ГОСТам: гумус -26213-74; Р и К - 26207-84; рНС0Д - ионометрически - 24483-85 ... ВДНАО, 1993).
Зооветеринарные исследования мяса, молока, печени, почек и сердечной мышцн КРС проводили по общепринятым методикам в Смоленской научно-исследовательской ветеринарной станции и в Смоленском СХИ.
Был изучен химический состав опытных образцов извести, навоза, минеральных удобрений и трепела (мелиорант). Например, известковые мелиоранты обогащены стабильным изотопом sr. Трепел тлеет следующий химический состав (%): SiO - 74,5, ai^Oj -9,7, CaO - 0,3; HgO - 1,8; ?e20j - 2,7.
Перед закладкой полевых опытов в пойме р. Днепра проведено коренное улучшение лугов (фон опыта): вспашка на 20 см, разделка пласта дисковыми боронами, ярикатнвание до и после посева лугопастбищных трав. Органические и минеральные удобрения, мелиоранты вносили под вспашку и дискование в соответствии со схемой опыта.
Нормы.высова лугопастбишяоЙ травосмеси - 30 кг/га. В составе беспокровной травоомесл использовали следующие вида трав (кг/га): тимофеевка луговач - 15,7; овсяница луговач - 4,8; ега сборная - 5,3; клевер белый - 2,0; клевер красный - 1,7. При подборе травосмеси учитывали наличке седан в регионе, бш.чогк-49CKS8 особенности трав я условия водного рзгзша поименных почв - продолглтвльяоеть ах затопления паводковими водами и рзззитяз
оглеения почв при временном переувлажнении (Кауричев И.С, Орлов Д.С., 1988).
По такой же схеме (как и в полевых опытах) в четырехкратной. повторности были проведенн вегетационные опыти с ячменем и тимофеевкой луговой. Б вегетационные сосуда с массой почвы 7,5 кг (кроме контроля) внесено соответствующее схеме опыта количество химических мелиорантов (г): известь - 30, трепел - 30, навоз -300, аммофос - 0,6, хлористый калий - 0,6.
Математическую обработку результатов опытов осущзствляли методом дисперсионного анализа по Доспехову Б.А. (1979). Основные положения, выносимые на зашиту:
і. Оценка накопления ТМ и других элементов-токсикантов в почвах и растительной продукции при техногенном загрязнении и использовании средств химизации.
-
Характер и степень загрязнения животноводческой продукции ТМ.
-
Использование ряда химических мелиорантов (тонкодисперсных фракций изеєсти и трепела) для уменьшения масштаба мобилизации и миграции ТМ в агроакосистемах (т.е. снижения уровня загрязнения продукции).
-
Оценка состояния здоровья населения, проживающего в зоне Дорогобужского промышленного узла.
-
Эколого-экономическая концепция развития и функционирования АПК на современном этапе в изучаемом регионе (промзона г. Дорогобужа).
Апробация работы. По материалам исследований опубликовано девять научных работ. Результаты изысканий докладывались на всероссийских и региональных научных конференциях в Смоленском СХИ и на кафедре экологии и ЩЦ МСХА им. К.А. Тимирязева (1996-1999 гг.).
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста; состоит из введения, 5 глав - обзора литературы, экспериментальной части, выводов и предложений производству. Включает 31 таблицу и 10 рисунков. Список литературы содержит 171 источник, из них 30 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Агроэкологический мониторинг в ландшафтах промышленной зоны г. Дорогобужа
