Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема техногенного загрязнения агроландшафтов и возможные пути ее решения 8
1.1. Основные загрязнители природной среды 8
1.2. Трансформация техногенных загрязняющих веществ в экосистемах 13
1.3. Комплексные мелиорации как средство снижения негативного влияния техногенеза на природную среду 23
1.4. Методы оценки интенсивности загрязнения тяжелыми металлами экосистем 28
Глава 2. Характеристика объектов, методов и условий исследований 32
2.1. Характеристика техногенного состояния экосистем Рязанской области 32
2.2. Почвенные условия и характеристика объектов исследований 39
2.3. Методы проведения исследований 45
2.4. Метеорологические условия в годы исследований 55
Глава 3. Экологическое состояние агроландшафтов Рязанской области .58
3.1. Оценка интенсивности загрязнения тяжелыми металлами почв агроландшафтов Рязанской области 58
3.2. Оценка экологической ситуации в зоне воздействия Рязанской ГРЭС 75
3.3. Анализ азотных загрязнителей атмосферы в агроэкосисте-мах Рязанского региона 84
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований способов деком пенсации экосистем за счет агротехнических мероприятий в условиях высокого уровня загрязнения почв 94
4.1. Влияние удобрений и орошения на продуктивные функции вико-овсяной смеси в условиях смоделированного загрязнения темно-серой лесной почвы свинцом и кадмием 94
4.2. Оценка влияния санации почвы на транслокацию токсикантов в системе «почва - растение - лизиметрические воды» 98
Глава 5. Эколого-экономическая эффективность оптимизации агроландшафта агрохимическими приемами в условиях техногенного загрязнения почвы 105
5.1. Влияние агромелиоративных приемов по детоксикаци загрязненной свинцом и кадмием почвы на урожай и качество вико-овсяной смеси 105
5.2. Экономическая эффективность комплекса мероприятий по детоксикации загрязненной тяжелыми металлами темно-серой лесной тяжелосуглинистой почвы 107
Выводы 112
Предложения производству 114
Список используемой литературы 116
Приложения 140
- Трансформация техногенных загрязняющих веществ в экосистемах
- Почвенные условия и характеристика объектов исследований
- Оценка экологической ситуации в зоне воздействия Рязанской ГРЭС
- Оценка влияния санации почвы на транслокацию токсикантов в системе «почва - растение - лизиметрические воды»
Введение к работе
Актуальность исследований. Для центра Нечерноземной зоны Российской Федерации, в том числе Рязанской области, одним из приоритетных направлений является ведение сельского хозяйства в условиях техногенного загрязнения биосферы. Антропогенное воздействие на агроландшафты, заключающееся в химическом загрязнении отходами, выбросами, сточными водами промышленного и сельскохозяйственного производства приобрело глобальный характер, прогрессирует и требует необходимых мер защиты почвы, воды и растительности. Устойчивость экосистем сохраняется в том случае, когда не нарушаются её долговременные функции: продуктивность, биоразнообразие.
Фотохимические процессы в атмосфере, физико-химические и биологические - в водной и почвенной среде, не обеспечивают детоксикации резко возросшего количества загрязнителей. Опасными являются высокие концентрации тяжелых металлов, оксидов азота, аммиака, которые поступают в атмосферу и биосферу в результате промышленных выбросов. При этом изменяются природные процессы миграции и трансформации веществ, естественный химический состав почв, растений и подземных вод.
Ведение земледелия, на техногенно загрязненных почвах, становится одной из актуальных проблем экологии и сельскохозяйственного производства. Наиболее масштабными источниками атмосферного загрязнения Рязанского региона являются промышленные комплексы г. г. Рязани, Пронска. Аэрогенный перенос загрязнений является наиболее масштабным способом воздействия на природную систему, так как он является непрерывно действующим.
Разработка научно обоснованных приемов детоксикации почв актуальна и необходима для обеспечения устойчивости земледелия, получения экологически безопасной продукции, предупреждения дальнейшего распространения загрязнителей через почву, растения и подземные воды. Поэтому изучение целого комплекса миграции поллютантов в системе «атмосфера (ее осадки) - почва - растения - подземные воды», их интенсивности загрязнения направлено на решение проблемы реабилитации загрязненных сельскохозяйственных угодий, представленные в диссертационной работе, весьма актуальны.
Цель исследований - экологическая оценка поступления приоритетных загрязняющих веществ в сельскохозяйственные и природные экосистемы Рязанской области и разработать экологически обоснованные мероприятия по снижению возможных неблагоприятных эффектов загрязнения, в том числе средствами комплексных мелиорации.
Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:
изучить источники и степень техногенного воздействия на окружающую природную среду;
дать оценку современного состояния экологической ситуации в аг-
роэкосистеме Рязанского региона;
проследить динамику миграции, трансформации химических элементов в зоне воздействия Рязанской ГРЭС;
определить спектр приоритетных загрязняющих веществ в объектах исследований;
дать экспериментальное обоснование агрохимических мероприятий, направленных на реабилитацию техногенно загрязненных почв в условиях вегетационного опыта;
оценить эколого-экономическую эффективность исследуемых агрохимических мелиорации для детоксикации загрязненных почв.
Научная новизна работы заключается в обосновании набора приоритетных загрязняющих веществ специфичных для Рязанского региона в соответствии со сложившимся уровнем техногенного воздействия и геохимической специализацией промышленности, выявлении пространственных закономерностей эколого-геохимической устойчивости агроэкосистем различных типов, а также в теоретическом обосновании и разработке эколого-экономически оптимальных агромелиоративных мероприятий, способствующих получению экологически безопасной продукции.
Основные положения, выносимые на защиту:
оценка региональных техногенных источников загрязнения атмосферы предприятиями основных отраслей экономики Рязанской области;
характеристика интенсивности загрязнения агроценозов тяжелыми металлами, показать географическую специфику распространения загрязнителей;
оценка интенсивности загрязнения азотными соединениями снежного покрова и биосферы центральной части Рязанского региона;
балансовый анализ загрязнения приоритетными элементами геосистем зоны воздействия Рязанской ГРЭС;
закономерности миграции загрязняющих веществ в агроландшаф-тах Рязанского региона и процессы их геохимической трансформации;
влияние агрохимических приемов на экологические функции темно-серой лесной тяжелосуглинистой почвы;
эколого-экономическое обоснование мелиоративных мероприятий по повышению геохимической устойчивости техногенно загрязненных агроэкосистем.
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что они нашли востребование в проектной и эксплуатационной деятельности производственных организаций (Проектно-изыскательский институт «Авто-дормостпроект» филиал ОАО «Рязаньавтодор», Управление Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Рязанской области) и внедряются рядом хозяйств Пронского и Скопинского районов Рязанской области.
Основы оптимизации загрязненных ТМ темно-серых лесных почв мо-
гут также использоваться для обоснования параметров и технологий улучшения эффективного плодородия малопродуктивных почв.
Результаты исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по подзаданию: 03.01.03.05 «Разработать агробиологические мелиорации техногенно загрязненных почв южной части Нечерноземной зоны РФ» (2006-2008), этап: разработать технологический регламент и рекомендации к применению агрохимической мелиорации почв, подверженных техногенному загрязнению, в условиях южной части Нечерноземной зоны РФ» (2008).
На основании результатов исследований для ООО «Агрофирма МТС Нива-Рязани» Скопинского района Рязанской области были подготовлены и переданы рекомендации по ликвидации техногенного загрязнения деградированных почв, что позволило обеспечить благоприятные экологические условия для выращивания сельскохозяйственной продукции и повысить урожайность зерна на 36%.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на международных, всероссийских и отраслевых конференциях и совещаниях: «Проблемы мелиорации водохозяйственного строительства и обустройства сельских территорий на современном этапе» (Горки, Беларусь, 2001); «Ресурсосберегающие и энергоэффективные технологии и техника в орошаемом земледелии» (Коломна, ООО «Инлайт», 2003); «Экологическое состояние природной среды и научно-практические современные мелиоративные технологии» (Рязань, 2004); «Экологическое состояние природной среды и научно-практические современные мелиоративные технологии» выпуск 2 (Рязань, 2006); «Журнал для ученых, специалистов и практиков «Плодородие» - № 1(46)2009; «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологически устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» (Рязань, 2009).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 5 печатных работах, из них 3 статьи в журналах из списка ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложенных на 149 страницах. Библиография включает 231 источник, в том числе 8 на иностранных языках. Работа содержит 18 рисунков, 35 таблиц.
Трансформация техногенных загрязняющих веществ в экосистемах
Почвы выступают в роли фильтра, «полупроницаемой мембраны» на пути аэрального потока загрязнителей в ландшафты. Педосфера регулирует массопотоки элементов посредством системы равновесий и взаимопереходов между различными их формами [45, 88, 90, 92].
