Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный анализ параметров окружающей природной среды исследованных областей с черной металлургией 12
Глава 2. Концептуальные и методические аспекты исследования параметров техногенных изменений окружающей природной среды областей с черной металлургией 28
Глава 3. Черная металлургия и её воздействие на окружающую природную среду 35
3.1. История развития и размещения черной металлургии 35
3.2. Состав и количество выбросов и сбросов от предприятий черной металлургии 38
3.3. Оценка состояния окружающей среды в цехах по производству проката черных металлов 51
3.3.1. Оценка экологической опасности техногенных воздействий предприятий черной металлургии на окружающую среду 52
3.3.1.1. Оценка качества атмосферы городов с черной металлургией 54
3.3.2. Методы защиты атмосферного воздуха от производственной пыли, токсичных паров и газов 56
3.3.3. Совершенствование технологии производства стальных фасонных профилей малых сечений 57
3.3.3.1. Опытное волочение с применением термомеханической обработки настане ВФР 36 мм 59
3.3.4. Оценка влияния техногенного воздействия на здоровье людей 60
3.3.4.1. Пути оздоровления окружающей среды в цехах по производству проката черных металлов 61
3.4. Участие России в международных программах по охране окружающей среды 64
3.5. Пути ослабления негативного влияния черной металлургии на окружающую природную среду 67
Глава 4. Сравнительный анализ изменения параметров окружающей природной среды лесной зоны при техногенном воздействии предприятий черной металлургии 83
4.1. Уровень, характер и динамика техногенного воздействия предприятий черной металлургии на окружающую природную среду 83
4.2. Сравнительный анализ техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты лесной зоны 88
4.2.1. Оценка загрязнения атмосферы выбросами металлургических предприятий 91
4.2.1.1. Экологическая оценка загрязнения воздушной среды г. Череповца 93
4.2.1.2. Экологическая оценка загрязнения воздушной среды г. Электросталь 102
4.2.2. Экосистемный анализ накопления и миграции загрязнения в почвах и растениях в ландшафтах лесной зоны 106
4.2.2.1. Геоэкологическая оценка влияния техногенных выбросов на почвы и растительность г. Череповца и прилегающей территории 114
4.2.2..2. Геоэкологическая оценка влияния техногенных выбросов на почвы и растительность г. Электросталь и прилегающей территории 122
4.2.2.3. Оценка загрязнения компонентов ландшафтов тяжелыми металлами в Кировской области 129
4.2.3. Геоэкологическая оценка изменения компонентов ландшафтов в водоохранной зоне Рыбинского водохранилища в результате техногенного воздействия предприятий черной металлургии... 130
4.2.4. Оптимизация функционирования ландшафтов водоохраной зоны Рыбинского водохранилища в условиях подтопления и техногенного воздействия от предприятий черной металлургии 152
4.2.5. Пути оптимизации состояния окружающей среды в зоне техногенного влияния предприятий черной металлургии 156
Глава 5. Сравнительный экосистемный анализ воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты лесостепной зоны ETC 159
5.1. Геоэкологическая оценка воздействия техногенных выбросов предприятий черной металлургии на ландшафты подзоны северной лесостепи 161
5.1.1. Состав техногенных выбросов металлургических предприятий Тульской области и загрязнение окружающей среды 163
5.2. Реакция почв и растительности на техногенное загрязнение от металлургических предприятий 169
5.3. Геоэкологическая оценка влияния техногенных выбросов черной металлургии на ландшафты южной лесостепи 182
Глава 6. Применение методов биоиндикации для выявления параметров негативных изменений компонентов ландшафтов при техногенном воздействии предприятий черной металлургии 189
6.1. Объекты и методика биоиндикации 190
6.2. Биоиндикация загрязнения атмосферного воздуха в зоне действия предприятий черной металлургии 204
6.2.1. Мониторинг содержания тяжелых металлов в ландшафтах в зоне влияния металлургических предприятий 216
6.3. Биоиндикация почв 221
6.3.1. Роль почвы в ландшафте и загрязнение почв 221
6.3.2. Биоиндикация загрязнения почв 224
6.4. Биоиндикация техногенного воздействия черной металлургии на растительность 225
6.4.1. Биоиндикация антропогенного воздействия на леса 230
6.5. Биоиндикация динамики луговой растительности при загрязнении окружающей среды 246
6.6. Биоиндикация загрязнения водных объектов и их компонентов. 254
6.6.1. Водные объекты и источники их загрязнения 254
6.6.2. Биоиндикаци загрязнения поверхностных вод 255
6.6.2.1. Оценка влияния предприятий черной металлургии на
качество природных вод 256
6.6.2.2. Биоиндикация загрязнения донных отложений 258
6.6.2.3. Водная растительность и её роль в биоидикации загрязнения и других антропогенных воздействий 260
Глава 7. Концептуальные и методические аспекты комплексной оценки состояния окружающей природной среды в зоне действия предприятимй черной металлургии 263
Практические рекомендации 292
