Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ СТЕПЕНИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 9
1.1. Воздействие горного производства на окружающую среду. 9
1.2. Природные и антропогенные источники поступления микроэлементов и тяжелых металлов в окружающую среду 11
1.3. Зависимость содержания химических элементов в растениях от форм их нахождения в почвах 14
1.4. Содержание и формы нахождения тяжелых металлов в почве в условиях техногенеза 17
ГЛАВА 2. РАЙОН РАБОТ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 21
2.1. Объекты исследования 21
2.2. Методика отбора проб 27
2.3. Аналитические методы 30
ГЛАВА 3. ИСТОЧНИКИ И СТЕПЕНЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ДОЛИНЫ РЕКИ ДЖАЛИНДА 36
3.1. Оценка степени загрязнения долины реки 36
3.2. Источники загрязнения, особенности загрязнения почв долины реки 56
3.3. Фоновое содержание химических элементов в почвах изучаемой территории 63
ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ И ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАСТЕНИЙ ДОЛИНЫ РЕКИ 74
4.1. Группы элементов биологического поглощения (по А.И.Перельману) 76
4.1.1. Группа элементов сильного биологического накопления 81
4.1.2. Группа элементов среднего биологического захвата 90
4.1.3. Группа элементов слабого и очень слабого биологического захвата 99
4.2. Взаимосвязь содержаний химических элементов в растениях и их подвижных форм в почве.
4.3. Особенности загрязнения растений долины реки 120
4.4. Состояние микрофлоры почв загрязненных территорий 123
4.5. Комплекс мероприятий по снижению неблагоприятных экологических последствий
ВЫВОДЫ 138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
ПРИЛОЖЕНИЕ А 165
- Воздействие горного производства на окружающую среду.
- Методика отбора проб
- Оценка степени загрязнения долины реки
Введение к работе
Проблема эволюции окружающей среды и прогноз ее развития в условиях природных и антропогенных изменений постоянно находится в сфере пристального внимания ученых. Её решение включает несколько аспектов, одно из которых заключается в оценке экологического состояния окружающей среды, предполагающее контроль и планирование мероприятий по снижению антропогенной нагрузки.
В условиях интенсивно развивающейся промышленности, сельскохозяйственного производства, добычи полезных ископаемых, возрастания транспортной нагрузки стремительно увеличивается поток техногенных веществ, поступающих в атмосферу, воду, почву, растительность, который захватывает все новые территории. Миграция этих
веществ и элементов приводит к аккумуляции их в тканях живых организмов, нарушению процессов метаболизма. Таким образом, в зонах интенсивного техногенного воздействия изменениям подвергаются все составляющие природно-территориальных комплексов. Поэтому весьма актуальной является корректная оценка загрязнения окружающей среды. Выяснение техногенной и естественной составляющей долей в загрязнении территорий невозможно без знания региональных фоновых концентраций элементов, в том числе и тяжелых металлов.
В данной работе рассматриваются экологические проблемы, возникающие в процессе эксплуатации месторождений золота, вносящих свой вклад в формирование экологической обстановки в Приамурье. В Амурской области известно более 7,5 тыс. месторождений золота, сосредоточенных в 13 золотороссыпных районах и она в настоящее время занимает третье место по добыче золота в России. При освоении россыпных месторождений золота на значительных территориях уничтожается почвенно-растительный покров, разрушаются лесные массивы, в отвалах накапливаются большие
-5-объемы вскрышных пород, впоследствии воздействующих на составляющие биоценозов.
При этом происходит нарушение окислительно-восстановительного потенциала среды. В
результате окисления образуются легко растворимые в воде сульфаты, арсенаты, которые,
мигрируя с поверхностными и подземными водами, являются источником рассеивания
химических элементов, в том числе и токсичных, выщелачиваемых из подстилающих
геологических пород.
Объектом исследований явились почва и растения в долине реки Джалинда -старейшем районе золотодобычи (см. главу Объекты и методы исследования). Экологические проблемы, возникшие в процессе эксплуатации Джалиндинского месторождения, являются типичными для золотодобывающих предприятий области, что позволяет рассматривать исследуемый объект как модель для изучения процессов, происходящих в биогеоценозах, испытьюающих длительный техногенный пресс предприятий-золотодобычи.
Целью работы является оценка влияния деятельности золотодобывающих предприятий на экологическое состояние почв и растительности на основе их микроэлементного состава.
