Содержание к диссертации
Введение
1. Основные направления техногенного загрязнения в промышленной зоне (обзор литературы) 8
1.1 Трансформация почвенного покрова 8
1.2 Тяжелые металлы как основной компонент техногенного загрязнения почвенно-растительного покрова
1.3 Микробный ценоз почв как индикатор трансформации почвенного покрова 28
1.4 Влияние цементной промышленности на загрязнение окружающей среды 32
2. Условия, объекты и методы исследований 37
2.1. Физико-географическая характеристика района исследований 37
2.2 Антропогенная трансформация ландшафта в промышленной зоне Ульяновского цементного завода 44
2.3 Объекты и методы исследований 46
3. Оценка техногенного загрязнения почвенного покрова района исследований 59
3.1 Выбросы Ульяновского цементного завода как ведущий фактор техногенного воздействия на окружающую среду 59
3.2 Особенности накопления и трансформации тяжелых металлов в почве 66
4. Экологическое состояние почвы в зоне влияния ульяновского цементного завода 79
5. Изменение микробного состава и токсичности почв в зоне влияния выбросов ульяновского цементного завода 85
6. Состояние растительности в зависимости от влияния выбросов ульяновского цементного завода... 94
6.1 Флористический состав района исследований 94
6.2 Оценка жизненного состояния древесных растений, произрастающих
в зоне воздействия Ульяновского цементного завода 98
Заключение 102
Список литературы
- Тяжелые металлы как основной компонент техногенного загрязнения почвенно-растительного покрова
- Влияние цементной промышленности на загрязнение окружающей среды
- Антропогенная трансформация ландшафта в промышленной зоне Ульяновского цементного завода
- Особенности накопления и трансформации тяжелых металлов в почве
Тяжелые металлы как основной компонент техногенного загрязнения почвенно-растительного покрова
В научной литературе (Russo F., Raciti G., 1956; Лазарев, Левина, 1971; Аржанова, 1977; Уорк, 1980; Израэль, 1984; MacNicol R.D. Beckett R.H.T., 1985; Моцик, Пинский, 1991; Буренков с соавт., 1997; Данилов-Данильян с соавт., 2001; Аристархов, Харитонова, 2002; Шаркова, 2010, и т.д.) имеются интересные результаты исследований, показывающие воздействие токсичных составляющих техногенной системы на экосферу (воздух, почву, растительность, воду и живые организмы).
В системе контроля над экологическим состоянием окружающей среды наряду с изучением процессов, происходящих в водной и воздушной среде, особое внимание занимают вопросы состояния почвенного покрова.
Масштаб деградации почвенно-растительного покрова заставляет обращать все более пристальное внимание на состояние почвенной оболочки Земли, являющейся местом пересечения всех потоков энергомассообмена на планете и выполняющей важнейшие биосферные и экосистемные функции: обеспечение жизни на Земле, сохранение биоразнообразия, поддержание современного климата Земли и существующего режима функционирования всех структурно-составляющих биосферы – атмосферы, гидросферы, литосферы (Wood, 1974). Почва устойчиво аккумулирует загрязняющие вещества, деструктируя и перераспределяя их по почвенной толще, являясь вместе с тем депонентом их для растительного материала, потребляемого животными и человеком. Специальные исследования перечисленных функций приведены в обширной литературе (Verloo M. С соавт., 1982; Израэль, 1984; Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Экологические последствия…, 1990; Экогеохимия…, 1995; Добровольский, Никитин, 2000; Шаркова, 2010). До настоящего столетия развитие техногенного производства не оказывало заметного влияния на сбалансированную в процессе эволюции экологическую среду. В настоящее время в ряде регионов земного шара гармония экологического равновесия нарушена. Следствием стало увеличение объема отходов, сбрасываемых в воздух, воду, на поверхность почвы химическими и другими промышленными и сельскохозяйственными предприятиями (Sidorovich с соавт., 1981). Фотохимические процессы в атмосфере, химические и биологические в водной и почвенной среде, воздействующие на переработку загрязняющих веществ и восстановление баланса минеральных элементов в окружающей среде, не обеспечивают детоксикации резко возросшего количества загрязнителей (Wilmers, 1988). Природные процессы восстановления данного баланса нарушены (Lou с соавт., 1990; Протасов с соавт., 1995; Добровольский, 1996; Данилов-Данильян с соавт., 2001).