Заключение 296
Библиографический список 304
Приложения 323
- Концептуальные и методические аспекты исследования параметров техногенных изменений окружающей природной среды областей с черной металлургией
- Оценка экологической опасности техногенных воздействий предприятий черной металлургии на окружающую среду
- Экосистемный анализ накопления и миграции загрязнения в почвах и растениях в ландшафтах лесной зоны
- Реакция почв и растительности на техногенное загрязнение от металлургических предприятий
Введение к работе
Актуальность темы. Черная металлургия является одним из основных загрязнителей окружающей природной среды (ОПС) во многих городах России и мира. Наибольший вред ОПС приносят техногенные выбросы от предприятий черной металлургии. Негативное воздействие на ОПС оказывает также складирование отходов производства и сброс отработанных вод. В результате длительного поступления в ОПС техногенных выбросов почвы прилегающих к предприятиям территорий все больше накапливают тяжелых металлов (ТМ) и других загрязняющих веществ (ЗВ). Выбрасываемая пыль содержит значительное количество кальция и магния, и её поступление в почву приводит к увеличению рН почвы до 7,2-8,3, особенно, на черноземах. Масштабы изменения ОПС в зоне действия предприятий черной металлургии зависят не только от состава и объема техногенных выбросов, но и от положения предприятия в определенной природной зоне и подзоне. По данным Росгидромета к чрезвычайно опасной категории загрязнения ТМ отнесено 0,5 % населенных пунктов России, к опасной категории – 3,7 %, к умеренно опасной – 10 %. Объекты нашего исследования («Северсталь», «Электросталь», «Косогорский металлургический комбинат «, «Новолипецкий металлургический комбинат» и другие отнесены к умеренно опасной зоне загрязнения. Накопление загрязнений оказывает негативное воздействие не только на состояние ОПС, но и здоровье населения.
Масштабы и характер загрязнения ОПС предприятиями металлургического комплекса связаны с уровнем применяемых технологий, их экологичностью, качеством и количеством используемого сырья, объемом и составом выбросов, сбросов и твердых отходов, географическим положением предприятий, характером рассеивания загрязнений и влиянием на ландшафты, экосистемы и их компоненты.
Необходимость улучшения состояния ОПС делает актуальным исследование и оценку техногенного воздействия черной металлургии на ландшафты природных зон и поиск путей оптимизации состояния ОПС в регионах с черной металлургией. При этом очень важна оценка влияния на ОПС внедрения новых технологий, что позволит оптимизировать стратегию и тактику природоохранной деятельности с учетом зонального и регионального положения предприятий черной металлургии.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования:
- на основе комплексного, регионального подхода провести исследование и оценку техногенного воздействия предприятий черной металлургии на окружающую природную среду центра Европейской России и дать практические рекомендации оптимизации состояния ОПС.
Соответственно с целью были поставлены и выполнены следующие задачи:
- выявить объемы, состав, структуру и рассеивание загрязнений от предприятий черной металлургии;
- провести сравнительный анализ природных условий и выявить воздействие выбросов и сбросов предприятий черной металлургии на компоненты ОПС лесной и лесостепной зон центра Европейской России: атмосферу, почвы, воды, растительность;
- выявить сообщества и виды-биоиндикаторы техногенного воздействия на окружающую природную среду лесной и лесостепной зон центра Европейской России;
- определить основные тенденции в динамике растительности и почв под влиянием техногенного воздействия предприятий черной металлургии в лесной и лесостепной зонах;
- на основе применения биоиндикации и химического мониторинга определить зоны влияния техногенных выбросов черной металлургии;
- выявить виды технологий, применяемых в производстве проката черных металлов, сравнить их влияние на ОПС и модификации технологии, предложенной автором;
- провести экологическую оценку влияния внедрения новых технологий в производстве проката черных металлов на состояние ОПС и здоровье работников производства;
- разработать практические рекомендации по оптимизации природопользования в лесной и лесостепной зонах в условиях техногенного воздействия предприятий черной металлургии.
Научная новизна.
Разработана и обоснована концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на ОПС природных зон, подзон и провинций. Показано, что ответная реакция ландшафтов и их компонентов на техногенное загрязнение зависит не только от объема и состава последних, но также от положения ландшафта в природной зоне, подзоне и провинции и от исходных параметров почвенного и растительного покровов, что определяет характер мероприятий по санации техногенно загрязненных почв, их использованию, внедрению мероприятий по улучшению состава растительного покрова и почв.
