Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор литературы: современное положение проблемы оценки и нормирования экологического состояния почв 9
2.1. Влияние предприятий цветной металлургии на экологическое состояние почвенного покрова 9
2.2. Воздействие предприятий цветной металлургии на растительный покров 14
2.3. Воздействие предприятий цветной металлургии на функционирование почвенных микроорганизмов... 20
2.4. Состояние меди, никеля и кобальта в почвах 26
2.5 Содержание серы в почвах Норильского промышленного района 33
2.6. Оценка экологического состояния почв 37
2.7. Подходы к нормированию экологического состояния почв 48
2.8. Современное состояние проблемы нормирования содержания загрязняющих веществ в почвах в Россини за рубежом 55
2.9. Природно-климатические особенности территории района исследования 58
3. Объекты и методы исследования 69
3.1. Объекты исследования 69
3.2. Биологические методы исследования почв 81
4. Результаты и обсуждение 84
4.1. Основные химические свойства почв 84
4.2. Оценка содержания и подвижности ТМ в почвах Норильского промышленного района 90
4.3. Распределение ТМ по профилю почв 105
4.4 Исследование фракционного состава Си, Ni, Со в почвах Норильского промышленного района и фоновых территорий 108
4.5. Содержание серы в почвах Норильского промышленного района 113
4.6 Состояние растительности и биологические свойства почв в зоне влияния предприятий ГМК «Норильский Никель» 114
4.7 Экологическое нормирование состояния почв и ОПС Норильского промышленного района 127
5. Заключение 133
6. Выводы 137
Список литературы 139
- Воздействие предприятий цветной металлургии на растительный покров
- Содержание серы в почвах Норильского промышленного района
- Исследование фракционного состава Си, Ni, Со в почвах Норильского промышленного района и фоновых территорий
- Состояние растительности и биологические свойства почв в зоне влияния предприятий ГМК «Норильский Никель»
Воздействие предприятий цветной металлургии на растительный покров
Активное освоение Севера в последние несколько десятилетий привело к нарушению целостности лесных биогеоценозов, их дестабилизации, замене другими формациями и прочим негативным последствиям. Причиной этого является своеобразие климатических и эдафических условий, которые обусловливают повышенную чувствительность лесных экосистем к стрессовым факторам.
Природные бигеоценозы Крайнего Севера в наибольшей степени подвержены разрушительному влиянию загрязняющих веществ, поскольку многие виды находятся здесь на границе а реалов их обитания и особенно чувствительны к стрессовым факторам (Крючков, 1991). Многолетняя мерзлота определяет малую мощность корнеобитаемого слоя почв в течение всего вегетационного периода. Корневые системы всех растительных компонентов фитоценоза, таким образом, оказываются замкнутыми в небольшом деятельном горизонте мощностью от 20 до 100 см, что приводит к жесткой конкурентной борьбе между ними за влагу и элементы минерального г питания. Низкотемпературный режим холодных мерзлотных почв обуславливает замедленность трансформации органического вещества и затрудняет развитие продукционного процесса. Все это приводит к низкой продуктивности и низкой сомкнутости древостоев (Дадыкин, 1957; Абаимов и др., 1997 а; Абаимов и др., 1997 б).
В результате промышленного загрязнения серьезные изменения происходят во всех компонентах лесных экосистем. Растительный покров сильно угнетен в зоне деятельности металлургических предприятий (Дончева, 1978). В результате воздействия газо-пылевых выбросов наблюдаются ожоги листвы и хвои кислотными осадками (Щербаченко, 2008). Воздействие пыли, оседающей на листовых пластинках и поглощение аэрозолей ЗВ, в том числе ТМ, препятствует процессам фотосинтеза и дыхания растений. Одновременно происходит поглощение значительных количеств ТМ в растворенном виде из почвы (Методические указания, 1999). Лесовозобновительный процесс в зоне деятельности предприятий HTTP имеет регрессивную направленность: происходит упрощение организации фитоценоза, снижение биомассы растений и смена естественных растительных сообществ техногенными (Чихачева, 2006).
