Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 7
1.1. Объекты исследования 7
1.2. Методы исследования 17
2. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОДАХ ФОНОВЫХ ТЕРРИТОРИЙ 18
2.1. Свинец 19
2.1 Л. Свинец в горных и почвообразующих породах 19
2.1.2. Свинец в почвах 21
2.2. Кадмий 27
2.2.1. Кадмий в горных и почвообразующих породах 28
2.2.2. Кадмий в почвах 30
2.3. Цинк 36
2.3.1. Цинк в горных и почвообразующих породах 36
2.3.2. Цинк в почвах 39
2.4. Медь 45
2.4.1. Медь в горных и почвообразующих породах 46
2.4.2. Медь в почвах 48
3. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ ГЕОХИМИЧЕСКИХ АНОМАЛИЙ 54
3 1 . Тяжелые металлы в почвах и растениях над полиметаллическим месторождением 54
3.2. Тяжелые металлы в техногенно загрязненных почвах 64
4. ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ОВОЩНЫХ КУЛЬТУРАХ И КАРТОФЕЛЕ ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ 75
ПРЕДЛОЖЕНИЯ 92
ВЫВОДЫ 92
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 94
ПРИЛОЖЕНИЕ 109
- Объекты исследования
- Свинец в горных и почвообразующих породах
- Тяжелые металлы в почвах и растениях над полиметаллическим месторождением
Введение к работе
Актуальность исследований. Техногенное загрязнение почв тяжелыми металлами в ряде регионов мира приобретает характер бедствия. Особенно это проявляется в местах разработки рудных месторождений, в районах промышленных предприятий, производственный цикл которых сопровождается выбросом в окружающую среду ртути, свинца, кадмия, мышьяка, цинка, меди никеля и других элементов - потенциальных токсикантов. Пыль с высоким содержанием соединений тяжелых металлов с месторождений, разрабатываемых открытым способом, перерабатывающих заводов, с отвалов отходов производства легко переносится воздушными потоками, особенно в сухое время года, на прилегающие территории.
Плотность антропогенного воздействия на природу в России существенно ниже, чем в других европейских странах, однако, есть несколько регионов (к которым относится и юг Сибири), где загрязнение становится экологически опасным.
В цветной металлургии источниками загрязнения являются места добычи руды, транспортировки сырья и обогатительные фабрики. Загрязнение населенных пунктов и их окрестностей идет за счет отвалов пустой породы, имеющих повышенные содержания соединений тяжелых металлов.
Именно к таким территориям относится юго-западная часть Алтайского края, район наших исследований. Здесь имеются многочисленные месторождения, рудопроявления и ореолы рассеяния полиметаллов, разрабатывается ряд месторождений, а в г. Горняке на горно-обогатительном комбинате получают концентраты цинка, свинца, меди. Это могло оказать негативное влияние на экологическую обстановку и здоровье человека.
Представляемая работа выполнялась в рамках Государственной программы "Желтые дети". В исследуемом районе специалистами медицинской службы был обнаружен высокий процент (существенно выше средних показателей по Алтайскому краю) новорожденных детей с желтушной кожей и была выдвинута версия, что причиной этого негативного явления может служить повышенное содержание меди, цинка, свинца и кадмия в объектах окружающей среды. Это обстоятельство в большей мере и послужило побудительным мотивом для выполнения настоящего исследования.
Цель работы: исследование свинца, кадмия, цинка, меди в почвах, дикорастущих растениях и овощных культурах фоновых территорий, природных геохимических аномалий и техногенно загрязненных территорий и оценка сложившейся ситуации с экологических позиций.
В задачи входило:
изучить уровень содержания свинца, кадмия, цинка, меди в наиболее распространенных почвах и почвенном покрове юго-западной части Алтайского края;
исследовать концентрацию Pb, Cd, Zn, Си в системе почва - растение над полиметаллическим месторождением, в ореолах рассеяния и в окрестностях горно-обогатительного комбината;
оценить сложившуюся ситуацию с экологических позиций.
Научная новизна
Выявлены закономерности распределения свинца, кадмия, цинка, меди в наиболее распространенных почвах и почвенном покрове;
Впервые исследованы почвы над Тушканихинским полиметаллическим месторождением и содержание в них тяжелых металлов;
3. Оценен с экологических позиций уровень содержания Pb, Cd, Zn, Си в почвах и основных овощных культурах фоновых и техногенно загрязненных территорий.
Практическая значимость. Результаты исследований могут использоваться при мониторинге загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, а также служить основой биогеохимического метода поиска полиметаллических месторождений.