Поступающие соединения азота из атмосферы попадают в поверхностные воды, почвенный воздух, более глубокие горизонты биосферы, где часто преобладают среди других газов. Оксиды NO и NO2 взаимодействуя с водой и окисляясь, дает азотную кислоту. Анионы азотной кислоты (NO3) и катион NH4 служат источниками азотного питания растений. Азот входит в состав разнообразных органических соединений, среди которых важнейшими явля ются белки, содержащие 16-18% N [2].
Входя в состав органических соединений, N заряжается энергией, в то время как нитрификация сопровождается ее выделением. Следовательно, в биосфере N является геохимическим аккумулятором энергии [2,158].
Техногенез изменил круговорот N, усилил процессы, обогащающие ноосферу неорганическим азотом за счет сжигания угля, нефти, торфа, применения необоснованных норм азотных удобрений. Коэффициент использования азотных удобрений растениями составляет 50-60%, что приводит к миграции данных соединений из почв в водоемы, приводит к их эвтрофикации [158]. Скорость латерального переноса подвижных ионов (N02, N03) зависит от гидрогеологических характеристик почв, степени дренированности уровня грунтовых вод и интенсивности водного обмена [64].
Поступающие из атмосферы металлы в той или иной степени фиксируются почвой. Как правило, они неустойчивы в гипергенной обстановке, разрушаются почвенными органическими кислотами, сорбируются компонентами ППК, осаждаются в виде нерастворимых солей. Однако вследствие интенсивности сорбции ТМ пребывают в растворе непродолжительное время и концентрация их незначительна [116, 160].
Основную роль в закреплении металлов почвой играют органическое вещество, глинистые минералы, гидроксиды железа и марганца. Вначале металлы сорбируются в основном неспецифически. Со временем происходит упрочение связи ТМ с ППК, что выражается в уменьшении содержания водорастворимых и непрочносвязанных форм; в природных условиях этому способствует частая смена режимов увлажнения и высушивания почвы. В процессе сорбции ТМ почвой они иммобилизуются и переводятся в нетоксичные формы, некоторые входят в кристаллическую решетку алюмосиликатов [223]. РЬ и Си трансформируются в почве в менее подвижные, a Zn и Cd -в более подвижные соединения [24, 187, 88, 223].
Гумусовые вещества (ГВ) фиксируют ТМ путем специфической и не специфической адсорбции, которая осуществляется при переходе металла в раствор по механизму ионного обмена; в ее основе лежат силы электростатического взаимодействия. Сорбции способствует отрицательный заряд почвенных частиц и присутствие ТМ в почвенном растворе в виде двухвалентных катионов или, что более для них характерно, в виде аквакомплексов типа МеОЕҐ. В интервалах рН, типичных для почвообразования (4-8), наиболее активны функциональные группы (ФГ) со слабокислой реакцией - СООН и С6Н5-ОН[14, 15,161].
Гуминовые кислоты (ГК) фиксируют металлы более прочно, чем фуль-вокислоты (ФК). Степень прочности связи ТМ с органикой зависит также и от свойств самого металла: Си связывается прочнее, чем Zn и Cd, но менее прочно, чем РЬ. При этом РЬ и Си тяготеют в основном к высоко- (ГК), a Zn и Cd - к средне- и низкомолекулярной (ФК) органике, что повышает подвижность последних и способствует более прочной фиксации в профиле почвы первых. В почвах степного педогенеза с высокой степенью насыщения ПИК основаниями адсорбция идет более интенсивно, стимулируется специфическая сорбция даже Zn и Cd, а емкость катионного обмена (ЕКО) гумусовых кислот увеличивается до 1000 мг-экв/100 г [24, 88, 21].
При взаимодействии ТМ с глинистыми минералами возникают обменные и необменные формы. Техногенный Zn проявляет наибольшее, по сравнению с Си, РЬ и Cd, сродство к минеральным компонентам ППК. В связи с этим илистая фракция почв обогащена Zn и обеднена Си и РЬ по сравнению со всей почвенной массой. В дерново-подзолистых почвах роль минералов в фиксации ТМ в ряде случаев становится определяющей [19]. Образование необменных и прочнофиксированных форм связано со специфической адсорбцией техногенных металлов минеральными компонентами ППК (наиболее характерна для РЬ и Си), а также с присутствием в виде изоморфной примеси в минералах. При этом происходит замещение элементов со сходным ионным радиусом: например, РЬ замещает К, Си в кристаллической решетке железомагнезиальных минералов [77].