В результате проведенных комплексных исследований, включающих изучение почв и растительности на ключевых участках, химические анализы образцов почв и растений, биоиндикацию и биотестирование автором получены новые результаты по воздействию техногенного загрязнения от предприятий черной металлургии на почвы, воды, атмосферу и растительность лесной и лесостепной зон центра Европейской России. Выявлена динамика почв, луговых и лесных сообществ в подзонах лесной и лесостепной зон центра Европейской России, а также под совместным влиянием подтопления и техногенных выбросов от черной металлургии в водоохранной зоне северо-восточной части Рыбинского водохранилища. Проведена оценка биоразнообразия в основных растительных сообществах и выявлены тенденции его изменения в условиях техногенного воздействия. Разработаны экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к воздействию техногенного загрязнения. Оценен вклад новых технологий проката черных металлов, разработанных с участием автора, в охрану окружающей среды и здоровья населения.
Теоретической и методологической основой работы послужили идеи и принципы концептуального, регионального комплексного подхода к изучению окружающей природной среды и её изменения в условиях техногенного воздействия. В процессе исследований нами были проанализированы и учтены результаты исследований ученых институтов Глобального климата и экологии Росгидромета РАН, Геоэкологии РАН, МГУ имени М.В.Ломоносова и др. Учтены результаты исследований по влиянию техногенных выбросов на ОС М.А.Глазовской, В.Г.Заиканова, А.В.Хабарова, Е.А.Афанасьева, Э.Ю.Безуглой, Т.В.Звонковой, Н.И.Коронкевича, Н.М.Чернавской и др.
Теоретическая и практическая значимость.
В диссертации обоснована концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия черной металлургии на ОПС, развиваются вопросы методики мониторинга динамики почв и растительности при совместном влиянии подтопления, рекреации и техногенного воздействия. Анализируются пути миграции и аккумуляции загрязняющих веществ и, в соответствии с этим, даются практические рекомендации по оптимизации природопользования в данных условиях. Обоснованы методические приемы применения для выявления техногенного загрязнения и токсичности почв биоиндикации и биотестирования. Выявлены растения гипераккумуляторы тяжелых металлов (ТМ) и растения биоиндикаторы техногенного воздействия. Важное значение для практики имеют разработанные автором экологические шкалы устойчивости луговых и лесных видов к техногенному воздействию, а также рекомендации по созданию санитарно-защитных зон предприятий.
Разработки автора применяются на кафедре земледелия и растениеводства Государственного университета по землеустройству при преподавании дисциплин: агроландшафтное земледелие, растениеводство, агроэкологические основы использования сельскохозяйственных машин, а также при организации научно-исследовательской работы студентов. Монография В.С.Груздева «Биоиндикация состояния окружающей среды» используется в университете в качестве учебного пособия.
Технологические и конструкторские разработки по оптимизации технологии проката черных металлов, созданные с участием автора, использованы при выдаче технического задания на реконструкцию цеха стальных фасонных профилей Омутнинского металлургического завода.
Основные защищаемые положения.
- Концепция зонально-провинциального проявления техногенного воздействия от предприятий черной металлургии на состояние окружающей природной среды. Устойчивость экосистем лесной и лесостепной зон к техногенному воздействию зависит от их состава, структуры и географического положения в природной зоне, подзоне и регионе;
- Наибольшее влияние на состояние окружающей среды в зоне влияния предприятий черной металлургии оказывают техногенные выбросы, содержащие газообразные и твердые вещества (пыль). Газообразные выбросы наиболее негативно влияют на состояние растительности. Особенно неблагоприятно влияют выбросы SO2, NО2, NO, что проявляется у вегетирующих растений в появлении на листьях участков хлороза и некроза и снижает годичные приросты в среднем в 1,5 раза. На почвы наибольшее влияние оказывает техногенная пыль.
- Зональные особенности техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты природных зон и подзон зависят от реакции почвенного раствора зональных почв, содержания в почве гумуса и обменных оснований, а также от флористического состава исходных растительных сообществ;
- Масштабы и характер техногенного воздействия предприятий черной металлургии на ландшафты природных зон и подзон, а также границы зон техногенного воздействия выявляются на основе учета химического состава почв и растений, а также при помощи растительных сообществ, растений-биоиндикаторов и при помощи биотестирования;
- Для природных зон и подзон, а также для зон техногенного воздействия выбросов предприятий черной металлургии характерен свой набор биоиндиаторных растительных сообществ и растений-биоиндикаторов;
- Мероприятия по санированию и использованию в народном хозяйстве техногенно загрязненных почв имеют зональные особенности, связанные не только с составом и объемом техногенных загрязнений, но также с особенностями их миграции, аккумуляции и превращений в ландшафтах природных зон и подзон.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на семинарах в Университете стали и сплавов, на экологических семинарах в Госуниверситете по землеустройству и на нескольких научных и научно-практических конференциях (Горки, 2002, 2004; Тверь, 2005; Москва. 1993, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009; и др.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 2 монографии, одна из которых в соавторстве, 38 статей и тезисов. В журналах рекомендованных ВАК опубликовано 24 статьи.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав, практических рекомендаций, заключения, библиографического списка и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 300 страницах компьютерного текста, плюс – библиографический список и приложения. В диссертацию включено 108 таблиц, 20 фотографий, 16 рисунков и 26 приложений.