Апробация. Основные положения диссертации были сообщены и обсуждены на 3-ей школе молодых ученых «Экология и почвы» (г. Пущино, 1993), на конференции «День Земли. Научные и педагогические проблемы» (г. Бийск, 1995), на Сибирском агрохимическом семинаре (Новосибирск, 1997), на III Российской биогеохимической школе «Геохимическая экология и биогеохимическое изучение таксонов биосферы» (г. Горно-Алтайск, 2000), на I и II Международных научных конференциях «Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде» (Семипалатинск, 2000, 2002).
Публикация результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 15 работ.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность д.б.н. М.А.Мальгину, к.б.н. А.В Пузанову. за помощь в организации и проведении работ и ценные советы, а также Н.П.Цаплиной и Г.М.Медниковой - за участие в аналитических работах и оформлении диссертации. Основные положения, выносимые на защиту 1. Содержание и характер распределения меди, цинка, синца и кадмия в почвах юго-западной части Алтайского края определяется их концентрацией в почвообразующих породах, гранулометрическим составом, влиянием горно-обогатительного комбината.
6 Загрязнения почв и овощных культур Си, Zn, Pb и Cd имеют, как правило, локальный характер и приурочены к выходам на земную поверхность рудных тел месторождений и к горно-обогатительному комбинату.
Объекты исследования
Объектами исследования явились наиболее распространенные зональные почвы юго-западной части Алтайского края (в пределах Угловского, Лок-тевского, Третьяковского, Рубцовского, Змеиногорского административных районов): черноземы обыкновенные и черноземы южные (Почвы Алтайского края, 1959). В комплексе с ними встречаются интразональные: почвы лугового генезиса, аллювиальные и дерново-подзолистые под сосновыми ленточными борами (рис. 1 (Алтайский край. Атлас, 1978)).
Наиболее характерные черты природных условий, ареалы распространения указанных почв и их свойства рассмотрим ниже.
Восточная часть исследуемого региона представляет собой слабоволнистые и широкоувалистые предгорные равнины Западного Алтая с отдельными сопками и широкими долинами рек. Густота расчленения не превышает 0,9 км/км . Все пологие увалы, склоны и межсопочные понижения к настоящему времени распаханы. Боровые ложбины древнего стока, занимающие западную часть, являются бугристо-грядовыми и грядово-ложбинными равнинами с озерами и болотами. Часть ложбин расширяется и сливается, образуя обширную область песчаных дельт.
Климат территории - резко континентальный, характеризуется небольшим количеством осадков - от 150-200 мм в год на западе до 300 мм на востоке. Сумма температур выше 10 за период активной вегетации изменяется от 1800 на северо-востоке до 2400 и более на юго-западе (Агроклиматический справочник..., 1969; Агроклиматические ресурсы..., 1971).
Коренная растительность восточной части представлена предгорным вариантом разнотравно-типчаково-ковыльной степи; песчаные террасы ложбин древнего стока заняты сосновыми борами, местами с мхами, лишайниками и лесными видами цветковых (Александрова, Гуричева, Иванина, 1958; Терехина, Зеленцова, Кошелев, 1980;).
Черноземы обыкновенные сформировались в условиях плакорного положения под разнотравно-злаковой растительностью. Почвообразующие породы представлены лессовидными суглинками, местами - продуктами выветривания плотных пород.
Черноземы южные в пределах предгорных территорий Алтая распространены незначительно и носят переходный к черноземам обыкновенным характер. Они встречаются только на западе на предгорных равнинах по правобережью Алея; формируются под засушливыми типчаково-ковыльными степями на лессовидных суглинках, местами на тяжелых глинистых отложениях.
Содержание гумуса в аккумулятивном, чаще всего распаханном, горизонте черноземов невысокое (табл.1, приложение 1), состав гумуса фульватно-гуматный. Концентрация гумуса резко уменьшается вниз по профилю, составляя в почвообразующей породе доли процента.
Миграция вещества в профиле почв происходит в условиях щелочной реакции среды, окислительной обстановки и мощных карбонатных систем. Содержание карбонатов в иллювиально-карбонатном горизонте достигает 25%. В таких условиях миграция большинства тяжелых металлов по профилю затруднена: карбонатные горизонты выполняют функцию геохимического барьера. Емкость поглощения, величина которой определяется содержанием органического вещества и тонкодисперсных элементов, вниз по профилю резко уменьшается. Тип водного режима - непромывной.
Профиль черноземов обыкновенных сформирован системой генетических горизонтов: А(Апахк)-(АВк)-Вк-Ск-(СДк). Морфологическое строение разреза:
Разрез 1. Чернозем обыкновенный среднемощный суглинистый на пес-чано-дресвянистом элювии гранита. В 130 м от правого берега Гилевского водохранилища. Основание выположенного шлейфа, направленного к водохранилищу. Вскипание слабое с 29 см, бурное - с 46 см.
