Содержание к диссертации
Введение
1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ. 7
1.1. Физико-географическая характеристика Башкирского Зауралья 7
1.2. Природные ресурсы Башкирского Зауралья 14
2. ВЛИЯНИЕ ВЫБРОСОВ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ЕСТЕСТВЕННЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ И КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 33
2.1. Анализ влияния техногенного загрязнения окружающей среды на растительность и почвы 33
2.2. Современные подходы к оценке качества окружающей среды 53
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 57
4. АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ТЕРРИТОРИИ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ 67
5. ДЕМОГРАФИЧЕСКАЯ СИТУАЦИЯ И СОСТОЯНИЕ ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 107
6. РОЛЬ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В ПОГЛОЩЕНИИ ЭКОТОКСИКАНТОВ НА ТЕРРИТОРИИ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕНЕЗА 123
6.1. Содержание некоторых металлов в почве и растениях при произрастании на отвалах Учалинского горно-обогатительного комбината и Башкирского медно-серного комбината 128
6.2. Состояние лесных насаждений техногенных ландшафтов 139
7. ВЫВОДЫ 143
8. ЛИТЕРАТУРА 146
9. ПРИЛОЖЕНИЯ 168
- Физико-географическая характеристика Башкирского Зауралья
- Анализ влияния техногенного загрязнения окружающей среды на растительность и почвы
- АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ НА ТЕРРИТОРИИ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ
Введение к работе
Открытие и разработка рудных полезных ископаемых в конце XVII-ro века привели к формированию сети металлургических и вспомогательных производств на Южном Урале. Сегодня часть предприятий горнодобывающей и перерабатывающей промышленности располагаются на территории Башкирского Зауралья и являются основными источниками техногенного загрязнения окружающей среды. В городах Учалы, Белорецк и Сибай расположены крупнейшие предприятия цветной и черной металлургии России - Учалинский горно-обогатительный комбинат, Белорецкий металлургический комбинат и Башкирский медно-серный комбинат. Необходимо отметить, что несмотря на отрицательное воздействие отходов производств на объекты окружающей природной среды и человека, рост благосостояния населения и развитие городской инфраструктуры всецело зависит от стабильности работы градообразующих предприятий. А необходимость в улучшении социально-экономических условий в таких городах требует постоянного увеличения объемов производства и реализации готовой продукции.
Несовершенство технологий при низком уровне природоохранных мероприятий на промышленных предприятиях приводит к тому, что в окружающую среду с выбросами поступают огромные количества токсичных соединений, в состав которых часто входят металлы, причем их доля в общей массе выбросов может составлять до 80% и более. Хозяйственная деятельность человека и связанные с ней техногенные нагрузки на окружающую среду привели к изменению ее компонентов: водоемов, почв, растительности и животного мира. Загрязняющие вещества попадают в окружающую среду различными путями, например, в виде газо- и пылевидных частиц через трубы в атмосферу либо сбрасываются со сточными водами в реки и озера (Шестакова, Казанцева, 1969; Пасынкова, 1979; Лукьянец, Шилова, 1979; Шилова и др., 1984; Матвеев и др., 1997; Прохорова и др., 1998; Кайгородова и др., 2000). Существует и множество других способов проникновения токсикантов промышленного происхождения в окружающую среду, но среди
них особое место занимает создание отвалов на поверхности суши из отходов промышленных предприятий и отвалов вскрышных пород при добыче полезных ископаемых. Благодаря действию ветра, дождевых, талых и подземных вод токсичные компоненты отвальных пород способны распространиться на значительные расстояния. Техногенно рассеянные тяжелые металлы попадая на поверхность почвы включаются и в почвообразовательный процесс (Матвеев и др., 1994; 1995; Прохорова, 1996; Хазиев и др., 2000), поглощаются растениями (Smith, 1981; Мамаев, 1969; Гиниятуллин, 1996; Коршиков, 1996; Матвеев и др., 1997; Кулагин, 1998, Кулагин и др., 2000) и поступают в пищевые цепи.
