Содержание к диссертации
Введение
I. Степень изученности вопроса (краткий обзор литературы)
1.1. Тяжелые металлы как загрязняющие вещества 7
1.2. Миграция тяжелых металлов в почвах 13
1.3. Миграция тяжелых металлов в растениях 16
1.4. Поступление тяжелых металлов в поверхностные воды 19
1.5. Влияние тяжелых металлов на метаболизм высших растений 21
II. Объекты, методика и условия проведения исследований
2.1. Характеристика территории расположения объектов Михайловского ГОКа 28
2.2. Краткая характеристика Михайловского ГОКа 32
2.3. Методика исследования 35
2.4. Климат и метеорологические условия 39
III. Результаты исследования
3.1. Источники загрязнения почв и растительного покрова в зоне функционирования Михайловского ГОКа 42
3.2. Характеристика хвостохранилища Михайловского ГОКа 55
3.2.1. Характеристика субстрата хвостохранилища 58
3.3 Характеристика серых лесных почв, прилегающих к хвостохранилищу Михайловского ГОКа
3.3.1. Условия почвообразования серых лесных почв 62
3.3.2. Строение профиля, физические и химические свойства серых лесных почв 64
3.3.3 Биологические свойства почв, прилегающих к хвостохранилищу МГОКа 72
3.4. Влияние хвостохранилища МГОКа на содержание тяжелых металлов в почвах, прилегающих к хвостохранилищу 78
3.5. Содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в зоне функционирования хвостохранилища 81
3.5.1 Мелкоделяночный опыт с ячменем 84
3.5.2 Вегетационный опыт с ячменем 85
3.5.3. Древесно-кустарниковые насаждения как фактор подавления пылевых выбросов 87
3.6. Содержание тяжелых металлов в снежном покрове, воде и иле водохранилища 91
IV. Эколого-статистические модели
4.1. Статистическое изучение динамических и территориально протяженных закономерностей уровня загрязненности территории, прилегающей к хвостохранилищу МГОКа 95
Выводы 98
Предложения производству 99
Список литературы 100
Приложения 115
- Тяжелые металлы как загрязняющие вещества
- Характеристика территории расположения объектов Михайловского ГОКа
- Источники загрязнения почв и растительного покрова в зоне функционирования Михайловского ГОКа
Введение к работе
Актуальность проблемы: За последние 50 лет человеческая деятельность стала ведущим по значимости и масштабам экологическим фактором. Развитие промышленного и сельскохозяйственного производства приводит к трансформации природных циклов миграции элементов. Вещества, используемые в промышленности, чаще всего относятся к металлам, в том числе характеризующимся низкими кларками, в результате чего в агропромышленных регионах происходит «металлизация» ландшафтов. Наибольшие проявления этих процессов наблюдаются на территориях добычи и переработки минерального сырья, при функционировании электростанций, работающих на угле, урбанизированных городах и т.д. При. этом экологический фактор проявляется на локальном и региональном уровнях, что в конечном итоге способствует возникновению глобальных экологических проблем.
В условиях Центральной лесостепи длительное время функционирует три крупнейших железорудных комбината (Михайловский, Лебединский и Стойленский), где добыча железной руды осуществляется открытым способом, который приводит к повышенной техногенной нагрузке и необратимым изменениям окружающей природной среды.
На смену естественным ландшафтам приходят искусственные техногенные ландшафты, представленные отвалами вскрышных пород, хвостохранилищами отходов обогащения горно-обогатительных комбинатов и другими промышленными объектами.
В результате водоотбора подземных вод в крупных центрах возмущения (г. Курск, Железногорск, Орёл, Брянск, Старый Оскол) образовалась обширная региональная воронка депрессии, которая взаимодействует между собой на гидропьезе + 160 м (Переверзев, 2005; Попков, 2005).
Исследованиями Харламовой, Заломыхиной (2005) установлено, что предприятиями по добыче железной руды на территории КМА выбрасыва ется 55 химических ингредиентов, 9 из них относятся к выбросам 1 и 2 класса опасности.
Значительное негативное влияние на окружающую среду оказывают отходы обогащения железистых кварцитов, объём которых на предприятиях КМА составляет около 50 млн. т/год. Транспортировка отходов обогащения осуществляется гидротранспортом с использованием дренажных вод. Вместе с водой в хвостохранилище поступают различные ингредиенты,[ і , представленные кремнием (63 %), железом трёхвалентным (35 %), другие элементы (титан, марганец, кальций, фосфор, калий и т.д.) составляют 2%.