Задачи работы:
Определить валовое содержание и концентрацию подвижных форм элементов с использованием современных аналитических методов: РФ A, ICP-MS, ICP-AES.
Выяснить уровни содержания токсичных элементов в почвах и растениях в зоне влияния предприятий, добывающих рудное и россыпное золото.
Исследовать химический состав почв и растений вне зоны горных работ для получения данных по фоновым концентрациям элементов.
4) Изучить корреляционную зависимость между содержанием токсичных
элементов в растениях и концентрациями их подвижных форм в почвах.
5) Проанализировать пространственное распределение микроэлементов в почвах и
растениях исследуемого района.
6) Осуществить эколого-геохимическую оценку состояния почв и растительности природных ландшафтов бортов долины и антропогенно-нарушенных ландшафтов в долине реки.
Научная новизна. Впервые получена развернутая геохимическая характеристика почв и растительности долины р. Джалинда, позволившая оценить техногенное воздействие предприятий золотодобычи. Выявлены ассоциации элементов загрязнителей и общие закономерности их пространственного распределения в почвах и растениях техногенного ландшафта, на основании чего определены источники поступления тяжелых металлов и мышьяка в среду. Оценено эколого-геохимическое состояние почв и почвогрунтов территории. Установлено фоновое содержание микроэлементов в почвах и растениях природных ландшафтов, позволившее оценить произошедшие изменения в долине реки.
Практическая значимость. В работе выполнена количественная оценка и проведен анализ загрязнения района освоения россыпного и рудного месторождений золота, что важно для санитарно-гигиенической оценки территории. Основные результаты работы применены при разработке рекомендаций по восстановлению основных компонентов биогеоценозов, нарушенных в результате деятельности предприятий золотодобычи Результаты исследования могут быть отправной точкой для дальнейшего мониторинга территории и динамики экологической ситуации при эксплуатации месторождений золота.
Защищаемые положения:
В комплекс загрязняющих веществ почв долины р. Джалинда входит ассоциация элементов: As, Mo, Си, Zn, Ni, Со, Сг, Мп, V, Ва. Суммарный показатель загрязнения закономерно снижается вниз по течению реки.
Микроэлементный состав почв долины р. Джалинды сформирован под влиянием двух источников: естественного разрушения коренных горных пород и техногенного
-7-поступления вследствие эксплуатации золоторудного месторождения, расположенного в
верховьях реки.
3. Уровни содержания элементов в растительности реки отражают пространственное распределение и особенности загрязнения почв и почвогрунтов долины реки. Загрязнителями растительности являются As, Си, РЬ, Мо, Сг, Mn, Со, Ni, Zn.
Апробация. Основные положения диссертации были представлены на 2-й школе-семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона» (Улан-Удэ, 2001), Третьей региональной научно-практической конференции «Функционирование геосистем» (Владивосток, 2002), Второй международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, молоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, 2003), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Золото Сибири и Дальнего Востока» (Улан-Удэ, 2004), региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и рационального использования природных ресурсов в Дальневосточном регионе» (Благовещенск, 2004), Второй межрегиональная научно-практическая конференция «Золото Забайкалья» (Чита, 2005), международной научно-практической конференции «Антропогенная динамика природной среды» (Пермь, 2006), II международной конференции «Проблемы экологии, безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, 2006).
По теме диссертации опубликованы 11 работ, в том числе, 2 статьи в рецензируемых журналах РАН: «Экология и промышленность России», «Геоэкология».
Работа выполнялась в рамках НИР Отделения региональной геологии и гидрогеологии ДВО РАН, ныне Институт геологии и природопользования ДВО РАН в лаборатории геоэкологии.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность руководителю - чл.-корр. РАН Б.А. Воронову. Наиболее ощутимую помощь и поддержку при проведении исследований оказали д.б.н. Крупская Л.Т., к.б.н. Куимова Н.Г., Л.М. Павлова к.б.н., к.х н.
-8-Радомская В.И., д.г.-м.н. Сорокин А.А., к.т.н. М.А. Серов, к.г.-м.н. В.И. Киселев (ДВГИ
ДВО РАН), к.б.н. Л.Н. Щапова (БПИ ДВО РАН) и сотрудники ИГиП ДВО РАН Зиневич А.А., Ушакова Е.В.