В нижних почвенных горизонтах основная роль в закреплении ТМ принадлежит оксидам и гидроксидам Fe, Мп и А1. Прочность связи со временем возрастает из-за диффузии металлов внутри твердой фазы. Некоторые оксиды или гидроксиды обладают высоким сродством к тому или иному ТМ, например Мп02 к РЬ и Си. Оксиды и гидроксиды Fe и Мп играют значительную роль в процессе фиксации ТМ благодаря высокому кларку данных элементов и термодинамической нестабильности их соединений в почвах. Наиболее прочно закрепляются и активно сорбируются Си, Zn, РЬ. Сорбци-онная емкость данных соединений заметно выше таковой почвенной органики, особенно при достаточном увлажнении нижних почвенных горизонтов. В почвах, богатых железом, многие ТМ становятся малоподвижными из-за процессов окклюзии [10, 12, 77].
Из всех форм фиксации ТМ в почве наиболее прочные - вхождение в состав глинистых минералов и хемосорбция ГК и гидроксидами Fe, Al, Мп; наименее прочная - катионообменная адсорбция глинистыми частицами. При росте рН прочность соединений ТМ с почвенными компонентами возрастает. В целом выдерживается ряд адсорбции РЬ Си Zn Cd. Последний сорбируется наименее активно, присутствие в растворе других металлов снижает сорбцию кадмия в 2-14 раз, причем основным конкурентом является его геохимический аналог - цинк, который также слабо фиксируется в почве. При больших объемах поступления техногенных ТМ в почву основной путь их фиксации - неспецифическая адсорбция, вследствие этого степень их подвижности может достигать 63% [14, 77, 224].
При атмотехногенном загрязнении ТМ аккумулируются прежде всего в верхнем 5-10-сантиметровом слое почвы. При большой плотности потока атмосферных загрязнителей формируется «техногенно-аккумулятивныи» тип распределения элементов. Для пахотных почв он не характерен вследствие перемешивания почвы и искусственного разбавления, частичного отчужде ния ТМ с урожаем, дефляции и поверхностного смыва. Кроме того, многолетняя распашка даже без внесения удобрений способна привести к росту подвижности и выноса металлов вследствие ускоренной минерализации гумуса. Поэтому масштабы загрязнения естественных почв в 2—4 раза выше, чем пахотных [163].
Формы миграции ТМ в почвах подразделяются на следующие группы веществ [224]: истинно растворимые соединения - анионные и катионные (размер частиц 1-2 мм); комплексные соединения (2-300 нм); сорбированные коллоидными частицами (2-300 нм) или дисперсным взвешенным веществом (300-1000 нм).
Почвенные условия и характеристика объектов исследований
Почва относится к открытым системам, существующим в условиях притока веществ и энергии извне. Находясь в состоянии непрерывного обмена веществом и энергией с атмосферой, биосферой, гидросферой и литосферой, почвенный покров является незаменимым условием поддержания между ее сферами сложившегося на земле равновесия. Устойчивость такой системы в значительной степени зависит от физико-химических, агрохимических и биологических свойств почвы.
На современном этапе развития биосферы, экологическая функция почв состоит в том, чтобы поддерживать, а также должным образом формировать комплекс мероприятий сбалансированного круговорота веществ в аг-ро- и биоэкосистемах. Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин [53] в связи с этим отмечают огромную экологическую роль почвы, которая является не только структурно-функциональным компонентом биосферы, а еще и планетарным узлом экологических связей. Тем самым почвенный покров обеспечивает стабильность биосферы и саму возможность существования жизни на Земле [62].
Рязанская область расположена в центральной полосе европейской части России. На фоне общей пестроты почв преобладают выщелоченные и оподзоленные черноземы - 44%, серые лесные - 37% [186, 3]. Вблизи РГРЭС расположены черноземы выщелоченные, серые лесные. Основной фон составляют серые лесные почвы, черноземы преобладают в юго-западной части района исследований, на Среднерусской возвышенности.
Черноземы развились под степной и разнотравно-степной травянистой растительностью. Они занимают плато, пологие и покатые склоны междуречий различных экспозиций. В Рязанской области они в основном представлены выщелоченными и оподзоленными подтипами.
При формировании черноземов преобладают процессы аккумуляции веществ. Выщелоченные черноземы расположены преимущественно в транзитных и аккумулятивных условиях, а оподзоленные тяготеют к приводораз-дельным участкам междуречий и тем участкам, где процессы элювиирования веществ протекают интенсивнее. В пределах Рязанской части Среднерусской возвышенности больше распространены оподзоленные черноземы, так как здесь создаются более благоприятные условия для развития элювиальных процессов. На Окско-Донской равнине, напротив, эти процессы ослаблены, поэтому здесь больше выщелоченных черноземов.