При подсыхании поверхности хвостохранилища образуются пляжные зоны, в результате дефляции происходит перенос в течение года свыше 200 т/га пылеобразных частиц (Муха, Стифеев, Прозоров, 1996), что приводит к загрязнению атмосферного воздуха, почвенного и растительного покрова, водных ресурсов. Поэтому изучение загрязнения природных ресурсов, прилегающих к территории хвостохранилища, имеет важное научное и практическое значение.
В данной работе излагаются результаты исследований по содержанию тяжёлых металлов в природных ресурсах, расположенных в прилегающей к хвостохранилищу территории.
Цель исследований: изучить экологическое состояние природных ресурсов, определить продуктивность ячменя и влияние древесно-кустарниковых насаждений на снижение содержания тяжелых металлов в зоне функционирования хвостохранилища МГОКа.
Для достижения поставленной цели нами решались следующие задачи:
- Определить источники загрязнения почв и растительного покрова в зоне функционирования Михайловского ГОКа.
- Изучить физические, агрохимические и биологические свойства почв и физико-химический состав отходов МГОКа, сбрасываемых в хвостохранилище.
- Выявить особенности накопления и распределения тяжёлых металлов в почвах, растительности, снежном покрове, иле в зоне влияния хвостохранилища.
- Определить продуктивность ячменя в почвах, загрязненных разным уровнем валового железа.
- Установить роль полезащитных древесно-кустарниковых насаждений в поглощении пылевых выбросов, поступающих с поверхности хвостохрани М » лища.
Научная новизна. Впервые, в условиях функционирования Михайловского ГОКа КМА изучено влияние хвостохранилища на накопление тяжёлых металлов в снежном покрове, почвах и растениях, прилегающих к территории хвостохранилища. Определена биологическая активность почв, загрязнённых разным уровнем валового железа. Впервые предложены мероприятия по улучшению экологической ситуации в зоне влияния хвостохранилища Михайловского ГОКа.
Практическая значимость работы заключается в том, что изученные результаты являются основой для разработки рекомендаций по охране природных ресурсов, расположенных в зоне влияния хвостохранилища МГОКа. Материалы исследований используются при преподавании учебных курсов: «Экология», «Охрана окружающей среды» в Курской ГСХА и КГУ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Основными источниками загрязнения окружающей природной среды на территории Михайловского железорудного месторождения КМА являются пылевые выбросы тяжелых металлов из карьера и отходы обогащения хвостохранилища.
2. Почвенный и растительный покров, прилегающий к хвостохранилищу Михайловского ГОКа, загрязняются валовыми формами тяжелых металлов, среди которых преобладает железо.
3. Накопление тяжелых металлов на прилегающей к хвостохранилищу территории подавляет биологическую активность почв, приводит к увеличению их содержания в растениях и снижает продуктивность ячменя.
4. Древесно-кустарниковые насаждения являются биологическим барьером, позволяющим задерживать пылевые выбросы с поверхности хвостохрани-лища и снижать загрязнение прилегающей территории.
Апробация. Основные положения работы доложены и получили одобрение на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов КГСХА (2003-2006), Международной конференции Екатеринбург 2005, региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ 2005», Липецк, 2004.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, предложений производству общим объёмом 155 страниц компьютерного текста. Она содержит 21 таблицу, 10 рисунков, 8 приложений. Список использованной литературы включает 207 наименований, в том числе 24 иностранных источника.
Тяжелые металлы как загрязняющие вещества
В условиях интенсификации промышленного и сельскохозяйственного производства отмечается усиление техногенного воздействия на окружающую природную среду. Наибольшее негативное воздействие проявляется на территориях с высокой концентрацией промышленных комплексов и плотностью населения. В окружающую природную среду поступают тяжелые металлы, что в свою очередь приводит к появлению геохимических провинций и образованию биогеохимических циклов (Глазовская (1988), Розанов (1984), Ковда (1985), Одум (Odum 1986), Башкин (1997), Ильин (1991), Пе-рельман (1998), Касимов, Степановских, 2001) и др.
В условиях интенсификации народного хозяйства биогеохимические изменения структуры экосистем зависят не только от поступления в них макроэлементов - биофилов (С, Р, S, К, N), но и тяжёлых металлов, количество которых превышает 40 элементов с высокой относительной атомной массой и относительной плотностью больше 5 г/см (Ковальский, 1974; 1985).
Отдельные исследователи (Израэль, 1984) в перечне химических веществ, подлежащих обязательному определению в природных средах на фоновых станциях и биосферных заповедниках в разделе «Тяжёлые металлы» называют: свинец, ртуть, кадмий, мышьяк. По определению Реймерса (1994), Баранова (1986), Дончева А.В. (1977) Мамаева С.А. (1969). Отдельно от тяжёлых металлов стоят благородные и редкие металлы, соответственно остаются только Pb, Си, Zn, Ni, Cd, Се, Sb, Sn, Si, Hg, Mn.