Концептуальные и методические аспекты исследования параметров техногенных изменений окружающей природной среды областей с черной металлургией
Леса Кировской области в основном отнесены к третьей группе (кроме водоохранных и других защитных лесов, отнесенных к первой группе) и подвергаются как сплошным, так и выборочным рубкам.
Животный мир Кировской области весьма разнообразен: бурый медведь, волк, лисица, лось, олень, рысь, куница, белка, заяц-беляк, кабан. В водоемах рыбопромысловыми видами являются: щука, лещ, язь, жерех, чехонь, густера.
В Московской области леса занимают свыше 40% площади. Северные и северо-западные районы заняты хвойными и широколиственно-хвойными лесами, а восточные районы характеризуются преобладанием сосновых лесов, чередующихся со сфагновыми болотами. В южной части области преобладают широколиственные леса. Большие площади занимают заливные луга (по нижнему течению реки Москва и по Оке). Болота занимают около 15% территории. На левом берегу р. Оки расположен Приокско-Террасный биосферный заповедник. В нем заповедован самый северный участок степи в Европе, являющийся примером экстразональной растительности и почв, т.е. расположенных не в своей природной зоне.
Лесами покрыто не более 14% территории Тульской области. Леса размещаются в основном на севере области в подзоне северной лесостепи. В южной лесостепи (подзона луговых степей) на долю лесов приходится около 4 % территории. Распаханность территории 75-80 и более %. В подзоне северной лесостепи в лесах преобладают широколиственные породы: дуб черешчатый, липа мелколистная, клен остролистный, клен равнинный, ясень высокий. Характерны снытевые и крупнотравные типы леса на серых лесных почвах. Большая часть территории области распахана.
В Липецкой области лесами занято 7 % территории. Характерны дубравы, а таюке смешанные сосново-дубовые леса, приуроченные в основном к террасам рек. Небольшие болота встречаются в поймах и в балках. На равнинах зональной растительностью является степная растительность. Степные участки почти все распаханы. На юго-востоке области заходит часть Воронежского государственного заповедника.
В Вологодской области важнейшее значение имеет лесная и целлюлозно-бумажная промышленность и лесохимическая. Развиты черная металлургия, машиностроение и металлообработка, производство удобрений. Большое влияние на состояние ОПС оказывает металлургический комбинат ОАО «Северсталь» в г. Череповце. Череповец расположен на Волго-Балтийском водном пути. Череповец - порт на Рыбинском водохранилище. Город возник на месте бывшего Череповецко-Воскресенского монастыря, существовавшего с 14 века. Черная металлургия здесь развивается начиная с 1955 года. Металлургический комбинат использует руду Оленегорского месторождения Мурманской области и каменный уголь Печорского каменноугольного бассейна.
Значительная роль в хозяйстве Вологодской области принадлежит легкой промышленности: льнообрабатывающая, льнотекстильная, щетино-щеточная, кожевенно-обувная, овчинно-шубная.
Основной отраслью сельского хозяйства является молочное животноводство. Ведущая культура - озимая рожь. Выращивают также яровую и озимую пшеницу, овес и ячмень. Важнейшей технической культурой области является лен, под которым занято 8,5 % посевных площадей.
Ведущие отрасли промышленности Кировской области (Мамин, Серова, 2004): машиностроение, производство стройматериалов, металлургия и металлообработка, лесная и деревообрабатывающая промышленность, химическая, легкая, пищевая. Металлургия и металлообработка сосредоточены в Кирове, Омутнинске, Котельниче, Вятских Полянах, Уржуме, Мурашах и Малмыже. Город Омутнинск - центр Омутнинского района Кировской области. Омут-нинский металлургический завод работает на привозном металлоломе. Под пахотными землями в области занято около 3 млн. га. Из зерновых выращивают озимую рожь, ячмень, овес, яровую пшеницу, горох, гречиху, картофель. Развивается животноводство молочно-мясного направления, свиноводство и овцеводство. Развивается также охотничий промысел.
В Московской области ведущая роль принадлежит отраслям тяжелой промышленности. Промышленность опирается главным образом на привозное сырье и топливо и использует наличие значительных трудовых ресурсов и высокую квалификацию кадров. В столичном регионе развиты отрасли промышленности: металлургия, машиностроение, химическая промышленность, производство стройматериалов, текстильная и пищевая промышленность. Производство высококачественных сталей и сплавов имеется в г. Электросталь. Сельское хозяйство носит пригородный характер и ориентировано на производство мяса, молока, яиц, овощей, картофеля, плодов и ягод.