Основным индикационным признаком нарушенности лесного сообщества является степень повреждения древесного яруса. По данным исследований количественных характеристик древостоя, проведенного Чихачевой (Чихачева, 2007) в Норильском промышленном районе, показано, что значение некоторых показателей может изменяться в широких пределах. Так, если в условиях природного фона доля сухостойных деревьев редко превышает 25-30%, то уже в умеренно нарушенных сообществах этот показатель может достигать 80%. Основными факторами, определяющими степень повреждения древостоев промышленными эмиссиями, помимо удаленности их от источника загрязнения, являются особенности условий" местности произрастания (Менщиков, 1992). Реакция древесных пород на загрязнение значительно отличалась. В ряде работ показано, что лиственница является наиболее чувствительной по отношению к загрязнению как почв, так и атмосферного воздуха (Харук и др., 1996; Абоимов и др., 1997 а). Доля сухостойных деревьев листвиницы в условиях промышленного загрязнения превышала 80%.
Наиболее очевидными являются изменения состояния окружающей среды, определяемые по состоянию растительности. Ботанические критерии имеют наибольшее значение, поскольку они не только чувствительны к нарушениям окружающей среды, но также физиономичны, и наилучшим образом прослеживают зоны экологического бедствия по размерам в пространстве и по стадиям нарушения во времени (Ковалев, Филипчук, 1990; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Абаимов, 1997; Виноградов, 1998; Корец и др., 2005). В ландшафтной экологии наиболее значимыми принято считать биоценотические и экосистемные (соотношение площади в ландшафте) критерии.
Среди ботанических критериев фитоценотические показатели являются наиболее информативными показателями экологического неблагополучия и содержат такие показатели деградации растительного покрова как ухудшение фотометрических характеристик растительных сообществ, уменьшение проективного покрытия и биологической продуктивности, смены высокоорганизованных и высокопродуктивных устойчивых растительных сообществ неустойчивыми, примитивными и малопродуктивными, смены коренных (квазикоренных) сообществ производными, снижение ассоциированности до агрегаций и агломераций растений вплоть до пустошей и минеральных арен лишенных растительности. Фитоценотические показатели наиболее физиономичны, устойчивы, комплексны и достоверны (Чихачева, 2006).
Ботанические показатели весьма специфичны, т.к. разные виды растений и растительные ассоциации в разных географических условиях имеют неодинаковую чувствительность и устойчивость к нарушающим воздействиям, и, следовательно, одни и те же показатели для квалификации ; зон экологического состояния могут существенно варьировать в зависимости от ландшафта и природной зоны. При этом необходимо учитывать признаки негативных изменений на разных уровнях: организменном (фитопатологические изменения), популяционном (ухудшение видового состава и фитоценометрических признаков) и экосистемном (соотношение площади в ландшафте). Пример ранжирования состояния экосистем по ботаническим критериям дан в таблице 1 (усредненные основные показатели, районированные для определенных зональных условий).
Содержание серы в почвах Норильского промышленного района
В Норильском промышленном районе, лесные биогеоценозы подвергаются воздействию техногенной серы, поступление которой происходит с атмосферными осадками и через оседание пыли. Отмечено, что нормирование воздействия диоксида серы на состояние- лесной растительности, особенно хвойных лесов, в условиях длительного воздействия как, например, в случае Норильского ГМК по санитарно-гигиеническим принципам, на основе ПДК, не эффективно, так как концентрация S02 ниже ПДК уже наносит значительный ущерб растительности (Федотов и др., 1983). В Норильской долине в соответствии с розой ветров четко выражен градиент выпадения техногенных элементов из атмосферы с севера-северо-запада на юг-юго-восток. Тяжелые металлы и сульфат-ионы (SO4 ") в составе кислотных осадков и пыли, поступая в почву, вступают в различные химические реакции, адсорбируются органическим веществом, глинистыми минералами, оксидами (железа, алюминия и др.), поглощаются растительностью. В разных почвах соотношения этих форм и поведение различны, что зависит от многих природных и техногенных факторов. Поведение серы в почве в значительной степени определяется окислительно-восстановительными условиями (Глазовская, 1978).