Европейская Экономическая комиссия ООН, занимающаяся сбором и анализом информации о выбросах загрязняющих веществ в европейских странах к «тяжёлым металлам» относит только Zn, As, Se, Sb. В Директиве ЕЭС 86/278/ЕЕС, которая лимитирует содержание загрязняющих веществ, в том числе и тяжёлых металлов, указаны только РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Cr, Hg (Глазовская, 1968).
В связи с чем термин «тяжёлые металлы» является весьма неопределённым. В своих исследованиях группа тяжёлых металлов нами представлена медью, кадмием, кобальтом, свинцом, железом, цинком, никелем, хромом и марганцем.
Общеизвестно, что тяжёлые металлы представляют серьёзную антропогенную опасность в загрязнении окружающей среды. Часть тяжёлых металлов относится к микроэлементам (Fe, Со, Си, Zi, Мп), в малых количествах они являются необходимыми для живых организмов, недостаток какого-нибудь из этих элементов приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организмов. Срабатывает экологический закон лимитирующего фактора. При увеличении их содержания выше нормы оказывает аналогичный эффект, представляющий угрозу для здоровья. При этом нарушаются требования закона толерантности (Степановских, 2002).
Вопросам изучения тяжёлых металлов, как поллютантов окружающей среды, посвящены многочисленные работы как отечественных, так и зарубежных исследователей, в которых раскрывается широкий круг вопросов, связанных с миграцией тяжёлых металлов и их токсическим действием на живые организмы (Алексеева - Попова, 1990; Гиниятуллин, 1996; Щербаков, Протасова, Беляев, 2000; Воривохина, 1998; Варшал, Гиниятуллин, 1974; 1998; Косицин, Алексеева - Попова, Игошина, 1985; Кулагин, Либро-вич, 1964; Матвеев, Павловский, Прохорова, 1997; 1989; 1990).
Основной путь поступления металлов в атмосферу в естественных условиях связан с переносом их ветром. На его долю приходится более 80 % атмосферного никеля, более 60 % меди и свинца, более 55 % цинка. Исключением является кадмий, основная масса которого (более 60 %) поступает в атмосферу в результате вулканической деятельности. Вместе с тем, крупные источники поступления тяжёлых металлов в атмосферу на порядок меньше антропогенной деятельности. Антропогенные выбросы превышают количество таковых в сравнении с природными: свинца — в 18,3 раза, кадмия — в 8,8, цинка - в 7,2 раза (Ильин, Степанова, 1981).
Техногенное поступление тяжёлых металлов в окружающую среду происходит в виде газов и аэрозолей, а также в составе сточных вод (Матвеев, Прохорова, 1996; 1998; Тинсли, 1982; Ермаков, 2005).
Тяжёлые металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и очень медленно из неё выводятся: период полуудаления цинка - до 500 лет, кадмия - до 1000 лет, меди - до 1500 лет, свинца - несколько тысяч лет (Баранова, 1986; Ковальский, 1971; 1973; 1974; 1985; Кулагин, 1998; Матвеев, 1988; Николаевский, 1979; Николаевский, Чернышенко, 1989).
Громадное количество выбросов связанно с функционированием металлургических предприятий, где тяжёлые металлы находятся в основном в нерастворимой форме.
По мере удаления от источника загрязнения, наиболее крупные частицы оседают, доля растворимых соединений металлов увеличивается. Аэрозольные загрязнения, поступающие в атмосферу могут удаляться из неё путём естественных процессов самоочищения, при этом основную роль играют атмосферные осадки. В итоге выбросы промышленных предприятий в атмосферу, сбросы сточных вод создают предпосылки для поступления тяжёлых металлов в почву, растения, водоёмы, донные отложения и живые организмы (Балков, 1978; Михайлов, 1992; Хазиев, 2000).
Характеристика территории расположения объектов Михайловского ГОКа
Территория Железногорского района расположена на северо-западной части Курской области. Общая площадь района составляет 98754 га. Общая площадь сельскохозяйственных угодий составляет 35040 га или 56 % от общей площади района, 402 га или 0,6 % приходится на овраги, обнажения геологических пород и прочие земли, не используемые в сельскохозяйственном производстве. Более 17 % территории района занимают естественные и искусственные лесонасаждения. Распаханность сельхозугодий составляет 68,0 %.