На Тульскую область приходится 95% добычи угля Подмосковного буро-угольного бассейна. Металлургическая промышленность - старейшая отрасль промышленности Тульской области. Машиностроение специализируется на производстве сложных машин. Предприятия химической промышленности производят минеральные удобрения, фенолы, пестициды и пр. Для сельского хозяйства характерно мясо-молочное направление. Выращивают зерновые, кормовые и технические культуры.
Ведущие отрасли промышленности в Липецкой области - черная металлургия, машиностроение и пищевая промышленность. Металлургическая промышленность представлена реконструированным заводом «Свободный Сокол» и Ново-Липецким металлургическим комбинатом полного цикла. Железная руда и известняки добываются в непосредственной близости от г. Липецка. Машиностроение представлено тракторостроением и станкостроением. Сельское хозяйство специализируется на производстве зерна, подсолнечника, сахарной свеклы, картофеля и на молочно-мясном животноводстве.
Оценка экологической опасности техногенных воздействий предприятий черной металлургии на окружающую среду
Объективная оценка экологической опасности техногенных воздействий на ОС обеспечивается систехмой экологического управления предприятия, что позволяет выявить наиболее уязвимые с точки зрения экологической безопасности позиции и разработать мероприятия по снижению экологического риска.
Экологический аудит (environmetal audit) - систематический документально оформленный процесс проверки объективно получаемых данных для определения соответствия или несоответствия критериям аудита определенных видов экологической деятельности, событий, условий, систем административного управления или информации об этих объектах. В процессе аудита проверяется то, насколько на данном предприятии технологии и техногенное воздействие соответствуют требованиям стандарта ISO 14001.
В стандартах ИСО серии 1400 отсутствуют рекомендации по вариантам и методам оценки экологического риска производственной деятельности предприятий. Поэтому в ряде научных и учебных учреждений были предприняты попытки создать методики оценки экологического риска (Карабасов и др., 2000 и др.). Ю.С. Карабасов и др.(2000) предлагают при оценке экологического риска использовать следующие исходные данные: материальные балансы производства или отдельных технологических процессов (или технологические регламенты); данные производственного экологического контроля; сведения по ПДВ, ПДС, лимитам размещения отходов, экологический паспорт предприятия, отчеты по форме 2ТП (воздух, вода, отходы); анализ и оценка проводится для определенного временного интервала (сутки, месяц, год).
Для оценки воздействия отходов производства вводится индекс безот-ходности. Чем меньше значение индекса, тем существеннее воздействие на окружающую среду. При оценке значительности воздействия сбросов предприятия учитывают ПДК и ПДС в поверхностных водах по основным загрязняющим веществам, их концентрацию в сточных водах и количество производств (или видов продукции) предприятия.
При расчете индекса безопасности атмосферы учитывается масштаб воздействия (объем выбросов, норматив выброса) и опасность воздействия (по классу опасности) загрязнителя. Если значение индекса безопасности ниже критериального уровня, то воздействие на атмосферу следует считать значительным. В связи с тем, что при подготовке к экосертификации требуется быстро и качественно оценить экологическую безопасность на предприятии, важное значение приобретают различные методы экспресс-оценки безопасности деятельности предприятия (Плущевский 1994,2002 др.) Опасность компонентов и предприятия в целом определяют по документам: «Лимиты» (лимиты размещения отходов); «Сбросы» (сброс веществ со сточными водами); «Проект нормативов ПДС» (документ «ПДС»), «Разрешение». (Разрешение на сброс загрязняющих веществ в природную среду со сточными, ливневыми, дренажными, фильтрационными водами») и «Выбросы» («Разрешение на выбросы загрязняющих веществ в атмосферу»). При анализе документа «Лимиты» устанавливают классы опасности веществ, образующихся на предприятии.
При анализе документов «Сбросы», «ПДС» и «Разрешение» определяют іспасс опасности для веществ, выносимых со сточными водами. На основании документа "Разрешение" делается вывод о степени благополучия со сбросами и выбросами предприятия (Контроль..., 1998) Ряд загрязняющих веществ обладают эффектом «суммации действия»: оксиды азота (1), оксид углерода (2), уксусный альдегид (4), диоксид серы (7), уксусная кислота (9) и углеводороды (10). При одновременном присутствии в воздухе предприятия всех шести загрязнителей есть опасность синергетического эффекта, что определяется по следующему уравнению: С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + С4/ПДК4 + С7/ПДК7 + С9/ПДК9 +С10/ПДК10 1,
Если при сравнении фактических данных с данными документа «Выбросы» результат суммирования окажется больше 1, то имеется опасность синергетического эффекта.