Общеизвестно, что в микроколичествах большинство из тяжелых металлов необходимы для нормального функционирования живых организмов, в высоких же концентрациях и при суммарном воздействии они становятся опасными загрязнителями природной среды (Виноградов, 1952; Прохорова и др., 1998; Горбунова, 2000; Талашкина, Чуков, 2000). Токсиканты оказывают негативное влияние на здоровье населения и состояние растительного покрова на территориях, прилегающих к заводам (Глазовская, 1968, 1972; Бондарев, 1976; Большаков и др., 1978; Ильин, Степанова, 1982; Варшал и др., 1993; Пасынкова, 2001; Князева, 1950; Красинский, 1950; Николаевский, 1964; Мамаев, 1969; Илькун, 1971; Applied ..., 1976; Антипов, 1979; Гудериан, 1979; Сергейчик, 1981; Dassler, 1981; Smith, 1981; Дашкевич, 1982; Никитин, 1987; Хайретдинов, 1990; Hoffman, Gronlberg, 1990; Кулагин, 1998; Загрязнение ..., 1988; Ситникова, 1990; Scheiber, 1990; Концепция ..., 1993; Биоиндикация ..., 1994; Коршиков, 1994; Красинский, 1950; Антипов, 1970; Илькун, 1971; Кулагин, 1985; Hawrys, 1984; Безуглая и др., 1991; Коршиков, 1994).
Цель работы - на основании анализа степени антропогенного воздействия промышленных предприятий на природные комплексы Башкирского Зауралья и демографической обстановки в регионе дать
характеристику эффективности природоохранных мероприятий и обосновать пути их повышения в современных условиях.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
проанализировать состав и объемы выбросов предприятий-источников загрязнения окружающей среды;
охарактеризовать демографическую ситуацию на территории Башкирского Зауралья;
оценить устойчивость и биоаккумулятивные возможности растительных сообществ техногенных ландшафтов.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут служить основой для разработки системы рекомендаций по увеличению эффективности уже существующих методов улучшения качества окружающей среду путем создания полифункциональных насаждений на территории промплощадок металлургических предприятий, созданию защитных лесополос, а также рекультивации промышленных отвалов. Кроме того, улучшение качества очистки отходов промышленных производств позволит улучшить качество сельхозпродукции, выращиваемой на угодьях, прилегающих к промзоне и в санитарно-защитной зоне.
Исследования проводились в рамках выполнения проектов РФФИ №№ 02-04-97909, 02-03-97913, 05-04-97901, 05-04-97903, 05-04-97906, 05-04-97922 и хоздоговора № 70/88 от 27.02.2003г. с ОАО «Башкирский медно-серный комбинат».
Апробация. Основные положения работы представлялись на международной конференции «Природное наследие России: изучение, мониторинг, охрана» в г. Тольятти, международной научно-практической конференции «Приоритет России XXI века: от биосферы и техносферы к ноосфере» в г. Пенза, международной научно-практической конференции «Природоресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» в г. Пенза и XII научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» в г. Сыктывкаре.
По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ.
Научная новизна. Решение проблемы загрязнения окружающей среды требует разработки современных систем очистки и утилизации отходов
хозяйственной деятельности. На сегодняшний день это, к сожалению, ограничивается лишь установлением общих принципов и закономерностей. Следует отметить, что внедрение таких технологий на производстве сопряжено с рядом трудностей, в основном финансово-экономического или технологического плана. Очевидным является факт невозможности внедрения безотходных производств или производств с замкнутым технологическим циклом. Все вышеуказанное позволяет заключить, что на современном этапе человеку необходимо использовать буферную емкость лесных экосистем для решения проблемы загрязнения окружающей среды. Как показывает анализ создание системы санитарно-защитных лесополос с эффективностью, сравнимой с очистными сооружениями, выполняет газо- и пылепоглощающие функции. При создании таких лесополос требуется значительно меньше затрат по сравнению с самыми элементарными очистными сооружениями.
Положения, выносимые на защиту: 1) Развитие региона невозможно без развития промышленности, а увеличение объемов производства на промышленных предприятиях неизбежно ведет к увеличению количества отходов, что в свою очередь негативно отражается на состоянии растительности и населения. 2) Древесные растения проявляют высокую устойчивость к действию техногенных загрязнителей и способны аккумулировать значительные объемы металлов в своих органах. 3) Лесная рекультивация является эффективным методом решения проблемы загрязнения окружающей среды.