Землепользование Железногорского района находится в северном агроклиматическом районе Курской области. По условиям теплообеспеченности растений район относится к умеренному поясу, входящему в состав лиственно-лесной климатической области Европейской части Российской Федерации. Преобладающими ветрами в зимний период являются ветры юго-восточного, юго-западного и западного направлений, в летний период северного, северо-восточного, северо-западного и юго-западного направлений. Среднегодовая скорость ветра -4,1 м/сек, число дней со скоростью ветра более 6 м/сек составляет в среднем 190.
Железногорский ареал расположен в северной части Среднерусской возвышенности и относится к северо-западному геоморфологическому району. Рельеф района сформировался в неогеновый и четвертичный периоды. В настоящее время территория района, как и всей Курской области, испытывает очень медленное поднятие (Смольников, Русин, Панов, 1996; Смольников, 2005).
Река Свапа делит всю территорию района на две части: северную (правобережную) и южную (левобережную). Характер рельефа их не одинаков. Северная часть территории отличается значительной расчленённостью балками, оврагами и речными долинами. В этой части территории много склоновых земель, крутизна которых возрастает от водораздела к долинам рек, ручьёв, днищ балок и оврагов. Сильная расчлененность явилась причиной проявления водной эрозии почв и частичного их иссушения из-за потери осадков поверхностного стока. Южная часть территории представлена надпойменной террасой Свалы.
Господствующими элементами рельефа территории Железногорского района являются пологие (1-3) склоны водоразделов. Меньшее распространение имеют плато водоразделов. Переход водоразделов в поймы рек, ручьёв и днища балок, как правило, резкий в виде уступов, каковыми являются крутые склоны балок, долины рек и ручьёв.
Склоны балок имеют уклоны 10-20 и более градусов и почти повсеместно затронуты процессами смыва и размыва. В северо-западной и частично северной частях района балки глубокие, расчленены густой сетью оврагов. Почвы склонов на некоторых участках сильно смыты до обнажения почво-образующих и подстилающих пород.
Надпойменные террасы выражены в левобережье рек Свапа, Чернь и Усожа. Рельеф надпойменных террас равнинный. В условиях поймы рек и ручьев рельеф также равнинный, однако, несмотря на их равнинный характер, имеется довольно сложный микрорельеф (кочки, потяжины, западины, старицы).
Наиболее широкую пойму имеют реки Свапа и Чернь (500-1500 м). Средний районный коэффициент расчлененности территории овражно-балочной и долинной сетью равен 1,0 км/км", такая величина соответствует средней степени расчлененности территории района. Однако если рассматривать отдельные части района, наибольшая расчлененность в центральной и северной частях землепользования 1,33 км/км , наименьшая в южной час-ти - 0,6 км/км .
Рельеф местности, являясь элементом природного ландшафта, оказывает на почвообразование прямое и косвенное влияние. Он создает различные условия для почвообразовательного процесса и распространения почв на поверхности. Так, на плато и пологих склонах водоразделов сформировались нормальные почвы черноземного или серого лесного типа, на покатых склонах их смытые варианты, в поймах рек аллювиальные почвы. Преобладающим по площади типом почв Железногорского района являются темно-серые и серые лесные почвы, несколько меньше распространены выщелоченные черноземы, в основном эти типы почв средне- и тяжелосуглинистого гранулометрического состава. Среди факторов почвообразования материнские породы имеют особое значение. Между почвообразующими породами и почвами существует тесная генетическая связь, которая проявляется в механическом, минералогическом, химическом составе и других свойствах почв.
Преобладающими почвообразующими породами на территории района являются лессовидные суглинки, подстилаемые нижнемеловыми отложениями (пески разнозернистые), меньше наносными отложениями и еще меньше породами палеогена и неогена - песками.
Лессовидные отложения в качестве почвообразующих пород выступают в условиях водораздела и надпойменной террасы, пески - в условиях надпойменной террасы и поймы. Наносные отложения - в поймах рек и в днищах балок. Наиболее распространенными почвообразующими породами являются лессовидные отложения. Мощность лессовидных отложений в разных местах составляет от нескольких метров до 20 м.
Источники загрязнения почв и растительного покрова в зоне функционирования Михайловского ГОКа
Предприятия МГОКа - весьма специфический очаг загрязнения атмосферы и почвенного покрова. Основной ингредиент загрязнения - пыль; ее источники: карьер, в контурах которого разрабатываются вскрышные породы, богатые руды, окисленные и неокисленные кварциты; дробильно-сортировочная фабрика по переработке богатых руд; дробильно-обогатительный комплекс и фабрика окомкования по переработке железистых кварцитов; пылящие пляжи хвостохранилища; . объекты железнодорожного и автомобильного транспорта. При погрузке полезного ископаемого в автомобильный и железнодорожный транспорт в карьере воздух запыляется.