Воздействие горного производства на окружающую среду
Зависимость общества от экологических результатов своей деятельности приобретает глобальный и все более острый характер, что выражается в огромных масштабах изменений естественного состояния ландшафтов, атмосферы, недр, увеличением количества твердых, жидких и газообразных отходов и т. д. Любое современное производство, так или иначе использующее природные ресурсы, направлено на перестройку окружающей среды. Результатом применения технологий являются локальные, региональные и глобальные изменения окружающей среды.
В связи с этим, оценка состояния природных экосистем в различных природных зонах, испытывающих воздействие техногенных факторов, постоянно находится в центре внимания ученых (Израэль, 1978; Израэль, 1981; Глазовская, 1982; Глазовская, 1988; Снаткин и др., 1992; Елпатьевский, 1993; Гальперин и др, 1997; Алексеенко, 2000; Побережная, 2006; Fergusson, 1990; Clark, et al., 2001; (Stuben, et al., 2001; Gnandi, Tobschall, 2002; Moturi, et all., 2004) и др.
Горное производство, являясь одним из основных видов хозяйственной деятельности человека, оказьюает масштабное воздействие на все основные компоненты природной среды, выражающееся в неминуемом изъятии вещества и изменении физических и химических характеристик почв, подземных и поверхностных вод, живых организмов. Проблема обеспечения экологической безопасности воздействия горного производства изучалась достаточно широко, причем значительные научные и практические результаты были получены по различным направлениям: земельные ресурсы (Горлов, 1981; Пак, Буянов, 1990; Томаков, Наумов, 1992; Томаков и др., 1994; Крупская и др., 1997; Durn et al., 1999), атмосфера (Михайлов и др., 1971; Малахов и др., 1988; Pacyna, Lindgren, 1997), поверхностные и подземные воды (Мироненко, Румынии и др., 1980; Харионовский, 2000; Wennrich et al., 2004). Наиболее крупные изменения состава и свойств недр происходят при разработке месторождений открытым способом, что наблюдается на предприятиях золотодобычи. В модели, представленной И.П. Ивановым и Н.В.Козловой (Иванов, Козлова, 1986), систематизированы изменения геологических условий территории месторождения, разрабатываемого открытым способом. Дальний Восток является одним из старейших горнорудных регионов России. Интенсивное освоение месторождений золота, особенно россьшного, приводит к резкому увеличению площадей открытых разработок, которые размещаются в основном в долинных ландшафтах, выполняющих важные средорегулирующие функции. Экологические проблемы, возникающие в процессе разработки и эксплуатации месторождений золота, функционировании ГОКов освещались многими авторами. Анализ экологической обстановки при разработке россыпных месторождений отражен в работах З.Г. Мизерхановой и С.Д. Шлотгауэр (Мизерханова, Шлотгауэр, 1991; Мизерханова, 2003), проведено районирование территории Дальнего Востока для разработки региональной стратегии экологической безопасности при разработке месторождений благородных металлов (Саксин, Крупская, 1977: Саксин и др., 1998). Кроме того, часть работ посвящена оценке воздействия горного производства на почвы и их последующей рекультивации (Замощ, 1978; Мизерханова, Дебелая, 1995; Крупская и др, 2001).
Приамурье по запасам россьшного и рудного золота занимает одно из лидирующих мест в России (Христофорова, 2005), но, несмотря на весьма длительную историю освоения месторождений золота, оценка состояния почв, характера их загрязнения тяжелыми металлами на должном уровне не проводилась. Они носили частный характер, например, изучение подвижных форм микроэлементов в северной и западной части Амурской области (Ладан, 1985) или посвящены оценке ртутного заражения отдельных районов (Коваль, Павлова и др., 2002; Степанов, Юсупов и др., 2003), либо выполнялись с использованием приближенно-количественных аналитических методов (тематические исследования ФГУГП "Амургеология").
Усиление техногенного воздействия на окружающую среду требует детальных исследований поведения загрязняющих веществ в компонентах биосферы. Большую сложность представляет изучение поведения микроэлементов, в том числе тяжелых металлов техногенного происхождения в почвах. Поэтому представляется весьма актуальным изучение состояния компонентов природной среды для эколого-геохимической оценки одного из районов золотодобычи с применением современных аналитических методов (РФА, ICP-AES, ISP-MS), которые достигают высокой степени чувствительности для большинства химических элементов.