Выражаю глубокую благодарность своим научным руководителям, кандидату сельскохозяйственных наук, заслуженному лесоводу России Е.М. Дорожкину и кандидату биологических наук А.А. Кулагину, коллегам из Уральского института подготовки и повышения квалификации кадров лесного комплекса, Института биологии УНЦ РАН и Уфимского государственного института сервиса за содействие в работе и полезные советы при подготовке диссертации. Настоящая работа была выполнена благодаря практической помощи со стороны Н.Г.Кужлевой, Р.В.Уразгильдина, Г.А.Зайцева, Ю.А. Шагиевой, которым автор выражает глубокую признательность.
Физико-географическая характеристика Башкирского Зауралья
Республика Башкортостан расположена на Южном Урале, на границе Европы и Азии, между 5131 и 5625 северной широты и 5310 и 6000 восточной долготы, занимая площадь 143,6 км (Хисматов, 1987). Ее протяженность с севера на юг составляет 550 километров, с запада на восток -450 километров.
Башкирская АССР была образована 23 марта 1919 г. из некоторых волостей Оренбургского, Орского, Верхнеуральского, Троицкого, Челябинского, Шадринского, Екатеринбургского, Красноуфимского, Златоустовского, Уфимского и Стерлитамакского уездов. В 1920 г. были присоединены еще 16 волостей Стерлитамакского уезда (включая г.Стерлитамак). К 1923 г. очертания республики примерно походили на нынешние. В 1930 г. в результате реорганизации было образовано 48 районов. С 1993 г. - Республика Башкортостан с 54 административными районами и населением более 4 млн. человек. Распределение населения по территории неравномерное: наибольшая плотность (свыше 25 чел. /KMZ) отмечена в западных, наименьшая (2 чел./км) - в горных районах республики.
Южные отроги Уральских гор занимают более 1/4 территории республики, около 2/3 приходится на Предуралье (юго-восточная окраина Восточно-Европейской равнины), и менее 1/10 - на Зауралье (Хисматов, 1979). Перепад высот от 58,7 м над уровнем моря в устье р. Белой до 1640 м над уровнем моря - г.Ямантау. Высотная дифференциация такова: доля территории с абсолютными отметками до 500 м н.у.м. составляет 81,1; от 500 до 1000 м - 18,6; выше 1000 м - 0,3% от площади всей республики.
Климат Башкирии умеренно-теплый, среднеконтинентальный со значительными различиями между Предуральем, горным Уралом и Зауральем. Резко выделяются холодный и теплый периоды года; осень и весна относительно скоротечны. Ярким показателем континентальное служит средняя и абсолютная амплитуда температуры воздуха, которая на Южном Урале достигает 86-88 градусов. По степени континентальности Башкортостан занимает одно из первых мест в Европейской части России. Воздушные массы Атлантики оказывают значительное влияние на климат республики, особенно в теплое время года; зимой возрастает значение азиатского антициклона. Суммарный объем осадков на территории РБ составляет в среднем в год 90,5 км , причем 72% идет на испарение.
Продолжительность солнечного сияния довольно велика: в Уфе - 1941 час, в Стерлитамаке - 2023 часа в среднем за год (для сравнения: в Москве -1560 часов, в Сочи - 2202 часа). Число пасмурных дней в году колеблется от 160 на западе до 110 на востоке.
Достаточно суровая и длительная зима приводит к глубокому промерзанию почвы, особенно интенсивному в Зауралье (до 135 см) ввиду низких температур воздуха и небольшой высоты снежного покрова. Средняя максимальная глубина промерзания почвы за зиму на Южном Урале составляет 50-95 см (Урал и Предуралье, 1968). Установление устойчивого снежного покрова происходит в первой половине ноября. Оттаивание почвы до глубины 10 см в зависимости от характера весны и состава почвы происходит через 1-6 дней после схода устойчивого снежного покрова - для Предуралья это конец апреля - середина мая (в отличие от Предуралья оттаивание почвы в Зауралье запаздывает на 4-5 дней , р горах - на 7-10 дней). Отметим неравномерность залегания снежного покрова в степных и лесостепных районах.