Утверждение В.И. Вернадского, что «автономный организм, вне связи с земной корой, реально в природе не существует» (Вернадский, 1934), нашло свое подтверждение и дальнейшее развитие в трудах А.П. Виноградова, разработавшего учение о биогеохимических провинциях. Биогеохимическими провинциями им были названы территории, отличающиеся определенным составом и количественным содержанием отдельных элементов в почвах, что оказывает направленное влияние на биохимические реакции в живых организмах, населяющих эти местности (Виноградов, 1960).
В одном из законов Вернадского говорится о биохимическом единстве биосферы, и все загрязнения, поступающие первоначально в атмосферу, гидросферу или литосферу, в конечном счете, оказываются распространенными в каждой из них. Таким образом, химические соединения являются составляющими промежуточных выбросов и претерпевают в любой из составляющих биосферы изменения физико-химического характера (Whittaker, 1975). Всего почвенная оболочка Земли, естественно-исторически образовавшаяся в ходе эволюции, составляет около 13 млрд. га (Розов, Мельников, 1978). Вследствие процессов урбанизации, связанных с ростом населения и хозяйственной деятельностью, изъято более 2-х млрд. га (Ручин, с соавт., 2009). Эти площади характеризуются уменьшением в большинстве случаев запасов органического вещества, снижением биологической продуктивности, изменением биологического круговорота. Наиболее существенным результатом техногенного воздействия на природную среду является нарушение ландшафта и его главного компонента – почвенно-растительного покрова.
Влияние цементной промышленности на загрязнение окружающей среды
Биотестирование образцов почв осуществляли по стандартным методикам с помощью тест-объектов, принадлежащих к разным систематическим группам: Chlorella vulgaris Beijer (ФР.1.39.2004.01143) и Daphnia magna Straus (ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06). Для получения сопоставимых результатов по итогам тестирования рассчитывали индекс токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) (Кабиров, 1997).
Геоботаническое описание пробных площадей Геоботаническое описание пробных площадей осуществляли в ходе маршрутных и визуальных исследований по общепринятым методикам (Полевые практики…, 1980). Обнаруженные в районе исследований растения определяли до вида и вносили в списки по каждой пробной площади. При оценке видового разнообразия растений района исследований использовали определители (Определитель растений…, 1984; Маевский, 2006). Номенклатура и латинские названия определяемых растений даны по основным современным флористическим сводкам (Черепанов, 1995; Маевский, 2006).
Для каждого вида травянистых растений на всех пробных площадях определяли проективное покрытие. Проективное покрытие – отношение площади проекций надземных частей растений ко всей учетной площади, выражаемое в процентах. Оценивали проектное покрытие по пятибалльной шкале Браун–Бланке (Василевич, 1969; Воронов, 1973): экоморфных характеристик (Василевич, 1969; Воронов, 1973; Матвеев, Прохорова, 2007). Выявление доминирующих видов На каждой пробной площади выявляли виды доминирующих растений, для чего использовали показатели проектного покрытия. Вид с максимальным проективным покрытием на пробной площади считали доминирующим.
Для всех видов травянистых растений визуально отмечали трансформацию морфологических признаков (изменение формы и размеров вегетативных органов, уродства), а также изменение цвета, тургора, наличие повреждений, посторонних включений на поверхности надземных частей растений (пыль, сажа, налет и др.).
Определение жизненного состояния древостоя по методу В.А. Алексеева (Алексеев, 1989)
В процессе исследования пробных площадей нами было обнаружено незначительное количество древесных растений в основном порослевого происхождения в искусственных посадках. Одним из критериев состояния окружающей среды является жизненное состояние древесных видов, а наиболее простым способом его изучения является методика В.А. Алексеева. Данная методика позволяет использовать древостой как индикатор экологического неблагополучия местообитания, так как именно древесные растения необратимо меняются при постоянном антропогенном прессе. Отнесение насаждений к категориям жизненного состояния осуществляется на основе модифицированной шкалы В.А. Алексеева (Лесные экосистемы…, 1990), в соответствии с которой древостои с индексом состояния 90-100 % относятся к категории «здоровых», 80-89 % – «здоровых с признаками ослабления», 70-79 % – «ослабленных», 50-69 % – «поврежденных», 20-49 % – «сильно поврежденных», менее 20 % – «разрушенных».
Согласно методике В.А. Алексеева, выделяют следующие классы жизненного состояния древесных растений:
Класс 1 – здоровое дерево без признаков ослабления. Дерево не имеет повреждений кроны и ствола, густота кроны обычная для дерева, мертвые и отмирающие ветви сосредоточены в нижней части кроны и отсутствуют в верхней ее половине. Закончившие рост листья (хвоя) зеленого или темно-зеленого цвета. Повреждения листьев (хвои) незначительны (менее 10 %) и не сказываются на состоянии дерева.