Для предприятия должны быть установлены долгосрочные (стратегические) целевые показатели с указанием наименований программных мероприятий и видов соответствующих действий ответственных исполнителей по подразделениям (Шагарова, 2000; Терминологический словарь, 2000).
Предприятия черной металлургии характеризуются постоянным режимом выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферный воздух городов, поэтому колебания уровня загрязнения атмосферного воздуха происходят под влиянием условий переноса и рассеивания загрязнений в атмосфере. На повышение уровня ЗВ в атмосфере влияет сочетание метеорологических факторов. Качество атмосферного воздуха зависит от условий вертикального и горизонтального рассеивания ЗВ, поэтому оно является функцией скоростей потоков. Причем, скорость ветра неодинаково влияет на распространение ЗВ в крупных и небольших населенных пунктах, а также зависит от поступления ЗВ от высокого или низкого источника.
При выбросах от промышленных предприятий с высокими трубами значительные концентрации ЗВ у поверхности земли наблюдаются при так называемой «опасной скорости ветра» (3 U 5 м/с). Выбрасываемая газовоздушная смесь в случае перегрева относительно окружающего воздуха обладает определенной плавучестью, а вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей в верхние слои атмосферы (Старокожева, Борисова, 2001 и др.). При выбросах от низких и неорганизованных источников увеличение концентрации примеси наблюдается при слабой ветровой активности (U 3 м/с) за счет накопления ЗВ в приземном слое атмосферы. Резкое увеличение концентрации ЗВ в атмосфере промышленного города происходит при скоростях ветра до 3-5 м/с, когда в атмосфере наблюдаются застойные явления.
Полный поток вещества слагается из конвективного и диффузного потоков. Для системы «человек-производство-атмосфера» предлагается (Старокожева, Борисова, 2001) критерий качества атмосферы (Катм), который определяется отношением скорости генерирования ЗВ в атмосферу к скорости его рассеивания (накопления на территории), т.е.
Экосистемный анализ накопления и миграции загрязнения в почвах и растениях в ландшафтах лесной зоны
При геоэкологическом анализе определяется накопление и миграции загрязнений в компонентах ландшафтов. Оценивая характер и степень загрязнения ОС в результате техногенных выбросов металлургических предприятий следует учитывать, что предприятие по производству черных металлов - «Северсталь» действует с 1955 года, а «Электросталь» - с 1908 года. Это стационарные источники загрязнения и, несмотря на некоторое снижение уровня техногенных выбросов, продолжается накопление ЗВ в компонентах ландшафта. Особенно большой вред ОС приносит накопление ТМ, а для вегетирующих растений особенно неблагоприятны газообразные техногенные выбросы.
Для характеристики содержания тяжелых металлов (ТМ) в растениях используют индекс аккумуляции - отношение содержания металла в растении к концентрации в почве его подвижных форм. Выявлена линейная зависимость этих концентраций (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Berthelsen, 1994 и др.). Содержание ТМ в растениях зависит от их наследственности, поэтому в одних и тех же экосистемах, в одинаковых условиях содержание ТМ очень сильно варьирует (табл. 4.8). Как видно из таблицы, наиболее активно растения поглощают железо, марганец и цинк, менее активно поглощается кадмий. Споровые растения (мхи и лишайники) значительно больше накапливают металлов, чем цветковые растения (Aarrestad, Aamlid, 1999 и др.). В видах растений имеет Накопление ТМ зависит от происхождения растений и их генотипа, а также от условий существования (Жуйкова, Позолотина, Безель, 1999). Особенно высокой способностью к накоплению ТМ отличаются сорные и рудеральные растения, приспособившиеся к антропогенным местообитаниям ( Илькун, 1978; Игнатенко, Тарабрин, 1987; Комплексная..., 1992). В условиях техногенного загрязнения ОС эти виды получают преимущества перед луговыми и лесными видами, которые гораздо хуже приспособлены к существованию в условиях загрязнения окружающей среды. Эти факторы приводят к динамическим сукцес-сиям в растительном покрове. В этих условиях особое значение приобретает устойчивость видов растений к воздействию промышленного загрязнения. В силу разной устойчивости видов в естественных растительных сообществах техногенное воздействие вызывает динамические сукцессии в растительном покрове, когда неустойчивые виды сначала снижают обилие, а затем выпадают из сообщества (Николаевский, 1979; Разумовский, Рыбалко, Тихомирова, 1982; Кунина, 1988; Лукина Никонов, 1993, 1995; Нешатаева, Ярмишко, 1995).
Содержание ТМ в растениях зависит от их концентрации в почвенном растворе, их биологической доступности, вида, фенофазы и жизненности растений. Кроме того, содержание ТМ сильно варьирует в органах растений. По данным Тихомирова Ф.А. и др. (1988) коэффициенты аккумуляции (Как) никеля в органах растений овса сильно зависят от фазы развития (табл. 4.10). Репродуктивные органы отличаются более высоким накоплением никеля, нежели листья и стебли.