Свинец в горных и почвообразующих породах
Свинец привлекает большое внимание исследователей как один из глав ных химических загрязнителей окружающей среды и как элемент, высокие
концентрации которого токсичны для живых организмов. Период полувыведения свинца из почвы - до нескольких тысяч лет (Соколов, Терехов, 1994). В организм человека и животных свинец поступает с пищей, водой и вдыхаемым пыльным воздухом.
Неорганические соединения свинца (Pb ) нарушают обмен веществ и являются ингибиторами ферментов. Одно из наиболее опасных последствий действия неорганических соединений свинца - его способность заменять кальций в костях и являться источником отравления в течение длительного времени. Органические соединения свинца еще более токсичны, чем неорганические (Брукс, 1982).
Свинец обладает сильными халькофильными свойствами, концентрируется в сульфидных породах. Металл встречается в виде различных минералов, наиболее важными из которых являются галенит (PbS), церуссит (РЬСОз) и англезит (РЬБОД Галенит - самый важный источник первичного свинца, он встречается главным образом вместе с другими минералами, чаще всего с содержащими цинк. При выветривании сульфиды свинца окисляются, свинец может образовывать карбонаты, входить в глинистые минералы, оксиды марганца и железа. В минералах свинец может замещать калий, барий, кальций (Свинец, Совместное..., 1980, Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Кларк свинца в земной коре составляет 16 мг/кг (Виноградов, 1962). Содержание элемента в магматических породах колеблется от 0,1 (ультраосновные) .до 20 (кислые, вулканические), составляя в среднем 15 мг/кг (Брукс, 1982), что позволяет отнести его к категории редких металлов. По другим данным (Распространенность.,., 1972), средние граниты и средние базальты содержат элемента соответственно 30 и 5 мг/кг, а осадочные породы (глины и сланцы) - 20 мг/кг (Геохимия..., 1990), песчаники - 5-17, глинистые сланцы - 11-24, карбонатные породы - 4-18 мг/кг (Браунлоу, 1984). По данным А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиаса (1989), глинистые отложения содержат свинца 20-40 мг/кг, сланцы - 18-25, песчаники - 5-Ю, известняки и доломиты - 3-Ю мг/кг. Содержание элемента в почвообразующих породах различных территорий приведено в табл. 2.
Почвообразующие породы исследуемой территории характеризуются довольно высоким содержанием свинца (табл. 3). Они накапливают элемента существенно больше, чем аналогичные породы юга Западной Сибири и Западной Сибири в целом (Ильин, 1987; Ильин, Сысо, Конарбаева и др., 2000), что связано с влиянием месторождений и ореолов рассеяния полиметаллов.
Концентрации элемента в почвообразующих субстратах определяются, как правило, их гранулометрическим составом: по мере утяжеления последнего увеличивается и содержание свинца. Однако, элементу свойственна приуроченность к первичным минералам, поэтому в почвообразующих породах и песчаного гранулометрического состава наблюдаются высокие концентрации свинца (см. табл. 3).
Тяжелые металлы в почвах и растениях над полиметаллическим месторождением
Район месторождений и рудопроявлений полиметаллических руд на территории наших исследований расположен в пределах зоны умеренно засушливой степи. Климат континентальный, с относительно большим дефицитом осадков. Лето засушливое, несмотря на то, что основная часть осадков выпадает в этот период года. Зима малоснежная, морозная. В районе месторождений преобладают черноземы обыкновенные среднегумусные средне-мощные, на которых развивается разнотравно-ковыльно-типчаковая степь.
Объектом детального исследования является Тушканихинское полиметаллическое месторождение. Месторождение погребено под рыхлыми отложениями. В местах выхода на поверхность (гора Тушканиха) оно хорошо выражено. Верхние горизонты, расположенные выше уровня грунтовых вод, подвергаются воздействию просачивающихся сквозь них дождевых и талых вод, насыщенных углекислотой и кислородом и почти не содержащих растворимых солей. Эти воды реагируют с сульфидными соединениями и переводят их в оксиды, гидроксиды и соли кислородных кислот; то есть сущность химических процессов в этой зоне сводится к окислению и гидратации минералов и ее называют зоной окисления. В геологическом плане Тушканихинское месторождение хорошо изучено (Росляков, 1970). Неглубокое залегание руды позволяет вести разработку открытым способом, который вызывает перестройку всех составных частей ландшафта, в том числе и главного его компонента - почвы. Небольшие площади заняты отвалами. На незатронутых разработкой участках развиты черноземы обыкновенные маломощные и среднемощные. На почвах развита полынно-ковыльная степь. Морфологическое строение почвенного профиля показано в главе 1.
Известно, что уровень содержания микроэлементов в почвах определяется в первую очередь обогащенностью ими почвообразующих пород и гранулометрическим составом. В пределах ореолов рассеяния полиметаллов степень дисперсности перестает исполнять роль ведущего фактора перераспределения элементов, на первое место выходит наличие рудообразующих минералов.