Класс 2 – поврежденное (ослабленное) дерево. Обязателен хотя бы один из следующих признаков: снижение густоты кроны дерева на 30 % за счет преждевременного опадения или недоразвития листьев (хвои) или изреживания скелетной части кроны; наличие 30 % мертвых и (или) усыхающих ветвей в верхней половине кроны; повреждение (хлорозы, некрозы, ожоги) и выключение из ассимиляционной деятельности 30 % листовой поверхности.
Класс 3 – сильно поврежденное (сильно ослабленное) дерево. Обязателен хотя бы один из следующих признаков: снижение густоты обилия кроны дерева на 60 % за счет преждевременного опадения или недоразвития листьев (хвои) или изреживания скелетной части кроны; наличие 60 % мертвых и (или) усыхающих ветвей в верхней половине кроны; повреждение различными факторами и выключение из ассимиляционной деятельности 60 % площади листовой поверхности; отмирание верхушки кроны. Класс 4 – отмирающее дерево. Крона разрушена, ее густота менее 15 % по сравнению со здоровой; более 70 % ветвей, в том числе в верхней половине, сухие или бледно-зеленого, желтоватого, оранжево-красного цвета. Некрозы белесого, коричневого или черного цвета. При загрязнении атмосферы большая часть некротированных листьев отмирает. В комлевой и средней части ствола возможны признаки заселения стволовыми вредителями.
На каждой пробной площади оценивали жизненное состояние всех имеющихся деревьев, а затем усредняли полученные данные. Расчет индексов состояния древостоя производили по формуле I = (100n1 + 70n2 + 40n3 + 5n4) / N, где I– индекс жизненного состояния древостоя; n1 – количество здоровых (без признаков ослабления) деревьев, n2 – ослабленных, n3 – сильно ослабленных, n4 –усыхающих; N – общее количество деревьев (включая сухостой).
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по общепринятым методикам (Лакин, 1973; Зайцев, 1984). Расчет результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ Statistica 6.0 (Windows XP; «Stat Soft Inc.», USA), Microsoft Еxcel 2007 ( Windows XP). Рисунки редактировали при помощи графических программ: CorelDraw 11 и Paint (Windows XP).
Антропогенная трансформация ландшафта в промышленной зоне Ульяновского цементного завода
Пробные площади, заложенные нами в зоне влияния УЦЗ (ПП1-4), а также контрольный участок (ПП5) отвечают основным характеристикам природных экосистем: климату, рельефу, почвам, растительному покрову и биоразнообразию. Почва – главный природный компонент, являющийся депонирующей средой для загрязнителей. В данной главе рассматриваются результаты агрохимического анализа почвы исследуемых пробных площадей. Для оценки общих агрохимических свойств почв района исследований изучали следующие показатели: гранулометрический состав, окраска почв, гумус, реакция почвенной среды и биологическая активность. Анализ этих почвенных характеристик важен, так как они влияют на миграцию и аккумуляцию химических элементов в естественных и техногенных ландшафтах (Минеев, 1988; Прохорова, 1996; Добровольский, Никитин, 2000).
Визуальный осмотр ПП1 показал, что почвы на данном участке уплотненные с большим содержанием различных включений техногенного происхождения, таких как щебень, металлические обломки. Поверхность почвенного покрова местами характеризуется запыленностью.
На ПП2 почва содержит значительное количество песка и щебня. Поверхность почвы местами покрыта цементной пылью.
Почва ПП3 содержит незначительное количество включений, представленных щебнем и песком. На поверхности почвы прослеживается цементная пыль, а на листьях растений обнаружена цементная корка пыли.
Почвенный покров ПП4 содержит небольшое количество щебня. На поверхности почвы и наземных частях растений цементной пыли не обнаружено. Почва контрольного участка ПП5 однородна по своему составу, не содержит включений. ПП5контроль располагается в 5000 м от УЦЗ, в непосредственной близости от данного участка расположен дачный массив. От автотрассы его отделяют полосы лесопосадок. Почва на данном участке, по сравнению с пробными площадями из района УЦЗ, более светлая, легко растирается пальцами, не содержит цементной пыли и налета.