Адсорбция сульфатов является основным путем связывания в почве серных компонентов кислотных выпадений. Она происходит на поверхности гидроксидов Fe и А1 и наиболее ярко проявляется в иллювиальных горизонтах. Однако поглощенные ионы могут впоследствии вытесняться анионами с большей специфичностью сорбции, например фосфатами.
Часть серы, поступившей в почву из атмосферы, закрепляется в подстилке, часть мигрирует вниз по профилю. Поступающий с осадками сульфат-ион, поглощается живыми организмами, а также взаимодействует с твердыми фазами почвы. Избыток сульфат-ионов может поглощаться путем хемосорбции на оксидах Fe и А1, при этом выделяется ОН" по реакции:
Потери серы из почвы происходят за счет микробиологического восстановления сульфатов до летучих газообразных соединений типа сероводорода, дисульфида углерода. Реакции окисления восстановленных соединений серы протекают в почвах достаточно быстро при доступе атмосферного воздуха. Сульфиды и элементарная сера постепенно окисляются даже кислородом воздуха, а также при участии тионовых и серобактерий. Элементарная сера появляется в почвах как промежуточный продукт окисления сульфидов железа или вносится с химическими загрязняющими веществами. Окисление серы в почвах протекает ступенчато, причем конечным продуктом является серная кислота или сульфаты:
При восстановлении сульфатов в анаэробных условиях и при достаточном содержании органического вещества сульфатредуцирующими бактериями происходит образование сульфидов и подщелачивание среды: Сходные окислительно-восстановительные реакции происходят, очевидно, и в условиях тундры при избыточном увлажнении почв.
В работе Пономаревой (Пономарева, 2007) приведены результаты исследования содержания серы в Норильском промышленном районе, в Южном - Юго-восточном направлении от Норильска.
Для оценки пространственного распределения серы в почвах, были использованы данные по содержанию валовой серы в почвах на 20 ключевых участках, удаленных на различное расстояние от источника загрязнения (от 4 до 250 км). Установлена тенденция увеличения содержания серы по мере приближения к источнику загрязнения. Концентрация общей серы в почвах региона варьирует (коэффициент вариации более 20%), и во многих разрезах выше кларка. Превышение кларка на отдельных ключевых участках составило более 8 раз. Рис.1. (по Пономаревой, 2007) Пространственное распределение валовой серы в почвах, подверженных аэротехногенному воздействию (средние концентрации для различных горизонтов почвенного профиля). Распределение серы в органогенных горизонтах описывается логарифмической функцией.
Показано, что существующая тенденция увеличения концентрации наиболее выражена в органогенных горизонтах, о чем свидетельствует тесная обратная связь между количеством валовой серы и расстоянием до источника загрязнения (коэффициент корреляции г=-0,63, при уровне значимости 95%) (Пономарева, 2007). Зависимость содержания серы в подстилках от расстояния в первом приближении описывается также логарифмической функцией (рис.1).
В нижележащих горизонтах не наблюдается четкой зависимости изменения содержания серы от расстояния. При удалении от источника выбросов более чем на 100 км содержание серы в почвах уменьшается до величин близких к кларку или ниже его. Незначительное превышение кларка в органоминеральных горизонтах АО отмечается в отдельных почвенных разрезах некоторых ключевых участков. Повышенное содержание общей серы в минеральных горизонтах (в 2 раза выше кларка), как, было установлено в исследовании, может быть также связано с химико-минералогическими свойствами материнской породы. Миграция} серы в ландшафтах происходит по следующим схемам
Исследование фракционного состава Си, Ni, Со в почвах Норильского промышленного района и фоновых территорий
Исследование фракционного состава ТМ почв показывает степень подвижности ТМ, их связь с различными почвенными компонентами. В зависимости от источника загрязнении почв ТМ: в результате аэротехногенного привноса или поступления из ОРО, меняется общее содержание, подвижность и фракционный состав соединений ТМ в почвах. Анализ соотношения фракций ТМ в фоновой почве показал, отчетливое преобладание следующих фракций: остаточной фракции, с которой связаны ТМ закрепленные в кристаллических решетках минералов, унаследованных от почвообразующей породы, а также до 43% ТМ были связаны с аморфными соединениями железа (рис. 9, а). В загрязненных почвах соотношение фракций иное: увеличивается доля ТМ, связанных с подвижными фракциями и аморфными соединениями железа. Например, для соединений меди фракция, связанная с аморфными оксидами и гидрокисдами железа составляла в загрязненных почвах более 57% против 43% в незагрязненной почве. Содержание меди в остаточной фракции было значительно меньшим (рис. 9 б) - около 15%, в то время как в фоновой почве доля этой фракции была 40-70% от общего содержания меди. Все это указывает на большую роль соединений железа в трансформации и миграции загрязняющих веществ в почвах вблизи металлургических предприятий. Отмечается сходный характер соотношения фракций для аэротехногенного загрязнения и воздействия ОРО. Как и в случае с аэротехногенным загрязнение при воздействии ОРО отмечено повышенное содержание ТМ в подвижных фракциях: специфически адсорбированной, связанной с окристаллизованным и аморфным железом. Высоко содержание ТМ и во фракции связанной с органическим веществом почв (рис. 9 в), так как органическое вещество активно взаимодействует первым с осаждаемыми на поверхности почвы ТМ.