В профиле черноземов выделяется темноокрашенный гумусовый или гумусово-аккумулятивный слой в зависимости от смытости колеблется от 69 до 110 см.
Гумусовый слой, в связи с неодинаковой интенсивностью его окраски органическим веществом, разделяется на два самостоятельных горизонта: верхний наиболее гумусированный выделяется как гумусовый горизонт А и нижний до гумусовых затеков - как переходный горизонт В1. Переход в горизонт В1 постепенный и характеризуется появлением коричневого оттенка в окраске, который книзу заметно усиливается. Выделяется горизонт В2 постепенно переходящий в породу С. Структура черноземных почв - от зернистой до порошисто-комковатой.
Тип серых лесных почв разделяется на подтипы: светло-серые, серые и темно-серые лесные почвы. Серые лесные почвы сформировались в зоне широколиственных лесов преимущественно тяжелого гранулометрического состава. В приводораздельных частях междуречий располагаются наиболее элювиированные светло-серые лесные почвы, которые в направлении долин сменяются серыми и далее темно-серыми лесными почвами с присущими им аккумуляцией веществ. Они имеют меньшую мощность горизонта А, чем черноземы. Морфологически отличаются от них серой окраской горизонтов А1 и А1А2, меньшей мощностью горизонта А (31-38 см), зависят от смытости и рельефа. Горизонт А2В характеризуется ореховатой структурой с белесой присыпкой и постепенно переходит в иллювиальный горизонт В с замет 41
ной присыпкой и буровато-коричневыми примазками по граням ореховато-призматической структуры. Постепенно иллювиальный горизонт переходит в породу С.
При почвообразовании более рельефно проявляются факторы миграции элементов. Известно, что активными фиксирующими свойствами обладают породы с высоким содержанием тонкодисперсной фракции в гранулометрическом составе, тогда как при относительно грубом механическом составе отложения способствуют выносу ТМ за пределы почвенного профиля почвы.
Основная часть черноземов, серых лесных, дерново-подзолистых почв Рязанского региона, за исключением почв Мещерской низменности, сформированы на покровных, лессовидных глинах, суглинках и на морене в авто-морфных условиях тяжелосуглинистого гранулометрического состава. В гидроморфных условиях образовались аллювиальные и торфяные почвы разных подтипов.
Наиболее высокие уровни содержания валовых форм элементов выявлены в покровных суглинках. Моренные, лессовидные суглинки и глинистые отложения по количественным характеристикам приближаются к покровным суглинкам. А песчаные отложения, где незначительное количество главного концентратора тяжелых металлов - тонкодисперсной фракции, содержат их значительно меньше [109].
Исследуемые почвообразующие породы тяжелого гранулометрического состава концентрировали Zn 33 6 мг/кг, Си 20-27 мг/кг, Cd 0,15-0,29 мг/кг и т.д. Содержание валовых форм металлов в основном соответствуют концентрациям их в почвообразующих породах наиболее встречаемых на территории России в глинах, лессовидных и покровных суглинках содержится: Zn - 20-60 мг/кг, Си - 17,5-26 мг/кг, РЬ - 1-32 мг/кг, Cd - 0,06-0,15 мг/кг, Сг - 48-89 мг/кг, V - 71-103 мг/кг, Ni - 30-33 мг/кг [65, 109].
На территории Рязанской области, в том числе в Пронском районе, почвенный покров в основном (около 87%) сформировался на материнской породе тяжелого гранулометрического состава. Песчаные, древнеаллювиаль-ные и современные отложения, занимают меньшую площадь. Они значительно беднее, чем породы глинистого и суглинистого гранулометрического состава. Так концентрация Zn, Pb, Cd, Cr, Co, V, Ni в них 4-6 раз меньше, чем в тяжелых породах. Только молибден содержится во всех породах примерно в равных количествах [65,109].
Итак, по мнению многих исследователей, почва наследует свой минералогический состав (геохимический фон) от почвообразующей породы. Поэтому в качестве количественного показателя регионального геохимического фона возможно использовать валовое содержание металлов в почвообразующей породе.
Валовые запасы питательных веществ и их доступная форма в различных почвах зависит от почвообразовательного процесса, окультуренности, гранулометрического состава и типа сельскохозяйственных угодий.
В таблице 2.3 представлены средние валовые запасы основных элементов питания растений [194]. Общее содержание азота в различных почвах зависит от количества гумуса. Органическое вещество прямо влияет на концентрацию валового фосфора, тогда как содержание калия определяется в основном гранулометрическим составом минеральной части почвы. Общий запас питательных веществ в почве характеризует лишь ее потенциальное плодородие.