Гранулометрический состав почвы является одной из важнейших ее характеристик. Гранулометрический состав почв оказывает большое влияние на почвообразование и агрономические свойства почвы. Гранулометрическим составом определяются физические, физико механические и воздушные свойства почвы, а именно пористость, структурность, влагоемкость, влагопроницаемость, воздухопроницаемость, поглотительная способность и др.
Структурное состояние и гранулометрический состав исследуемых пробных площадей изучали в период с 2009 по 2013 гг. За данный период исследований эти показатели не изменялись. На всех пробных площадях почвы имели хорошее структурное состояние, тяжелосуглинистый и среднесуглинистый гранулометрический состав (табл. 14).
Структурное состояние, гранулометрический состав и коэффициент структурности почв района исследований Пробная площадь Окраска почвы Суммарное содержаниеагрегатов0,25–10 мм,% КоэффициентструктурностиК Структурноесостояниепочвы Гранулометрический состав ПП1 светлосерая 61±1,87 1,6 хорошее тяжело-суглинистые ПП2 серая 65±1,22 1,8 хорошее тяжелосуглинистые ПП3 темно-серая 70±1,58 1,9 хорошее средне-суглинистые ПП4 темно-серая 70±1,87 1,9 хорошее средне-суглинистые ПП5контроль темно-серая 70±1,22 1,9 хорошее средне-суглинистые Коэффициент структурности К для почв с ПП3, ПП4 и контрольной площади ПП5 равен 1,9. Такой показатель коэффициента структурности свидетельствует о хорошем структурном состоянии почв (Щербаков, Протасова с соавт., 1996). Для ПП1 и ПП2 К равен 1,6 и 1,8, эта разница незначительна, и состояние почв на этих площадях аналогично остальным участкам. Экологическое исследование гранулометрического состава почвенного покрова велико, так как он определяет условия накопления и миграции тяжелых металлов. Почвы пробных площадей представлены суглинками, ПП1 и ПП2 определены как тяжелосуглинистые, ПП3, ПП4, ПП5контроль – среднесуглинистые.
В период исследований структурное состояние и коэффициент структурности не изменялись. Хорошее структурное состояние почв, говорит о том, что почва пригодна для роста и развития растений и видимых причин для нарушения их жизненного состояния нет.
Окраска почв – наиболее допустимое для наблюдения внешнее свойство, широко используемое для присвоения названий почвам. Многие почвы получили свое название по преобладающему цвету: чернозем, краснозем, желтозем, бурозем. Окраска почв находится в прямой зависимости от ее химического состава, условий почвообразования.
Поскольку окраска почвы – это отраженный солнечный свет, то сравнивать окраску образцов возможно только при одинаковых условиях освещения (Розанов, 1983). Существенное значение для определения окраски почвы имеют условия увлажнения. Более увлажненные почвы выглядят темнее. Для большей точности определения цвета почв отобранные образцы почвы высушивали в дневные часы на белом листе бумаги и на открытом воздухе (Ганжара и др., 2002).
Очень важная характеристика почв – комплекс органических соединений, называемый гумусом. Гумусовые вещества играют важную роль в процессе почвообразования. Гумус влияет на поглотительную способность почвы, которая является важным фактором в формировании верхних горизонтов почв. Такие составляющие гумуса, как фульвокислоты активизируют подвижность микроэлементов (Кононова, 1963; Орлов, 1974; Добровольский, 2000). От содержания гумуса также зависит аккумуляция тяжелых металлов в почве. Гуминовые кислоты являются активаторами роста и развития растений и образуют комплексы с тяжелыми металлами (Орлов, 1974).
В почвах Ульяновской области в составе гумуса преобладают гуминовые кислоты, связывающие тяжелые металлы в прочные комплексы (Данченко с соавт.,1996; Ивашев, 2003), в связи с чем снижается их подвижность и поступление в генеративные и вегетативные органы растений. Наиболее прочные комплексы с гуминовыми кислотами образуют Zn, Cu, Ni, Cr и Cd, особенно при рН 5-7. Некоторые комплексы Cu и Cr с гуминовыми кислотами нерастворимы, комплексы Ni отчасти растворимы в воде (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Сысо, 2001).
Особенности накопления и трансформации тяжелых металлов в почве
Одним из основных индикаторов загрязнения промышленных выбросов на окружающую природную среду является растительность, так как она, благодаря высокой чувствительности к антропогенному воздействию, первой принимает на себя своеобразный «удар» техногенного пресса. Пылевые частицы, забивая устьичный аппарат растений, приводят к ухудшению их жизненного состояния, что отражается в темпах роста и развития (Шелухо, 1997).