Распределение никеля по фракциям фоновой (а), загрязненной в результате аэротехногенного воздействия (б) и тундровой глеевой почвы и почвы вблизи ОРО (в) приведены на рисунке 10. В фоновой почве наиболее значительна доля никеля, связанного с первичными минералами в остаточной фракции. Это характерно для всех исследованных горизонтов фоновой почвы.
В загрязненных почвах в поверхностном горизонте AT соотношение фракций сходно с фоновым. Около 50% связано в остаточной фракции, однако высока доля никеля специфически адсорбированного, связанного с органическим веществом и аморфным железом, доля никеля во фракции, связанной с окристаллизованным железом мала в связи с органической природой горизонта AT и низким содержанием минеральных частиц почвы. Никель специфически адсорбированный, связанный с органическим веществом и аморфным железом характеризуется высокой подвижностью, может переходить в водные среды, и доступен растениям.
Более глубокие горизонты, А и В1, в которых минеральная составляющая которых значительно выше, характеризуются иным соотношение фракций. Доля никеля в остаточной фракции в органогенном горизонте снижается до 30%, возрастает доля никеля специфически адсорбированного, связанного с органическим веществом и аморфным железом. В горизонте В1 аэротехногенно загрязненной почвы доля специфически адсорбированного никеля максимальна и составляет более половины. Схожим с никелем было распределение кобальта по фракциям (рис. 11). Большая его часть связана с аморфными соединениями железа и в остаточной фракции - в первичных почвенных минералах. В условиях загрязнения, особенно вблизи ОРО возрастает доля кобальта специфически адсорбированного почвой и связанного с аморфными соединениями железа, вместе эти фракции могут содержать до 90% кобальта. Что указывает на явное антропогенное происхождение кобальта в почвах.
Состояние растительности и биологические свойства почв в зоне влияния предприятий ГМК «Норильский Никель»
Состояние растительного покрова в зоне деятельности предприятий ГМК «Норильский никель» характеризуется как сильно угнетенное. Основными факторами антропогенного влияния на растительный покров являются следующие: воздействие газо-пылевых выбросов (ожоги листовых пластинок кислотными компонентами осадков и оседающей пылью, поглощение аэрозолей ТМ с атмосферным воздухом при дыхании), поглощения значительных количеств ТМ в растворенном виде из почвенного раствора (Методические указания, 1999). Исследования состояния растительности на пробных площадях, расположенных в южном направлении вдоль Норильской котловины в градиенте загрязнения на расстоянии 22 км - 45 км - 70 км - 85 км — 100 км -142 км — 223 км проводились Чихачевой (2007). Исследование позволило проследить за изменением ценотических параметров лесных сообществ по мере ослабления техногенного воздействия. Изучение особенностей лесообразовательного процесса были проведены Чихачевой на основании анализа возрастной структуры древостоев и их количественных параметров. Исследования показали, что по причине частичного усыхания древостоев под влиянием техногенных выбросов, исходные разновозрастные березово-елово-лиственничные редкостойные леса и редколесья перешли в категорию редин. В относительно благоприятных условиях произрастания доля сухостойных деревьев составила около 40%, в жестких условиях — превысила 60% (Чихачева, 2007).