Горы Южного Урала - целая система меридиональных хребтов, разделенных широкими межгорными понижениями, шириной до 150 км. Водораздельным является хребет Уралтау (Балков, 1978). Склоны хребтов ступенчатые, с каменными россыпями. (Атлас БАССР, 1976). Горный Южный Урал представляет собой сложно построенное герцинское сооружение, глубоко размытое в последующие этапы геологической истории и обновленное новейшими (неоген-четвертичными) движениями земной коры (Фаткуллин, 1994). Хребты Южного Урала располагаются меридианально, параллельно друг другу, совпадая с простиранием структур складчатого фундамента. Исключением из общего правила являются хребты Уйташ, Каратау, которые протягиваются почти широтно. Практически все хребты Южного Урала расположены в пределах Башкирии, лишь небольшой «аппендикс» Челябинской области вклинивается в гористую часть.
Барьерный эффект гор (Максютов, 1974) сказывается на осадках, облесенности, формировании ландшафтов. Вблизи горных массивов наблюдается резкое смещение изотерм. Вытянутые с севера на юг хребты Урала создают резкое различие в климатических условиях на западных и восточных склонах. В среднем на каждые 100 м поднятия в горы температура понижается на 0,5С. Уменьшение показателя радиационного баланса в горах составляет в среднем около 1,5 ккал/см в год на каждые 100 м высоты (Ефимова, Зубенок, 1966).
Анализ влияния техногенного загрязнения окружающей среды на растительность и почвы
Большинство тяжелых металлов, попадающих в биосферу являются элементами техногенного происхождения. Как правило металлы попадают в окружающую среду в составе аэрозолей, роль которых в загрязнении атмосферы наибольшая. Кроме того, в осадках, которые попадают на поверхность почвы, могут содержаться такие металлы как свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, хром, никель, цинк и многие другие (Алексеев, 1987).
В растения металлы попадают путем осаждения на листовой поверхности, либо вместе с необходимыми макро- и микроэлементами в составе минеральных элементов при корневом питании. Выделяют две стадии листового поглощения тяжелых металлов (Виноградов, 1985): 1 — основное неметаболическое проникновение через кутикулу; 2 - накопление элементов, противоположное действию градиентов концентрации или метаболический перенос ионов через плазматические мембраны и протоплазму клеток. Металлы, поглощенные листьями, перемещаются по растению и наибольшее их количество нередко обнаруживается в корнях. Некоторая их часть может выделяться вместе с транспирируемой влагой на поверхность листьев и затем смывается водой или с корневыми выделениями (Перельман, 1975).
Способность растений аккумулировать тяжелые металлы весьма различается. Известно, что Cd, Pb поглощаются довольно легко, а Ва, Са слабо доступны растениям (Ильин, 1986).
Сведения о распределении тяжелых металлов по органам и тканям растений весьма противоречивы. Одни авторы указывают на большую аккумуляцию их в надземных органах, другие - в корнях. Часто отмечаются различия в содержании тяжелых металлов в разных надземных органах (листьях, стеблях, плодах). Очевидно, соотношение концентраций элементов в органах и тканях растений очень изменчиво и связано как с видовой специфичностью растений, так и со свойствами самих элементов. Д.А. Сабинин (1963) разделил химические элементы по характеру их распределения в органах растений на две группы: 1 - базипетальные (содержание их уменьшается от листьев к стеблям и к корням); 2 -акропетальные (максимальное содержание их наблюдается в корнях с уменьшением в стеблях и листьях).
Базипетальное распределение элементов у древесных пород и кустарников хорошо выражено в основном в диапазоне «малых содержаний». В диапазоне «больших содержаний» оно нарушается, и начинает проявляться акропетальный характер распределения химических элементов (Ивлев, 1986). Установлено, что характер распределения элементов по органам и тканям не остается неизменным в течение онтогенеза. Возрастные и сезонные колебания концентрации тяжелых металлов могут различаться в 3-10 раз. Наиболее интенсивное изменение зольности стволов и ветвей деревьев происходит в течение первого года роста. В дальнейшем скорость этих изменений резко уменьшается, и химический состав стволов и ветвей деревьев, возраст которых более 2-3 лет, меняется в сравнительно небольшой степени (Ковалевский, 1969; Ровенская, 1990).