Пыль в больших объемах выносится в окружающую среду в результате периодических взрывов кварцитов в карьере. Расчеты и наблюдения показывают, что в случае подъема пыли при взрыве на высоту 100 м над уровнем карьера, при обычной для этих мест скорости ветра 3 м/с, пыль из взрывного облака выпадает в пределах 5 км, а основная ее масса осаждается в пределах 3 км от места взрыва. Количество пыли, осаждавшейся вблизи от карьера за сутки, в которые производились взрывы, составляет 400 -500 мг/м" , а за год выпадает до 1000 кг/га, что соизмеримо с количеством пыли, выпадающей на поверхность земли в самых запыленных городах. Кроме карьера с его периодическими выбросами пыли в атмосферу после взрывов, на территории МГОКа происходят неорганизованные выбросы пыли, прежде всего от хвостохранилища, поставляющих до 50% всего количества выбросов (Афанасьева, 2005; Ермолович, 2005; Черников, 2001).
Кроме объектов МГОКа загрязнение атмосферы и почвенного покрова происходит еще от целого ряда не менее существенных источников. В первую очередь это последствия глобального загрязнения атмосферы и связанного с ней трансграничного переноса загрязняющих веществ, попадающих на поверхность почвы при выпадении жидких и твердых атмосферных осадков. Таким образом, на территории Железногорского района произошло загрязнение почв радионуклидами от Чернобыльской катастрофы и от испытаний ядерного оружия в период до 1980 г. Таким же путем в почву могли попадать загрязняющие вещества самого широкого спектра.
К глобальному загрязнению добавляется загрязнение от выбросов предприятий и жилищно-коммунальной сферы,, особенно в период зимнего отопительного сезона, когда кислотность атмосферных осадков резко возрастает, а при сжигании угля и мазута образуются десятки опасных загрязняющих веществ. Ещё больше загрязняющих веществ в атмосферу и почвенный покров района поставляет автомобильный транспорт. При сгорании автомобильного топлива в атмосферу поступает более 200 загрязняющих веществ, в том числе органических канцерогенов, тяжелых металлов,.в частности свинца, кадмия и других полютантов. Эти выбросы сосредоточены в основном вдоль автотрасс (Доклад , 2006).
Интенсивное загрязнение почвенного покрова происходит в результате сельскохозяйственного производства. Кроме продуктов сжигания топлива автомобилей и сельскохозяйственной техники, огромное количество загрязняющих веществ попадает в почву при внесении минеральных и органических удобрении, использовании пестицидов для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. Они содержат большое количество полютантов,. в том числе такие тяжелые металлы, как свинец, кадмий, медь и другие. Вносят свою долю в загрязнение автозаправочные станции и нефтебазы, особенно при авариях и утечках топлива.
Таким образом, в атмосферу, а через нее и в почвенный покров Железногорского района поступает большое количество разнообразных загрязняющих веществ от десятков локальных, региональных и глобальных источников. Прежде чем приступить к анализу фактических данных, отметим следующие особенности почвенного покрова, как объекта антропогенного воздействия, загрязняющегося различными веществами, в первую очередь, тяжелыми металлами и микроэлементами.
Почвенный покров в современных условиях хозяйственного воздействия выполняет важную роль буфера и детоксиканта. Он аккумулирует тяжелые металлы, пестициды и другие загрязняющие вещества и в первоначальном или преобразованном виде связывает их с минеральными и органическими веществами почвы. Это резко снижает их доступность растениям и соответственно общий уровень токсичности природной среды. Почва обладает большой емкостью и способна накапливать и до определенного предела нейтрализовать высокие дозы токсических веществ, причем без всяких видимых последствий для почвенного покрова и растительности. Поэтому очень важна ранняя диагностика процессов загрязнения, ее мониторинг и прогноз дальнейших последствий продолжающегося загрязнения (Муха, Черников).
![Оценка уровня здоровья и его коррекция методами аудиовизуальной стимуляции и нейробиоуправления при наркотически зависимых состояниях [Электронный ресурс]](/i/i/4236/177287.png "Оценка уровня здоровья и его коррекция методами аудиовизуальной стимуляции и нейробиоуправления при наркотически зависимых состояниях [Электронный ресурс] Макаров Сергей Владимирович")
![Формирование хронической усталости и ее влияние на состояние здоровья школьников [Электронный ресурс]](/i/i/4380/190984.png "Формирование хронической усталости и ее влияние на состояние здоровья школьников [Электронный ресурс] Матвеева Светлана Какоевна")