Оценка экологической ситуации в зоне воздействия Рязанской ГРЭС
Рязанская ГРЭС является крупнейшим по объему выбросов в атмосферу промышленным объектом региона. В зоне ее воздействия расположены различные сельскохозяйственные угодья (прилож. 2). Поэтому изучение воздействия ее в компонентах ландшафта Си, Zn, Pb и Cd, которые, согласно опубликованным материалам, являются приоритетными для данной зоны наиболее актуальная проблема [21].
Техногенное воздействие предприятия в большей степени определяют климатические условия региона. Преобладающее направление ветров зимнего периода - южное и юго-западное, летнего - северо-западное (прилож. 3) [112]. Г.Ф. Вознесенский с соавторами [21], что происходят отклонения простирания зоны максимума валовых выпадений ТМ от северо-восточного румба, обусловленное феноменом правого поворота вектора скорости дымовой струи при прохождении циклонов.
Исследования вклада в атмосферные выпадения ТМ проводились на основе снегосъемок 1999-2003 гг. Их средние результаты представлены в виде кривых распределения массы атмосферных выпадений ТМ на рисунке 3.5. Ярко выраженными аномалиями распределения отличаются величины выпадений РЬ и Cd, что характеризует их как типичные техногенные элементы (рис. 3.5). Для атмосферной поставки РЬ и Cd специфичны графики распределения со значительным отклонением и отчетливыми «вторыми максимумами» в интервалах значений 5000-5900 и 500-560 г/км2 год соответственно. Фактически данные интервалы свидетельствует о том, что рассматриваемые выборки состоят из двух различных групп проб, для каждой из которых характерны особые условия атмосферных выпадений ТМ. Круг точек опробования, относящихся ко второй группе, для РЬ и Cd практически идеи и включает точки, расположенные в ближнем радиусе воздействия РГРЭС и к северо-востоку и востоку от станции. Отличия между двумя данными ТМ сводятся к тому, что техногенный РЬ более интенсивно осаждается из атмосферы по направлению преобладающих ветров (прилож. 3) и менее интенсивно - в лесных массивах, а зона аномальных выпадений Cd тяготеет к юго-восточному сектору зоны воздействия [79, 203, 229, 230].
На рисунке 3.6 представлена территориальная приуроченность аномалий. Выявлено, что зона максимума поставки атмотехногенных ТМ (обычно прерывистая, что обусловлено значительной высотой дымовых труб РГРЭС) протягивается от водоразделов Среднерусской возвышенности через пром-площадку ГРЭС по направлению преобладающего переноса выбросов. Это указывает на влияние техногенных выбросов, активизацию оседания аэрозолей - носителей ТМ в местности с эрозионным рельефом.
Полученные данные отмечают неравномерность выпадения ТМ. Данная изменчивость, вероятно, связана, с одной стороны, происходящими естественными условиями по годам атмосферного переноса, с другой, микроэлементного состава энергоресурсов ТЭС. Объемы выпадений металлов убывают в ряду: Zn Pb Си Cd, что согласуется их содержанием в углях.
Было установлено, что максимальной миграционной способностью в атмосфере из всех изученных ТМ обладают свинец и кадмий, что связано с более интенсивной их возгонкой (переходом в паро-газовую фазу аэрозоля) при сжигании топлива [149]. В зоне воздействия РГРЭС отмечается высокий уровень концентрации РЬ и Cd, близкие к фоновым Си и Zn в осадках. Высокая интенсивность атмосферной миграции ЗВ является экологически неблагоприятным фактором, которая подтверждается коэффициентами антропогенной преобразованности атмосферных выпадений ТМ (табл. 3.6), которые характеризуют вероятность попадания различных секторов зоны воздействия РГРЭС в область техногенного максимума выпадений того или иного металла [150, 143].
Как следует из таблицы 3.6, при равных условиях атмосферного рассеяния Cd выделяется наибольшими коэффициентами преобразованности. Следовательно, территория зоны воздействия РГРЭС потенциально подвержена избыточному поступлению техногенного Cd из атмосферы. Атмотехноген-ный поток другого активного мигранта - РЬ (особенно нерастворимых форм) локализован преимущественно в зоне основного переноса ЗВ от ГРЭС. Миграционная способность Zn достаточно велика, поэтому охват территории аномальными зонами значителен. Однако данные зоны непостоянны, их положение и размеры меняются от года к году, что снижает величину К%.
Вышесказанное позволило нам отнести свинец и кадмий к числу приоритетных загрязнителей агроландшафтов в условиях зоны воздействия РГРЭС и дальнейшие исследования акцентировать на данных двух элементах [221].