В работе показано, что первоначально исходная растительность в зоне сильного нарушения была представлена разновозрастными чистыми лиственничными и смешанными (с участием лиственницы, ели и березы) лесами и редколесьями. Сильнейшее техногенное загрязнение почвенного покрова и атмосферы в 1950-1970-е года привело к повреждению лесов в Норильском промышленном районе. Таким образом, к концу 1980-х эдификаторный ярус погиб (Ковалев, Филиппу к, 1990; Харук и др., 1996; Менщиков, 2004) и исходные лесные сообщества сменились техногенными тундровыми сообществами (багульниково-злаковые группировки, ивняковые осоково-злаковые, ивняковые хвощево-кустарничковые и т.п.) (Абаимов, 2005). В результате, на большей части территории возобновительный потенциал основных лесообразующих видов (лиственница) оказался утраченным.
В направлении от естественных экосистем к источнику загрязнений мы также наблюдали увеличение доли сухостоя в древесном ярусе, влекущее за собой снижение сомкнутости лесов и полную их гибель: образуются техногенные редины и затем, при дальнейшей деградации - пустоши с полностью погибшей лесной и тундровой растительностью, эродированными участками почвы. Снижается ценотическая роль типичных напочвенных представителей растительного покрова - мохово-лишайникого яруса и повышается значимость инвазивных форм кустарников и травянистых растений. Формируются различные кустарниковые сообщества, злаково-осоковые и хвощевые группировки. Увеличивается площадь деградированной обнаженности грунтов. В Юго-Восточном направлении территория Норильского промышленного района по степени нарушенности растительности может быть подразделена на зоны (Чихачева, 2007): 1. Зона очень сильной нарушенности распространяется до 22 км от Норильска 2. Зона сильной нарушенности — 22-70 км 3. Умеренно нарушенные территории распространяются в зоне 70-85 км 4. Слабо нарушенные территории 85-142 км 5. Ненарушенные территории наблюдаются за пределами 233 км от Норильска. Данные других авторов, проводивших исследование в Южном и Юго-восточном направлениях от Норильска сходны с вышеприведенными. Так, в работе Ленковой с соавторами (Ленкова и др., 2005) показано, что на удалении до 22-45 км от Норильска естественное возобновление лесов либо очень сильно ослаблено, либо подавлено полностью. Авторы связывают это с задернением почвы, а также с отсутствием семенного материала для возобновления лесной растительности. Следует указать, что в той же работе показано, что доля сухого древостоя на расстоянии 85 км от Норильска составляет до 75%. На расстоянии до 100 км от Норильска в указанном направлении, не смотря на многочисленность подроста, его состояние характеризуется как сильно ослабленное, что позволяет авторам сделать вывод о не возможности сформировать древесный ярус. По результатам визуального наблюдения состояния растительности в Северо-восточном направлении от Норильска нами было выделено 3 зоны. Отмечено, что растительный покров испытывает интенсивное воздействие газопылевых выбросов ГМК в зоне радиусом 4 км (рис. 12 а), где полностью отсутствует выраженный жизнеспособный древесный ярус, подрост лиственницы, если и присутствует, то значительно угнетен, взрослые деревья представлены засохшими на корню экземплярами. Лиственница в условиях промышленного загрязнения оказалась менее газоустойчивой породой (по сравнению с елью и березой, что, вероятно, повлекло за собой ослабление ее генеративных функций. Вследствие этого главная лесообразующая порода в регионе оказалась неспособна продуцировать всхожие семена. Если всхожие семена и формируются, то условия неблагоприятны для их прорастания. Таким образом, лиственница оказалась неспособной к возобновлению в условиях промышленного загрязнения в HTTP и утратила свои эдификаторные позиции, что согласуется литературными данными полученными для других направлений (Ленкова и др., 2005; Чихачева, 2007). Зона редколесья наблюдается на расстоянии до 15 км (рис. 12 б). Очевидно, что постепенное рассеивание и значительное падение концентрации загрязняющих веществ при удалении от источника выбросов снижает нагрузку и способствует созданию относительно благоприятных условий для возобновления древесной растительности.