При повышении концентрации никеля в почве от 40 до 200 мг/кг наблюдается снижение Как в растениях, а при концентрации более 200 мг/кг Кал: резко возрастает. Такое распределение, очевидно, объясняется наличием в растении физиологического барьера на пути транспорта никеля в фитомассу. Из таблицы видно, что много никеля накапливается в репродуктивных органах. Поэтому в загрязненных ТМ территориях не следует выращивать овес и другие зерновые. Представляет интерес, какие же концентрации ТМ и других микроэлементов в растениях можно считать нормальными (Черненькова, 2002). Попытка обобщения данных ряда исследователей предпринята Чернавской Н.М. и др. (1997) (табл. 4.11).
Техногенные загрязнения наряду с прямым воздействием на вегетирующие растения оказывают на них также косвенное воздействие в результате поступления и накопления техногенных веществ в почвах, что связано с изменением окислительно-восстановительных условий в почвах и путей миграции и аккумуляции ЗВ (Пиунова, 1983; Малахов, Сенилин, Зырин, 1988; Обухов, Ефимова, 1988; Николаевский, 1979;Николаевский, Николаевская, 1985, 1995).
Выбросы металлургических предприятий сильно изменяют прилегающие к предприятиям почвы, откуда загрязнения поступают в растения. Во многих регионах мира и России атмосферное загрязнение от предприятий черной и цветной металлургии является главной причиной деградации лесов (Махонина. Чибрик, Ужегова, 1976; Михайлова, Воробейчик, 1995: Копник и др., 2003). Несмотря на некоторое сокращение выбросов сернистого ангидрида и оксидов азота в конце XX века сохраняется их негативное воздействие на леса Северной Америки, Европы и России. Вызванные атмосферным загрязнением изменения состава и продуктивности лесных, и луговых фитоценозов, а также агроценозов особенно наглядно проявляются вблизи стационарных источников загрязнения, где образуются техногенные геохимические аномалии (Полещук, 1982, 1983). Техногенные воздействия на ландшафты лесной и других зон ведут к снижению биоразнообразия растений, животных и микроорганизмов (Понятовская, Сырокамская, 1960; Охмат, Ержанов, Бигалиев, 1988; Смирнова и др. 2000). При исследованиях миграции и аккумуляции ТМ в лесах Севера (Кольский полуостров) (Пярн, 1984; Лукина, Никонов, 1996; Копник и др., 2003 и др.) выяснено, что в лесных экосистемах основными аккумуляторами ЗВ являются деревья (Слепян, 1978, 1980; Смит, 1985; Cronan, Grigal, 1999 и др.). По исследованиям в сосновых лесах боровых террас на Украине получены следующие данные по содержанию ТМ в соснах (табл. 4.12). Обнаружено, что максимальное количество ТМ накапливается в хвое, ветвях и семенах. У них как и в травах наибольшие концентрации наблюдаются для никеля, меди, железа, серы, калия, а наименьшие для марганца, магния и кальция (De Vries и др., 2000). Исходя из анализа данных распределения ТМ по органам растений можно рекомендовать для мониторинга использовать ассимиляционные органы, так как их химический состав является интегральным показателем процессов функционирования растений.
Реакция почв и растительности на техногенное загрязнение от металлургических предприятий
Рыбинское водохранилище создано в 1937 году, оно затопило обширные равнинные территории. Площадь его акватории - 4550 км2, площадь мелководий - 950 км2 (21% акватории). На 1 августа средний уровень его сработки -108 см, на 1 ноября - 231 см, средняя максимальная сработка зимой — 362 см. Большая площадь акватории способствует разгону волн, поэтому, в отличие от Иваньковского и других водохранилищ, оно слабее зарастает.
Перед созданием водохранилища были проведены обширные исследования в зоне затопления (Волжско-Камская экспедиция). По исследованиям экспедиции (Темноев, 1940) наиболее древней почвообразующей породой в зоне затопления является вюрмская морена. Она служит ложем Волги и ею сложены коренные берега. Коренные берега имеют абсолютные высоты 120-140 м, а наиболее низкие отметки дна - 86-103 м. Характерной особенностью этой морены является её карбонатность, что обусловливает карбонатность аллювиальных наносов в долине Волги. На коренном берегу морена покрыта чехлом элювиально-делювиальных суглинистых и глинисто-песчаных отложений различной мощности, а в долине она подстилает речные и озерно-речные отложения, которые образуют 2 различные по высоте и характеру террасы: первую — пойменную и вторую - надпойменную. Отложения надпойменной террасы имеют различную мощность: 3-9; 10...25 м. Это среднезернистые пески, местами грубозернистые. Грунтовые воды залегают глубоко. Мощность аллювиальных отложений невелика. Ширина Волги вместе с террасами до 1,5 км.