Жизненное состояние деревьев интегрально отражает их ответную реакцию на комплексное воздействие факторов среды.
На каждой пробной площади, кроме травянистых растений, произрастали деревья и кустарники. Оценка их видового и количественного состава показала, что таких растений не много ПП1-4 (30 особей 5 видов) и целесообразно объединить материалы по древесным растениям на всех экспериментальных площадях для сравнения с материалами контрольной площади, на которой было обнаружено 12 особей и 5 видов. Видовое разнообразие древесно-кустарниковых растений в районе исследований представлено в табл. 22.
Показатель жизненного состояния растений может служить
объективным критерием состояния окружающей среды, а также влияния техногенеза на древесные растения. Так как первыми на себя основную массу токсических веществ принимают листья деревьев, располагающихся выше травостоя, они первыми принимают на себя основную массу токсичных выбросов.
На пробных площадях в зоне влияния УЦЗ ПП1-4 было отмечено только 5 видов деревьев и кустарников. Всего было выявлено 30 деревьев и кустарников, в том числе 10 тополей белого, или серебристого, 4 ясеня пенсильванского, 9 берез повислых, 5 кустов караганы древовидной, 2 вяза приземистого. К 5 классу жизненного состояния, определяемого как сухостой, относилось 1 дерево, то есть 3,3 % от общего числа. К 4 классу было отнесено 2 дерева (6,6 %), к 3 классу – 3 растения (10 %), ко 2 классу – 10 растений (33,3 %), к 1 классу – 15 растений (50 %).
Из всех видов древесных растений к 5 классу не было отнесено ни одного дерева, к 4 классу – 1 растение (8,3 %), к 3 классу – 1 растение (8,3 %), ко 2 классу – 2 растения (16,7 %), а к 1 классу отнесли 8 растений – 66,7% от общей выборки. Причем эти показатели не менялись на протяжении всего периода исследований, что демонстрирует благоприятную обстановку и экологическую стабильность.
Из рис. 20 видно, что на ПП1-4 количество растений, относящихся ко 2, 3, 4, и 5 классам больше, чем на ПП5контроль и растения 5 класса на контрольной площади отсутствуют. Обнаруженные вблизи завода растения относились ко 2, 3 и 4 классам, тогда как на контрольной площади было заметное преобладание растений, относящихся к 4 и 5 классам, что говорит о значительно лучших условиях жизни древесных растений на контрольной площади.
По результатам анализа спектра жизненного состояния древесных растений видно, что количество сильно поврежденных и отмирающих особей больше на пробных площадях ПП1-4 по сравнению с территорией ПП5контроль. 101 Анализ видового разнообразия показал, что деревья на ПП1-4 и ПП5контроль являются листопадными растениями. Аккумулированные листовой массой деревьев загрязнители, после опадения листьев попадают в почву, что приводит к ее вторичному загрязнению.
При проведении химических анализов почвенного покрова у цементного завода обнаруживается высокая концентрация химических элементов, что связано с техногенным загрязнением территории в результате влияния выбросов цементного завода и продуктов переработки горных пород действующих карьеров. По степени загрязнения почвенно-растительного покрова с учетом розы ветров определены 3 зоны загрязнения (Серебрянникова с соавт., 1982, Сергеева, 2001; Соромотин, 2008): 1) зона сильного загрязнения (до 500 м); 2) зона среднего загрязнения (до 1000 м); 3) зона слабого загрязнения (от 1000 до 2000 м).
Наиболее сильную нагрузку испытывают растения пробных площадей, расположенные вблизи завода, где наблюдается большое количество сухостоя, сильная угнетенность деревьев (низкорослость, уменьшение количества молодых побегов, малая густота крон), класс жизненного состояния которых составляет 5 и 4. По мере удаления от цементного завода на расстояние до 2 км общее жизненное состояние растений достигает 1 класса, то есть у деревьев крона становится гуще и зеленее. Органы растений не имеют внешних признаков поражения или ослабления (Буйволов, 1998).
Вышеизложенное свидетельствует о том, что неблагоприятное влияние УЦЗ на древесные растения имеет место. Пыль в процессе переработки и транспортировки цемента создает видимую пылевую пленку на листьях, что нарушает газообмен, затрудняет процесс фотосинтеза и транспирации, а также отрицательно сказывается на световом режиме растений.
Похожие диссертации на Экологическая оценка состояния почвенно-растительного покрова в зоне техногенного загрязнения (на примере Ульяновского цементного завода)