Методика отбора проб
Пробы почв были отобраны на трех профилях на бортах долины реки Джалинда, отстоящим друг от друга на первые километры, перпендикулярно долине, и на одном профиле, расположенном перпендикулярно долине реки Боковая Джалинда (рис.1), с глубины 0-10 и 10-20 см. Отметим, что все четыре профиля расположены в сходной геологической ситуации, а именно в поле развития близких ассоциаций коренных пород. Общее количество проб в пределах каждого профиля составляло 5-6, при этом, крайние точки всех профилей расположены на бортах долины, а остальные в пределах ее днища.
Профиль 1. Пробы почв и растительности отобраны по прямой, расположенной перпендикулярно долине реки, на 1 км выше ключа Янканский. Точка № 1 (0-1-П, 0-1-П1) расположена в днище долины реки Джалинда. Точка №2 (О-2-П, 0-2-П1) отстоит от точки №1 западнее на ПО м, через 100м западнее точки №2 отобрана проба точки № 3(0- 3-П, 0-3-П1). Точки №№ 1, 2, 3, расположены в днище долины реки. Отобранные пробы представляют собой почвогрунты, примитивные почвы, почвенные горизонты в которых практически не выражены и характеризуются значительной каменистостью. Точка № 4 (0-4-П, 0-4-Ш) расположена западнее точки № 3 на 35 м, это правый борт долины реки. Точка № 5 (0-5-П, 0-5-П1) расположена восточнее на 60 м точки № 1. В поверхностном слое почв бортов долины, выражен слой подстилки светло-бурого цвета из слежавшихся листьев, трав и веток. Почвы коричневато-бурые, рыхлые, слой густо переплетен корнями растений. Дифференциация почвенного профиля на генетические горизонты выражена слабо. Гумусовый слой коричневато-бурый постепенно переходящий в почвообразующую породу. Профиль 2. Точка №5 (0-7-П, 0-7-П1) расположена в левом борту долины в 300 м от реки Джалинда. В 100 м от точки № 5 на юго-запад - точка № 4 (0-8-Ш), это край дражного полигона. Точка № 3 (О-9-П, О-9-П1) отдалена от точки № 4 (0-10-П, О-10-П1) на 200 м на юго-запад. На расстоянии 400 м от точки № 3 отобрана проба в точке № 2 (О-12-П, 0-12-П1). Точка № 1 (О-13-П, 0-13-П1) расположена в урочище Майском, правый борт долины реки. Почвы на бортах долины имеют довольно мощную неразложившуюся подстилку бурого цвета, состоящую из листьев, хвои. Поверхностный почвенный слой содержит много щебня, рыхлый.
Профиль 3. Точка № 1 (О-13-П, 0-13-П1) расположена в правом борту долины, в 75 м выше края дражного полигона, 375 м от реки Джалинда. Точка № 2 (О-14-П, 0-14-П1) отстоит от точки № 1 на 75 м на северо-восток, край дражного полигона, протока между искусственными водоемами. В 100 м от точки № 2 отобрана проба в точке № З (О-15-П, 0-15-П1) в пределах отвала старого карьера. Точка № 4 (О-16-П, 0-16-П1) берег реки Джалинда. Точка № 5 (О-17-П, 0-17-П1) расположена в 300 м от р. Джалинда, левый борт долины, представляет собой пологий заболоченный склон. Точка № 6 (0-18-П, 0-18-Ш)-в 100 м от точки № 5 по направлению к реке, край дражного полигона.
Профиль 4. Профиль лежит перпендикулярно долине реки Боковая Джалинда. Точка №1 (0-35-П, 0-35-П1) расположена в правом борту долины, в 20 м от реки. Точка № 2 (0-36-П, 0-36-П1) от стоит от точки № 1 на 100 м на запад. Точка № З (0-75-П, 0-37 Ш) расположена в 100 м западнее точки №2. Точка № 4 (0-38-П, 0-38-П1) также расположена в днище долины реки и отстоит от точки № 3 на 100 м на запад. Точка № 5 (О-З9-П, О-З9-П 1) отобрана в левом борту долины на расстоянии 15 м от реки. Кроме того, была отобрана проба вне зоны отработки россыпей в устье ключа Янканский. Почвы и почвогрунты, отобранные в долине реки, имеют различное стадийное состояние почвенного профиля. Мощность гумусо-аккумулятивного горизонта крайне незначительна. Гранулометрический состав новых почвенных профилей обусловлен характером горной породы, на которой сформированы почвы. Это, как правило, грубоскелетные отложения с небольшим количеством мелкозема. Водный режим их обусловлен не столько гранулометрией, сколько положением в рельефе. Генетическая принадлежность почв устанавливалась с учетом их морфологических признаков, физико-химических свойств и вещественного состава (Иванова, 1976; Ковалишин, Полупан, 1981; Ананко, Фридланд, 1983).