Металлы, хелатированные в тканях стволов и скелетных ветвей, следует рассматривать как депонированные в биомассе и надолго выведенные из круговорота. Большая часть тяжелых металлов закрепляется в приповерхностных слоях коры. В древесине их гораздо меньше. Кора стволов обычно содержит больше металлов, чем кора многолетних толстых корней, что объясняется частичным закреплением в ней экзогенных металлов (Ковалевский, 1969; Ровенская, 1990; Елпатьевский, 1993). Листья уступают коре по металлоаккумулирующей способности, однако по концентрациям техногенных элементов не во многом от нее отличаются, особенно в конце вегетации, когда кроме аэральных поверхностных накоплений они аккумулируют часть избыточных токсичных элементов. В течение вегетационного периода происходит наращивай ле концентрации металлов в листьях (Ковалевский, 1969). Существуют определенные особенности в аккумуляции листьями конкретных элементов, например, избыток техногенных элементов приводит к дисбалансу марганца (Елпатьевский, 1993).
В целом, концентрация тяжелых металлов увеличивается в ряду: древесина стволов древесина толстых корней древесина однолетних побегов репродуктивные органы листья кора корней кора стволов тонкие корни (Елпатьевский, 1993).
Распределение тяжелых металлов между надземными и подземными органами растений не всегда подчиняется какой-то одной зависимости. Так, в обзоре по биоаккумуляции Cd (Кабата-Пендиас, Пендиас 1989) указывается на значительные различия в накоплении его корнями и надземными органами (в 2-8 раз) сельскохозяйственных растений. Отмечается, что у большинства растений Cd активнее накапливается в корнях. Л.Н. Жемкова с соавторами (1989) изучали накопление тяжелых металлов в различных органах спиреи зверобоелистной и также установили большее накопление тяжелых металлов в корнях. Т. Диц с соавторами (Diez et al., 1992) наблюдали существенные различия в накоплении тяжелых металлов разными органами травянистых растений, отметили максимальную их концентрацию в надземных частях. Б.
Анализ загрязнения окружающей природной среды на территории башкирского Зауралья
Необходимо отметить высокую развитость промышленных производств на территории Башкирского Зауралья. В связи с природоресурсными особенностями региона и концентрацией здесь производств горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности основная доля (около 75%) загрязнителей окружающей среды приходится на предприятия именно этих отраслей народного хозяйства (табл. 4.1. и 4.2). Основными и наиболее сложноутилизируемыми видами отходов горнодобывающей и горноперерабатывающей промышленности являются вскрышные породы и хвосты обогащения.
По расчетам общий объем накопленных на 01.01.2004 года вскрышных пород составляет 568824 тыс. т, хвостов обогащения 38998 тыс. т. В отвалах и хвостохранилищах горнообогатительных комбинатов накоплено значительное количество металлов, которые, с одной стороны, образуют техногенные месторождения полезных ископаемых, с другой - являются опасными источниками вторичного загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами. На предприятиях ОАО «БМСК» и ЗАО «Бурибаевский ГОК» разработаны и утверждены программы природоохранных мероприятий по безопасной эксплуатации объектов размещения крупнотоннажных отходов. В районе расположения объектов размещения крупнотоннажных отходов предприятиями осуществляется мониторинг качества подземных и поверхностных вод.
Установлено, что содержание ценных компонентов в хвостохранилищах и отвалах вскрышных пород в твердой фазе пульпы составляет: меди - 0,1 -0,6%, цинка - 0,2-0,9%, серы - до 27-40%, железа - до 45%, песка - до 10%. Несмотря на то, что отходы производства в своем составе содержат значительные концентрации ценных металлов, переработка их на сегодняшний день не ведется. Вследствие несоблюдения природоохранных требований при эксплуатации хвостохранилищ и отвалов вскрышных пород происходит инфильтрация тяжелых металлов в подземные водоносные горизонты, вследствие чего наносится значительный ущерб водным объектам. Кроме того водно-ветровая эрозия приводит к разрушению отвальных грунтов, выветриванию и вымыванию из них токсичных компонентов, из-за чего происходит загрязнение почв прилегающих к промышленным отвалам территорий.