Коренные берега Волги густо заселены, большие площади занимают выгоны, поля и сенокосы. Неосвоенная территория коренного берега до создания водохранилища была представлена вырубками и белоусовыми омоховелыми пустошами. Лесов мало, встречаются в основном елово-сосново-зеленомошные и долгомошные леса и длительно производные березняки и березово-осиновые леса, сформировавшиеся на их месте.
Надпойменная терраса в основном сложена зернистыми песками мощностью 8-10 м, поверхность террасы неровная, волнистая. На высоких буграх встречаются сосняки лишайниковые с кошачьей лапкой, осокой верещатнико-вой, ястребинкой волосистой. Для сосны характерен III класс бонитета. В более влажных местообитаниях встречаются зеленомошные типы леса. Для поймы Волги было характерно остепнение. Пойма приподнята над меженным уровнем на 6-10 м. Из лесостепных видов здесь были характерны: тимофеевка степная, подмаренник настоящий, люцерна серповидная. Для разнотравья характерны: очиток едкий, щавель кислый, подорожник средний, порезник горный (лесостепной вид), колокольчик сборный, астрагал песчаный. В понижениях поймы растут овсяница луговая, тимофеевка луговая, полевица белая, ежа сборная.
Рыбинское водохранилище затопило пойму и надпойменную террасу Волги и её притоков, местами надпойменные террасы подтоплены. Согласно проектам подтопленными считаются земли, расположенные выше на 1 м нормального подпорного уровня (Богачев, Соболев, 1969) и др.). Следует иметь в виду, что в результате выклинивания грунтовых вод подтопление нередко обнаруживается значительно выше (Груздева, Суслов, Груздев, 2005). На Рыбинском водохранилище расширение подтопляемых земель не прекратилось даже через 25 лет после его создания.
Много внимания исследователи уделили процессам зарастания равнинных водохранилищ (Шмелева, 1940; Евтюхова, 1941; Богачев, 1952; Экзерцев, 1958 и др.; Кудинов, 1961; Селезнев, 1961; и др.). Были установлены начальные стадии развития растительности на различных водохранилищах. При этом оказалось, что заселение водохранилищ растениями начинается почти одновременно с их заполнением в литоральной зоне до 3-4 м ниже проектного горизонта. В водохранилищах лесной зоны в первые годы наблюдается массовое развитие микроскопических, в основном нитчатых, водорослей и свободно плавающих высших растений. Воздушно- водные и прикреплённые растения появились несколько позже, занимая сответствующие по глубине пояса. Изучалось также влияние водохранилища на почвы и растительность прибрежной зоны (Кудинов, 1961; Селезнев, 1961 и др.). К.Н.Дьяконовым была составлена схема подтопления лесных земель водохранилищами (1975 и др.). Подъем грунтовых вод обусловливает направленное преобразование в видовом составе и условиях роста прибрежной растительности, а сезонные колебания уровня водохранилища приводят к ритмическим изменениям. Влияние дополнительного грунтового увлажнения дифференцировано по подзонам и поясам влияния. В подзоне прямого влияния, имеющей ширину несколько сотен метров, режим грунтовых вод полностью подчинен уровню водохранилища. По тенденции изменения прироста деревьев по диаметру и по изменению класса бонитета древостоев за периоды до и после создания водохранилища прослеживаются пояса влияния. На берегах, сложенных песчаными и супесчаными породами, пояс отрицательного влияния оконтуривается горизонталями стояния грунтовых вод 0,5-0,8 над НПУ, а с высоты 1,1м обычно расположен пояс положительного влияния.
Воздействие на корневые системы деревьев прослеживается в тех местообитаниях, где глубина грунтовых вод не более 2-2,5 м, причем, дополнительное увлажнение корневой системы осуществляется за счет влаги, поднимающейся по капиллярам от грунтовых вод. Пояса влияния могут быть представлены в виде сплошной территории - концентрические ареалы вокруг водоема, но мезо-и микрорельеф усложняют картину. В условиях развитого микрорельефа подтопление нередко носит мозаичный, мелкоконтурный характер: участки сильного подтопления чередуются с участками умеренного и слабого подтопления.
Ярусы растительности неодинаково реагируют на подтопление. При слабом подтоплении напочвенный покров лесных сообществ изменяется мало, в основном наблюдается усиление прироста древостоя. Изменения в типологическом составе лесов (Дьяконов, 1975) происходят там, где глубина грунтовых вод в среднем за вегетационный период не опускается ниже 1,0-1,5 м (особенно на тяжелых грунтах). При высоком стоянии грунтовых вод происходит отмирание ранее сформировавшихся взрослых древостоев, которые уже не могут приспособиться к новым условиям существования.