В каждой точке отобрано две пробы - с глубины 0-10 см и с глубины 10-20 см. Вес каждой отобранной пробы составлял более 0.5 кг, из которой выделена фракция частиц размером менее 1 мм и затем, измельчена до крупности 200 меш.
В точках отбора почвенных образцов также были отобраны пробы растительности. Поскольку травянистый покров в точках опробования был сильно разрежен, произвести сборы одного вида не представлялось возможным. Поэтому отбиралась объединенная проба из травянистых растений (Ивашов, 1976, Ивашов, 1987).
Оценка степени загрязнения долины реки
В настоящее время удельный вес наиболее землеемкого способа открытых горных разработок минерального сырья постоянно увеличивается. На Дальнем Востоке таким способом осваивается более 80% россыпных и коренных месторождений золота, при этом нарушается свыше 15 тыс. га земель (Мамаев, Ван-Ван-Е и др, 1997; Сапожников, Морин, 2000; Крупская, Саксин и др., 2001).
При освоении россыпных месторождений золота на первой стадии на значительных территориях уничтожается почвенно-растительный покров, разрушаются лесные массивы, выполняющие водоохранно-защитную и стокорегулирующую функцию, из хозяйственного оборота изымаются сенокосные и охотничьи земли, в отвалах накапливаются большие объемы вскрышных пород, впоследствии являющихся причиной длительного геохимического пресса на составляющие компоненты биоценозов. Кроме того, в достаточно широких пределах вокруг осваиваемых месторождений нарушается режим подземных и поверхностных вод, т. е. формируется новый техногенный рельеф, и практически полностью уничтожаются биологические компоненты природных ландшафтов. В дальнейшем при вскрытии полигонов происходит изменение окислительно-восстановительного потенциала: среды, увеличивается количество легко растворимых в воде минеральных форм, которые, мигрируя с поверхностными и подземными водами, являются источником рассеивания химических элементов, в том числе и токсичных, выщелачиваемых из подстилающих геологических пород. За пределы горного отвода распространяются на большое расстояние миграционные геохимические потоки, несущие повышенные концентрации тяжелых металлов и микроэлементов (As,Zn, Pb, Hg и др.). В этой связи количественная оценка загрязнения почв является неотъемлемой составной частью комплексных экологических исследований, создающих базу для планирования мероприятий по снижению последствий разработки коренных и россыпных месторождений золота.
Экологические проблемы, возникшие в процессе эксплуатации Джалиндинского месторождения золота, являются типичными для золотороссыпных месторождений области. Это обстоятельство позволяет рассматривать исследуемый объект как модель для изучения процессов, происходящих в биогеоценозах, испытывающих длительный техногенный прессинг предприятий золотодобычи.
Накопленные к настоящему времени данные по результатам воздействия техногенеза на ландшафт показывает, что одним из главных носителей техногенного загрязнения является верхний горизонт почвы (Сапрыкин, 1984; Глазовская, 1988;
Елпатьевский, 1993; Tack, Singh, Varloo, 1998; Palumbo, Angelone et al, 2000; Lombi, Zhao et al., 2002). Почва, как объект контроля загрязнения, имеет ряд важных специфических особенностей. Это самая малоподвижная природная среда по сравнению с атмосферой или поверхностными водами, следовательно, миграция в ней происходит относительно медленно. Вследствие этого высокие уровни загрязнения почв некоторьми веществами локализуются в местах их выброса во внешнюю среду. Амплитуда временных колебаний концентраций загрязняющих веществ в почве в одном и том же районе на несколько порядков меньше, чем в других природных средах. Для контроля загрязнения почв во многих случаях важно знать естественное (фоновое) содержание ингредиентов в почвах (Ильин, 1991; Птицын, 2006; Blaser, Zimmerman et al., 2000).
Все эти специфические особенности делают почву «идеальным» объектом для оценки загрязнения окружающей среды (Найнштейн, 1980; Baize, Sterckeman, 2001).