Одной из важнейших сред трансформации атмотехногенных ТМ является почвенный покров [30, 156, 158]. Почвенно-геохимический фон изученных агроландшафтов в целом соответствует уровням валовых концентраций ТМ, характерным для северной периферии лесостепи (табл. 3.7) [90, 157, 158]. Сравнивая результаты почвенного обследования с региональным геохимическим фоном (табл. 2.4) следует отметить, что в среднем существенного загрязнения почв сельхозугодий в зоне воздействия ТЭС не произошло.
Однако имеет место техногенного влияния (в первую очередь в отношении Cd, РЬ и Zn), проявляющееся, в частности, в наличии точек в обследовании, где отмечена аккумуляция этих металлов в 1,5-2 раза выше геохимии-ческого фона. Она четко коррелируют с атмосферными выпадениями нерастворимых форм ТМ и локализуются в районе промплощадок ГРЭС, на Среднерусской возвышенности и по направлению господствующих ветров к северо-востоку от станции. В то же время, степень подвижности Cd в ряде случаев достигает 63,4%, РЬ - 22,8%, тогда как для Си и Zn этот показатель составил 1,2% и 11,2% соответственно. Данный факт свидетельствует об активных процессах трансформации ТМ в почвах в зоне исследований, что приводит к росту их миграции в подземные и поверхностные воды, что является неблагоприятным явлением [43].
Оценка влияния санации почвы на транслокацию токсикантов в системе «почва - растение - лизиметрические воды»
В настоящее время очевиден факт, что все непредвиденные отрицательные последствия антропогенной деятельности человека существенно влияют на биохимический режим окружающей природной среды. Поэтому земледелие должно быть направлено на сокращение выхода химических веществ из биологического круговорота. Попавшие в почву металлы фиксируются гумусосодержащими горизонтами. Между тем сама почва, являясь природным телом, при загрязнении становится вторичным источником загрязнения приземного воздуха, природных вод и растениеводческой продукции. Однако почва является одним из базовых компонентов экосистемы, природным ресурсом и средством производства.
Важным показателем степени подвижности токсикантов в ландшафте является их концентрация во внутрипочвенном стоке. Данная концентрация является в то же время и функцией объема стока и при увеличении последнего может снижаться за счет разбавления. Основные результаты исследования вод, просочившихся через почву вегетационных сосудов, представлены в таблицах 4.3 и 4.4. При этом необходимо подчеркнуть, что в естественных условиях в летний период грунтовые воды переходят на автономный режим. Суммарное испарение обусловлено, главным образом, транспирацией, то есть имеется прямая связь в водопотреблением [192]. Поэтому в вариантах (1,2,3,6), где не применялось орошение, не наблюдался внутрипочвенный сток.
На фоне достаточно высокой вариабельности по повторностям, объем дренажного стока однозначно возрастает от вариантов оптимального орошения к вариантам с 1,5 нормой увлажнения (табл. 4.3), что является следствием переувлажнения, когда орошение преобладает над суммарным водопотреблением, и в почве формируется промывной режим. Характерно, что санация загрязнения с добавлением извести количество просочившейся воды было на 20-35%меныпе, чем при применении только навоза. По-видимому, это обусловлено, что на фоне повышения гумусированности (от навоза), изменяется состав поглощенных оснований (за счет Са), происходит улучшение всего комплекса физических и физико-механических свойств, что приводит к росту водоудерживающей способности почв. Концентрация, просачив шихся через почвенную толщу, Cd, Си, Zn изменялась под влиянием мелиорантов (табл. 4.4), а РЬ практически оставалось неизменной. Но тем не менее на фоне навоза под влиянием переувлажнения почвы усиливалось вымывание Cd, РЬ, Си и увеличивался вынос их за пределы корнеобитаемого слоя. Используя известь процесс вымывания Cd и Си снизился. Поведение Zn в переувлажненной почве зависело от объема лизиметрических вод, то есть наблюдался эффект разбавления. Следует подчеркнуть, что Zn и Cd являются геохимическими аналогами. Этим, на наш взгляд, объясняются некоторые черты сходства их гидрохимии в условиях эксперимента. В то же время Си и РЬ, несмотря на различие в степени биофильности, по типу взаимодействия с гумусовыми кислотами близки друг к другу [105]. Причем известно [5], что высокомолекулярные водорастворимые органические вещества (ВОВ) наиболее стабильны в растворе в щелочных условиях. В этой связи примечателен рост миграционной способности меди при применении извести и навоза (несмотря на то, что загрязнение почвы медью не моделировалось). Транслокация ТМ в фитомассу характеризует данные таблицы 4.5. Как свидетельствуют полученные результаты, концентрация ТМ в фитомассе в условиях модельного опыта существенно отличается от величин, наблюдаемых в агроландшафтах, что объясняется спецификой развития растений в условиях лаборатории. Однако и в данном случае геохимические аналоги - Си и Pb, Zn и Cd - ведут себя сходно. Обращает на себя внимание высокий уровень содержания Cd - на порядок выше, чем в полевых условиях, и в несколько раз выше ПДК. По-видимому, аналогичные агромелиоративные приемы в полевых условиях не будут сопровождаться столь высокой транслокацией Cd. Концентрация РЬ на контроле оказалась весьма близкой к величине, зафиксированной в естественных условиях, тогда как во всех иных вариантах опыта она была в 3-6 раз выше. Особенно высоким оказалось накопление РЬ в фитомассе варианта фона, а также - применение навоза в условиях переувлажнения и оптимального орошения.