Содержание меди в почвообразующих породах района Тушканихинско-го месторождения колеблется от 60 до 2000 мг/кг (табл. 28). На общем фоне повышенного содержания металлов в целом, выделяется локальный участок над рудным телом с аномально высокой концентрацией (разрез Зз). От центра месторождения к окраинам содержание меди уменьшается в 5-Ю раз, и лишь у основания делювиального склона возрастает до аномальных значений (разрез Із). На значительные концентрации меди в почвообразующих породах, формирующихся над рудными телами полиметаллических месторождений и вблизи ореолов рассеяния сульфидных медных месторождений, указывают многие авторы (Виноградов, 1957, 1962; Петрунина, 1974, Ивашов, 1976; Ковалевский, 1984).
Концентрация свинца в почвообразующей породе составляет 6-100 мг/кг, цинка - 30-200 мг/кг. Максимальные содержания обоих элементов также приурочены к почвообразующей породе над рудной жилой. Повышенные концентрации тяжелых металлов в почвообразующих породах связаны с особенностью гипогенной миграции элементов в начальный период образования окружающей среды, когда кристаллизовалась жидкая магма и элементы распределялись среди горных пород.
В.В. Ковальский, В.А. Кривицкий, С.А. Алексеева и др. (1981) приводит данные по содержанию свинца в почвах над месторождениями и ореолами их рассеяния - от 200 до 600 мг/кг сухой массы. В точке, где рудное тело подходит близко к поверхности, содержание свинца в почве достигает 1300 мг/кг, что превышает фон в десятки раз. Средние аномальные концентрации элементов, характерные для горных почв Румынии, следующие: Си - 58-610 мг/кг, РЬ - 100-480, Zn - 115-650 мг/кг (Руэце, Кырстя, 1986). М.Л. Голуб (1967) приводит следующее содержание тяжелых металлов в почвах геохимической аномалии: медь - 100-200мг/кг, цинк - 80-100, свинец - 20-30 мг/кг.. В верхних горизонтах лугово-аллювиальных почв в зоне воздействия отвала (район добычи полиметаллических руд в Северной Осетии) концентрация свинца достигает 500 мг/кг, цинка - 490, меди - 200, кадмия - 1,7 мг/кг (Карпова, Кречетова, Ермаков, 2000).
Содержание цинка в верхнем горизонте почв над исследуемым месторождением соответствует региональному фону, за исключением почв, сформировавшихся над рудным телом. Свинца накапливается в 2-3 раза больше фона, однако, ни концентрация свинца, ни концентрация цинка не превышают предельно допустимых значений. Распределение этих элементов по всему почвенному профилю довольно равномерное.
Для внутрипрофильного распределения меди характерно увеличение ее концентрации с глубиной. Содержание элемента в верхнем горизонте превышает фоновый уровень в 3-10 раз.
Концентрация цинка в пахотном горизонте (см. табл. 28, прикопка 1 к разрезу 7) находится на уровне регионального фона. Содержания меди и свинца в 2 раза выше фоновых значений, но существенно ниже ПДК.
Образование слаборазвитых почв на обедненных тяжелыми металлами отвалах обусловлено техногенной деятельностью человека, перемещением на поверхность вещества из глубинных слоев Земли. Новообразованные почвы отработанных месторождений содержат меди 1500-2600 мг/кг сухого вещества и цинка 800-4500 мг/кг (Ковальский, Кривицкий, Алексеева и др., 1981). Нами обнаружены аномальные концентрации тяжелых металлов в отвалах из шахты (см. табл. 28, прикопка 2 к разрезу 7). Содержание кадмия в них достигает 100 мг/кг.
Л.К Садовникова., Н.Г. Зырин (1985) предлагают оценивать концентрации тяжелых металлов в почвах по следующим градациям:
1. Толерантная, не ведущая к каким-либо негативным последствиям в растительном организме. 2. Снижающая урожай вегетативной и (или) репродуктивной части растений - сублетальная концентрация элемента. При этом следует принять снижение урожая на 10% за показатель сублетальной концентрации.
3. Вызывающая гибель растений - летальная концентрация, с подразделением на процент погибших растений и их фенофазу при отмирании.
4. Ведущая к накоплению в растениях предельно допустимых концентраций (в кормах, продуктах питания).
5. Критическая, ведущая к накоплению в растениях тяжелых металлов больше ПДК - ограничивающая использование почв с такой концентрацией в сельскохозяйственном производстве.
Таким образом, аномальные концентрации присущи только почвам, развитым над выходом месторождения на поверхность. Согласно классификации, предложенной Л.К. Садовниковой и Н.Г, Зыриным (1985), такие содержания следует отнести к критическим. Не следует допускать использования почв с такими концентрациями тяжелых металлов в сельскохозяйственном производстве. На отвалах необходима их засыпка, организация ливнестоков и посадка древесных растений, посев трав.