Таким образом, транслокация РЬ в фитомассу возрастала параллельно росту его гидрохимической подвижности, о чем свидетельствуют и результаты корреляционного анализа (парный коэффициент корреляции содержания РЬ в лизиметрических водах и растительности соответственно составил +0,68 - +0,60). Полученные данные позволяют сделать важный вывод о том, что внесение органических удобрений, иммобилизуя ТМ, предотвращает их водную миграцию, но при неправильном орошении не способно снизить доступность их для растений, о чем свидетельствует высокое накопление РЬ в варианте с 1,5 нормой увлажнения. Агрономически обоснованное орошение, напротив, снижает транслокацию РЬ на 22-47%. Биофильный и подвижный Zn достигает наивысшего уровня содержания в фитомассе именно на абсолютном контроле (31,2 мг/кг), причем отмечена тенденция его антагонизма с основным загрязняющим компонентом, использованным в опыте - со свинцом (г = -0,52). Следовательно, высокие концентрации в почве металлов-токсикантов угнетают биопоглощение микроэлементов, необходимых для жизнедеятельности растений. В отношении малоподвижной в почвах меди отмечены несколько иные закономерности: рост поглощения ее вико-овсяной смесью происходит на фоне общей мобилизации в переувлажненных почвах этих вариантов. На контроле, при отсутствии обогащения почвы органикой, накопление меди растениями было небольшое [107].
Для оценки режима увлажнения на транслокацию ТМ был проведен дисперсионный анализ, результаты которого содержатся в табл. 4.6. Показано, что для РЬ и Cd в варианте влияние водного режима почвы на их концентрацию в растениях не значимо при р=0,95 и даже при р=0,90 (вследствие высокой внутригрупповой дисперсии, особенно в варианте ТМ+Н с орошением); причем фактор увлажнения определяет накопление РЬ растительностью лишь на 20%, а более подвижного Cd - на 5%. Для варианта ТМ+Н+Са рассчитаны существенно иные зависимости: роль фактора увлажнения увеличивается для РЬ до 83%, для Cd несколько менее - до 44% (при значимости р=0,90); внутригрупповая дисперсия в варианте ТМ+Н+Са при оптимальном орошении была уже, наоборот, невысокой. На наш взгляд, рост зависимости транслокации ТМ от характеристик водного режима является негативной тенденцией, свидетельствующей об ослаблении иных механизмов, сдерживающих поступление ТМ в растения. При этом характерно, что при внесении в почву органического удобрения без извести такие механизмы сохраняются.
Резюмируя вышеизложенное, следует подчеркнуть, что смоделированный уровень загрязнения почв РЬ и Cd является столь значительным, что в подобных условиях реабилитировать агроландшафт средствами только ком плексных мелиорации невозможно. При этом, благодаря высокой сорбцион-ной емкости тёмно-серых лесных почв и органических удобрений (в случае, если одновременно с их внесением не проводится известкование), возможно снизить водную миграцию данных ТМ, но предотвратить сверхнормативное накопление в фитомассе в условиях лабораторного эксперимента не удалось. Выявлено, что наиболее оптимальным способом снижения миграции ТМ является внесение повышенных доз навоза КРС с последующим орошением табл. 4.5 и 4.6. Однако осуществить данное снижение до экологически приемлемых величин возможно при более низкой почвенной концентрации РЬ, Cd. А такое загрязнение следует отнести к категории «не сельскохозяйственного использования».
Похожие диссертации на Экологическая оценка интенсивности загрязнения агроэкосистем на примере Рязанской области
